高中化学第三节 金属的腐蚀与防护习题

第三节  金属的腐蚀与防护

【学习目标】

1.通过实验科学探究金属腐蚀的本质及其原因，认识金属腐蚀的主要类型，能正确书写析氢腐蚀和吸氧腐蚀的电极反应式。

2.认识金属腐蚀产生的危害和影响，树立防止金属腐蚀的意识，熟知金属腐蚀常用的防护方法。

【基础知识】

一、金属的腐蚀

1、金属的腐蚀

（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。其实质是金属原子  失去  电子变为阳离子，金属发生  氧化  反应。

（2）根据与金属接触的  气体或液体  不同，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。腐蚀的速率随温度升高而  加快  。

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

3、实验探究：电化学腐蚀

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制成性能优异的   合金  。如普通钢加入  镍、铬  制成不锈钢， 钛 合金不仅具有优异的  抗腐蚀性  能且具有良好的  生物相容性   。

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是一种普遍采用的防护方法。如，在钢铁制品表面喷油漆、涂矿物性油脂、覆盖搪瓷等；电镀锌、锡、铬、镍等，利用化学方法、  离子注入  法、表面渗镀   等方式在金属表面形成稳定的 钝化膜  。

3、电化学保护法

金属在发生电化学腐蚀时，总是作为原电池  负极   (阳极)的金属被腐蚀，作为  正极  (阴极)的金属不被腐蚀，如果能使被保护的金属成为  阴极  ，就不易被腐蚀。

（1）牺牲阳极法

原理：原电池原理

要求：被保护的金属作  正极  ，活泼性更强的金属作  负极  。

应用：锅炉内壁、船舶外壳、钢铁闸门安装镁合金或锌块。

实例 实验4-4-1：

如图装置反应一段时间后，往Fe电极区滴入2滴  黄  色K3[Fe(CN)6](铁氰化钾)溶液，观察实验现象。

已知Fe2＋与[Fe(CN)6]3－反应生成带有特征蓝色的KFe[Fe(CN)6]沉淀。

实例 实验4-4-2：

培养皿中放入含有NaCl的琼脂，并注入5～6滴酚酞和K3[Fe(CN)6]溶液，取两个2～3 cm的铁钉，用砂纸擦光，将裹有锌皮的铁钉放入a，缠有铜丝的铁钉放入b。

（2）外加电流法

原理：电解池原理

要求：被保护的金属作为   阴极   ，与电源的   负极   相连。

应用：钢铁闸门，高压线铁架，地下管道连接直流电源的   负极   。

【考点剖析】

考点一　金属的腐蚀

1．下列关于金属腐蚀的叙述正确的是(　　)

A．金属被腐蚀的本质是M＋nH2O===M(OH)n＋H2↑

B．马口铁(镀锡铁)镀层破损后，首先是镀层被氧化

C．金属在一般情况下发生的电化学腐蚀主要是吸氧腐蚀

D．常温下，置于空气中的金属主要发生化学腐蚀

答案　C

解析　金属腐蚀的本质是金属原子失去电子被氧化为金属阳离子：M－ne－===Mn＋，A项错误；马口铁的镀层破损后，Sn、Fe形成原电池，发生电化学腐蚀，则铁先被腐蚀，B项错误；常温下，空气中的金属主要发生电化学腐蚀中的吸氧腐蚀，C项正确，D项错误。

2.如图装置中，U形管内为红墨水，a、b试管内分别盛有食盐水和氯化铵溶液，各加入生铁块，放置一段时间。下列有关描述错误的是(　　)

A．生铁块中的碳是原电池的正极

B．红墨水水柱两边的液面变为左低右高

C．两试管中相同的电极反应式是Fe－2e－===Fe2＋

D．a试管中发生了吸氧腐蚀，b试管中发生了析氢腐蚀

答案　B

解析　a试管中为中性环境，发生吸氧腐蚀，氧气被消耗，气体压强减小；b试管中酸性较强，发生析氢腐蚀，有氢气放出，气体压强增大，所以红墨水柱两边的液面变为左高右低，故B项错。

