化学选择性必修1第三节 金属的腐蚀与防护导学案

金属的腐蚀与防护

一、金属的腐蚀

1．金属腐蚀

(1)概念：金属或合金与周围的气体或液体发生氧化还原反应而引起损耗的现象。

(2)由于与金属接触的气体或液体物质不同，发生腐蚀的情况也不同，一般金属腐蚀可分为两类：

①化学腐蚀：金属与其表面接触的一些物质(如O2、Cl2、SO2等)直接反应而引起的腐蚀。温度对化学腐蚀的影响很大。

②电化学腐蚀：当不纯的金属与电解质溶液接触时会发生原电池反应，比较活泼的金属发生氧化反应而被腐蚀。

2．钢铁的电化学腐蚀

由于条件不同，钢铁腐蚀可分为析氢腐蚀和吸氧腐蚀两种类型。

微点拨：(1)化学腐蚀和电化学腐蚀往往同时发生，只是电化学腐蚀比化学腐蚀更普遍，速率也大得多危害更大。

(2)析氢腐蚀和吸氧腐蚀取决于金属表面电解质溶液的酸碱性，实际情况中以吸氧腐蚀为主。

(3)钢铁发生析氢腐蚀或吸氧腐蚀时，负极都是铁，失电子生成Fe2＋，而非Fe3＋。

3．实验探究

(1)实验1：将经过酸洗除锈的铁钉用饱和食盐水浸泡一下，放入如图所示的具支试管中。几分钟后，观察导管中水柱的变化。

现象及原因：实验1中导管中的水柱上升，铁钉生锈。说明该过程铁钉被腐蚀。铁钉发生的是吸氧腐蚀。

(2)实验2:取两支试管，分别放入两颗锌粒和等体积、等浓度的稀盐酸，观察现象。然后，向其中一支试管中滴加1～2滴硫酸铜溶液，再观察现象。

现象及原因：开始时试管中均有无色气体产生，滴加硫酸铜溶液后产生气体的速率明显加快。原因是锌置换出铜后构成了铜锌原电池，锌作负极，腐蚀速率加快。

　如图所示，水槽中试管内有一枚铁钉，放置数天后观察：

(1)铁钉在逐渐生锈，则铁钉的腐蚀属于________腐蚀(填“化学”或“电化学”)。

(2)若试管内液面上升，则原溶液呈__________性，发生________腐蚀，电极反应式分别为负极：___________________________________________；

正极： _____________________________________________________。

(3)若试管内液面下降，则原溶液呈__________性，发生________腐蚀，电极反应式分别为负极_______________________________________________

正极：_____________________________________________________。

[解析]　根据原电池的构成条件：有两种不同的材料(Fe为负极，碳为正极)，有电解质溶液，形成闭合回路，可知铁钉的腐蚀属于电化学腐蚀。根据金属腐蚀的条件原理及结果可知：试管内液面上升，说明是试管内压强减小，试管内气体被吸收所致，是铁钉吸氧腐蚀的结果，据此写出电极反应式；试管内液面下降，说明是试管内气体压强变大，试管内产生了新气体所致，是铁钉析氢腐蚀的结果，据此写出电极反应式。

[答案]　(1)电化学

(2)弱酸性或中　 吸氧　2Fe－4e－===2Fe2＋　O2＋4e－＋2H2O===4OH－

(3)较强的酸　析氢　Fe－2e－===Fe2＋　2H＋＋2e－===H2↑

二、金属的防护

1．改变金属材料的组成

在金属中添加其他金属或非金属可以制成性能优异的合金。例如，把铬、镍等加入普通钢中制成不锈钢产品。

2．在金属表面覆盖保护层

在金属表面覆盖致密的保护层，将金属制品与周围物质隔开。

(1)在钢铁表面涂矿物性油脂、油漆或覆盖搪瓷、塑料等物质。

(2)用电镀的方法，在钢铁制品表面镀上一层不易被腐蚀的金属，如锌、锡、铬、镍等。

(3)工业上常利用一些溶液的氧化作用，在机器零件、精密仪器、枪炮等钢铁制件的表面上形成一层致密的黑色的四氧化三铁薄膜。

(4)利用阳极氧化处理铝制品的表面，使之形成致密的氧化膜而钝化。

(5)采用离子注入、表面渗镀等方式在金属表面可以形成稳定的钝化膜。

3．电化学保护法

(1)牺牲阳极的阴极保护法：应用原电池原理，让被保护金属做正极，一种活泼性较强的金属做负极，用导线相连。

(2)外加电流法：利用电解原理，把被保护的钢铁设备作为阴极，用惰性电极作为辅助阳极。在电解质溶液里，接外加直流电源。

　(正确的打“√”，错误的打“×”)

(1)Al、Fe、Cu在潮湿的空气中腐蚀均生成氧化物。 (×)

(2)钢铁发生电化学腐蚀时，负极铁失去电子生成Fe3＋。 (×)

(3)在金属表面覆盖保护层，若保护层破损后，就完全失去了对金属的保护作用。(×)

(4)若在海轮外壳上附着一些铜块，则可以减缓海轮外壳的腐蚀。 (×)

　为了防止钢铁锈蚀，下列防护方法中正确的是(　　)

A．在精密机床的铁床上安装铜螺钉

B．在排放海水的钢铁闸门上用导线连接一块石墨，一同浸入海水中

C．在海轮舷上用铁丝系住锌板浸在海水里

D．在地下输油的铸铁管上接直流电源的正极

C　[A、B中形成的原电池都是铁作负极，加速钢铁腐蚀；D中铸铁管作阳极，加速腐蚀；C中锌比铁活泼，铁作正极，被保护。]

实验1　已知Fe2＋与[Fe(CN)6]3－反应生成带有特征蓝色的铁氰化亚铁沉淀：

3Fe2＋＋2[Fe(CN)6]3－===Fe3[Fe(CN)6]2↓。

实验2　将1 g琼脂加入250 mL烧杯中，再加入50 mL饱和食盐水和150 mL水。搅拌、加热煮沸，使琼脂溶解。稍冷后，趁热把琼脂溶液分别倒入两个培养皿中，各滴入5～6滴酚酞溶液和K3[Fe(CN)6]溶液，混合均匀。取两个2～3 cm的铁钉，用砂纸擦光。如图(a)所示，将裹有锌皮的铁钉放入上述的一个培养皿中；如图(b)所示，将缠有铜丝的铁钉放入另一个培养皿中。观察并解释实验现象。

(a)　　　　　　　(b)

牺牲阳极法实验(2)

实验现象：a中溶液变红色，b中铁钉附近出现蓝色沉淀，铜丝附近溶液变红色。

金属腐蚀快慢比较

(1)在同一电解质溶液中：电解池原理引起的腐蚀>原电池原理引起的腐蚀>化学腐蚀>有防护措施的腐蚀。

(2)同一种金属在相同浓度不同介质中腐蚀由快到慢的顺序为强电解质溶液>弱电解质溶液>非电解质溶液。

(3)有无保护措施的腐蚀快慢顺序：无保护措施的金属腐蚀>有一定保护措施的金属腐蚀>牺牲阳极的阴极保护法引起的金属腐蚀>有外加电流的阴极保护法引起的金属腐蚀。

(4)对同一种电解质溶液来说，电解质溶液浓度越大，腐蚀速率越快。

题组1　金属腐蚀快慢的比较

1．(2021·北京丰台区期中)四块相同的锌片分别放置在下列四个装置中(烧杯中均盛有0.1 mol·L－1NaCl溶液)，则锌片腐蚀最快的是(　　)

A　　　 　B       C　　 　D

C　[金属腐蚀快慢顺序是电解池阳极＞原电池负极＞化学腐蚀＞原电池正极＞电解池阴极，A中锌发生化学腐蚀，B中锌作正极被保护，C中锌作负极加速被腐蚀，D中锌作阴极被保护，所以锌片腐蚀最快的是C。]

2．相同材质的铁在图中各情形下最不易被腐蚀的是(　　)