3．我国某大城市今年夏季多次降下酸雨。据环保部门测定，该城市整个夏季酸雨的pH平均值为3.2。在这种环境中的铁制品极易被腐蚀。对此条件下铁的腐蚀的叙述不正确的是(　　)

A．此腐蚀过程有化学腐蚀也有电化学腐蚀

B．发生电化学腐蚀时，正极反应式为2H2O＋O2＋4e－===4OH－

C．在电化学腐蚀过程中有氢气产生

D．发生电化学腐蚀时，负极反应式为Fe－2e－===Fe2＋

答案　B

解析　金属铁的腐蚀中，金属铁可以和溶液中的氢离子直接发生化学腐蚀，铁制品中含有铁和碳，再加上电解质环境，具备了原电池的构成条件，也会发生电化学腐蚀，故A正确；发生电化学腐蚀时，碳作正极，溶液中的氢离子得电子生成氢气，正极反应式为2H＋＋2e－===H2↑，故B错误，C正确；发生电化学腐蚀时，铁作负极，电极反应式为Fe－2e－===

Fe2＋，故D正确。

4．结合下图判断，下列叙述正确的是(　　)

A．Ⅰ和Ⅱ中正极均被保护

B．Ⅰ和Ⅱ中负极反应均是Fe－2e－===Fe2＋

C．Ⅰ和Ⅱ中正极反应均是O2＋2H2O＋4e－===4OH－

D．Ⅰ和Ⅱ中分别加入少量K3[Fe(CN)6]溶液，均有蓝色沉淀

答案　A

解析　两个装置均为原电池，负极都是活泼金属，根据原电池原理可知：原电池的正极金属受到保护，A正确；Ⅰ中负极为活泼金属Zn，B错误；Ⅱ中是酸性溶液，电极反应中不能有OH－生成，C错误；Ⅰ中无Fe2＋生成，不能生成铁氰化亚铁沉淀，D错误。

5．宝鸡被誉为“青铜器之乡”，出土了大盂鼎、毛公鼎、散氏盘等五万余件青铜器。研究青铜器(含Cu、Sn等)在潮湿环境中发生的腐蚀对于文物保护和修复有重要意义。下图为青铜器在潮湿环境中发生电化学腐蚀的原理示意图，下列说法不正确的是(　　)

A．青铜器发生电化学腐蚀，图中c作负极

B．潮湿环境中Cl－浓度大时有利于多孔粉状锈的生成

C．若生成0.2 mol Cu2(OH)3Cl，则消耗的O2体积为4.48 L

D．环境中的Cl－与正、负两极反应的产物作用生成a的离子方程式为2Cu2＋＋3OH－＋Cl－===Cu2(OH)3Cl↓

答案　C

解析　根据题图知，氧气得电子生成氢氧根离子、Cu失电子生成铜离子，发生吸氧腐蚀，腐蚀过程中c作负极，A项正确；潮湿环境中的Cl－与正极反应产物氢氧根离子和负极反应产物铜离子作用生成多孔粉状锈Cu2(OH)3Cl，离子方程式为2Cu2＋＋3OH－＋Cl－=== Cu2(OH)3Cl↓，潮湿环境中Cl－浓度大时，有利于多孔粉状锈的生成，B、D项正确；未指明是否为标准状况，无法计算消耗的O2体积，C项错误。

考点二　金属腐蚀的防护方法

6．下列防护措施中属于电化学保护法的是(　　)

A．用氧化剂使金属表面生成致密稳定的氧化物保护膜

B．在金属中加入一些铬或者镍制成合金

C．在轮船的船壳水线以下部分，装上一锌锭

D．在金属表面喷漆

答案　C

解析　在轮船的船壳水线以下部分装上锌锭，能形成铁锌原电池，锌为负极，被腐蚀，铁被保护。

7．埋在地下的钢管常用如图所示的方法加以保护，使其免受腐蚀。下列说法正确的是(　　)