A　　　　　　　B

C　　　　　　　D

D　[A项，铁做负极、铜做正极，食醋为电解质溶液，形成原电池，铁发生电化学腐蚀；B项，铁作负极、合金中的碳等材料作正极，食盐水为电解质溶液，形成原电池，铁发生电化学腐蚀；C项，铁作负极、铜做正极，酸雨为电解质溶液，形成原电池，铁发生电化学腐蚀；D项，铁被均匀的铜镀层保护，不易被腐蚀。]

题组2　实验探究金属的腐蚀与防护

3．(2021·北京高二月考)某小组同学研究“84”消毒液(主要成分为NaClO)对铁的腐蚀作用：将等量的铁钉(铁碳合金)和纯铁粉分别浸没于10 mL “84”消毒液中，记录现象如下，下列说法正确的是(　　)

A．铁钉主要发生的是化学腐蚀

B．铁钉腐蚀后的溶液中c(Cl－)增大

C．铁粉的腐蚀速率慢主要是由于其表面积大

D．“84”消毒液有强氧化性，因此Fe被腐蚀时发生：Fe－3e－===Fe3＋

B　[铁钉为铁碳合金，易形成原电池，所以铁钉主要发生的是电化学腐蚀，A错误；铁钉腐蚀后，次氯酸根离子生成为氯离子，溶液中c(Cl－)增大，B正确；铁粉的腐蚀速率慢主要是铁粉与次氯酸钠不发生化学腐蚀，与固体的表面积无关，C错误； “84”消毒液有强氧化性，铁钉发生电化学腐蚀，Fe失电子生成亚铁离子，电极反应式为Fe－2e－===Fe2＋，D错误。]

4．某探究小组用铁钉被腐蚀的快慢实验来研究防止钢铁腐蚀的方法。所用试剂有：材质相同的无锈铁钉数个，食盐水、碳酸水、植物油各多量，实验温度为298 K、308 K，每次实验取用铁钉的数量相同。液体体积相同且足量，用大小相同的试管实验。

(1)请完成以下实验设计表，并在实验目的一栏中填出对应的实验编号：

(2)请根据上述实验，判断下列有关钢铁制品防腐的说法正确的是________(填字母)。

A．在铁门、铁窗表面涂上油漆

B．自行车各部件因有防护涂层或电镀等防腐措施，所以不需要停放在能遮雨的地方

C．家用铁制厨具每次用完后应擦干放置在干燥处

D．把挡水铁闸门与直流电源的正极连接且构成回路，可减少铁闸门的腐蚀速率

[解析]　(1)Ⅰ探究不同电解质对铁钉腐蚀快慢的影响，因此保证温度不变(仍为298 K)，改变电解质(选用碳酸水)。 Ⅱ探究温度对铁钉腐蚀快慢的影响，因此保证电解质不变(仍为食盐水)，改变温度(选308 K)。Ⅲ探究铁钉是否接触电解质溶液对铁钉腐蚀快慢的影响。因此保证温度不变(仍为298 K)，改变试管内液体(选植物油)。

(2)A项涂油漆保护铁门、铁窗，使铁门、铁窗与周围物质隔开，正确；自行车放在干燥处，不易形成原电池，能降低腐蚀速率，B错误，C正确；D项挡水铁闸门应与直流电源的负极相连，使之作电解池的阴极，才能起到保护作用，D错误。

[答案]　(1)

(2)AC

1．下列有关金属腐蚀的说法中正确的是(　　)

A．金属腐蚀指不纯金属与接触到的电解质溶液进行化学反应而损耗的过程

B．电化学腐蚀指在外加电流的作用下不纯金属发生化学反应而损耗的过程

C．钢铁腐蚀最普遍的是吸氧腐蚀，负极吸收氧气，产物最终转化为铁锈

D．金属的电化学腐蚀和化学腐蚀本质相同，但电化学腐蚀伴有电流产生

D　[金属腐蚀的本质，主要是金属原子失电子被氧化，腐蚀的内因是金属的化学性质比较活泼，外因是金属与空气、水和其他腐蚀性的物质接触，腐蚀主要包括化学腐蚀和电化学腐蚀，所以A错误；电化学腐蚀指不纯金属与电解质溶液接触时发生原电池反应而损耗的过程，不需要外加电流，所以B错误；钢铁腐蚀最普遍的是吸氧腐蚀，正极吸收氧气，而不是负极吸收氧气，所以C错误。]

2．(2021·北京丰台区期中)下列说法中，不正确的是(　　)

A．生铁比纯铁更易生锈

B．钢柱在水下的部分比在空气与水的交界处更易生锈

C．用锡焊接铁质器件，焊接处铁易生锈

D．生铁在湿润环境中比在干燥环境中更易生锈

B　[生铁中含有碳、铁，易形成原电池，发生电化学腐蚀，但是纯铁不易被腐蚀，所以生铁比纯铁更易生锈，A正确；在空气与水的交界处有足量的氧气，易发生电化学腐蚀，故钢柱在空气与水的交界处比在水下的部分更易生锈，B错误；铁比锡活泼，铁作负极失电子，用锡焊接铁质器件，焊接处铁易生锈，C正确；在湿润环境中易发生原电池反应，所以生铁在湿润环境中比在干燥环境中更易生锈，D正确。]

3．研究电化学腐蚀及防护的装置如图所示。下列有关说法错误的是(　　)

A．d为石墨，铁片腐蚀加快

B．d为石墨，石墨上电极反应为O2＋2H2O＋4e－===4OH－

C．d为锌块，铁片不易被腐蚀

D．d为锌块，铁片上电极反应为2H＋＋2e－===H2↑

D　[A项，由于活动性：Fe>石墨，所以铁、石墨及海水构成原电池，Fe为负极，失去电子被氧化变为Fe2＋进入溶液，溶解在海水中的氧气在正极石墨上得到电子被还原，比没有形成原电池时的速率快，正确；B项，d为石墨，由于是中性电解质，所以发生的是吸氧腐蚀，石墨上氧气得到电子，发生还原反应，电极反应为O2＋2H2O＋4e－===4OH－，正确；C项，若d为锌块，则由于金属活动性：Zn>Fe，Zn为原电池的负极，Fe为正极，首先被腐蚀的是Zn，铁得到保护，铁片不易被腐蚀，正确；D项，d为锌块，由于电解质为中性环境，发生的是吸氧腐蚀，在铁片上电极反应为O2＋2H2O＋4e－===4OH－，错误。]

4．(2021·江苏南京月考)保护海水中钢闸门的一种方法如图所示。下列说法不正确的是(　　)

A．锌板做牺牲阳极

B．钢闸门做正极(阴极)

C．锌板发生的电极反应式为Zn－2e－===Zn2＋

D．电子由钢闸门向锌板移动

D　[钢闸门和锌板在海水中形成了原电池，其中锌板做负极被腐蚀，钢闸门做正极被保护。A．该防护原理为牺牲阳极的阴极防护法，故锌做牺牲阳极，正确；B．钢闸门做原电池的正极被保护，正确；C．锌板做负极被腐蚀，电极反应为Zn－2e－===Zn2＋，正确；D．钢闸门做正极被保护，锌板做负极失电子被腐蚀，电子由锌板流向钢闸门，错误。]

5．如图所示，a为生铁，A、B两个烧杯中为海水，C烧杯中为1 mol·L－1的稀硫酸。

A　　　　　B　　　　　C

(1)C中Cu极的电极反应式为___________________________。

(2)B中Zn极的电极反应式为___________________________。

Fe极附近溶液的pH________(填“增大”“减小”或“不变”)。

(3)A、B、C中铁被腐蚀的速率最快的是________________。

[解析]　(1)装置C中，Cu、Fe、稀H2SO4构成原电池，其中Fe作负极，电极反应式为Fe－2e－===Fe2＋，Cu作正极，电极反应式为2H＋＋2e－===H2↑。(2)装置B中，Zn、Fe、海水构成原电池，其中负极(Zn)：Zn－2e－===Zn2＋，正极(Fe)：2H2O＋O2＋4e－===4OH－，故Fe极附近c(OH－)增大，pH增大。(3)C中铁作原电池的负极，腐蚀速率加快；B中铁作原电池的正极，被保护；经比较，铁被腐蚀的快慢顺序为C>A>B。

[答案]　(1)2H＋＋2e－===H2↑　(2)Zn－2e－===Zn2＋　增大　(3)C