A．金属棒X的材料可能为铜

B．金属棒X的材料可能为钠

C．钢管附近土壤的pH可能会上升

D．这种方法称为外加电流法

答案　C

解析　图中没有外加电源，故为牺牲阳极法，D项错误；X的活泼性应大于铁的活泼性，但金属钠的活泼性太强，能与土壤中的H2O直接反应，故X的材料不可能是铜、钠，A、B项错误；O2在钢管处得电子，发生还原反应：O2＋4e－＋2H2O===4OH－，故钢管附近土壤的pH可能会上升，C项正确。

8．支撑海港码头基础的钢管桩，常用外加电流的阴极保护法进行防腐，工作原理如图所示，其中高硅铸铁为惰性辅助阳极。下列有关表述不正确的是(　　)

A．通入保护电流使钢管桩表面腐蚀电流接近于零

B．通电后外电路电子被强制从高硅铸铁流向钢管桩

C．高硅铸铁的作用是作为损耗阳极材料和传递电流

D．通入的保护电流应该根据环境条件变化进行调整

答案　C

解析　钢管桩接电源的负极，高硅铸铁接电源的正极，通电后，外电路中的电子从高硅铸铁(阳极)流向正极，从负极流向钢管桩(阴极)，A、B正确；C项，题给信息高硅铸铁为“惰性辅助阳极”不损耗，错误。

考点三　金属腐蚀快慢的比较

9．相同材质的铁在图中的四种情况下最不易被腐蚀的是(　　)

答案　C

解析　A项，食醋提供电解质溶液环境，铁勺和铜盆是相互接触的两个金属板，形成原电池，铁是活泼金属作负极；B项，食盐水提供电解质溶液环境，铁炒锅和铁铲都是铁碳合金，符合原电池形成的条件，铁是活泼金属作负极，碳作正极；D项，酸雨提供电解质溶液环境，铁铆钉和铜板分别作负、正极，形成原电池；在上述三种情况中，都是铁作负极，铁容易被腐蚀；C项，铜镀层将铁球覆盖，使铁被保护，所以铁不易被腐蚀。

10．为研究金属腐蚀的条件和速率，某课外小组学生用金属丝将三根大小相同的铁钉分别固定在图示的三个装置中，再放置于玻璃钟罩里保存一星期后，下列对实验结束时的现象描述不正确的是(　　)

A．装置Ⅰ左侧的液面一定会下降

B．装置Ⅰ左侧液面比装置Ⅱ的低

C．装置Ⅱ中的铁钉腐蚀最严重

D．装置Ⅲ中的铁钉几乎没被腐蚀

答案　B

解析　Ⅱ中铁钉与铜丝相连，金属活动性相差较大，且用挥发性盐酸，因此装置Ⅱ中的铁钉腐蚀最严重，C选项正确；Ⅰ中虽然也用了盐酸，但铁钉与铁丝相连，腐蚀不及Ⅱ，由于均发生了2H＋＋2e－===H2↑，Ⅰ和Ⅱ中均生成了气体，液面都会下降，装置Ⅱ的左侧液面比装置Ⅰ的左侧液面低，A选项正确，B选项错误；Ⅲ中浓硫酸吸水，从而使铁钉处在干燥空气中几乎不腐蚀，D选项正确。

11．下列与金属腐蚀有关的说法，正确的是(　　)

A．图1中，插入海水中的铁棒，越靠近底端腐蚀越严重

B．图2中，插入溶液中的铁棒容易溶解，主要是发生电化学腐蚀

C．图3中，燃气灶的中心部位容易生锈，主要是由于高温下铁发生化学腐蚀

D．图4中，用牺牲镁块的方法来防止地下钢铁管道的腐蚀，镁块相当于原电池的阴极

答案　C

解析　A项，水面附近的铁接触的氧气多，容易腐蚀，错误；B项，铁作为阴极受保护，不容易腐蚀，错误；C项，高温下铁被氧化，正确；D项，镁块为原电池的负极，生活中一般用锌块，因为镁容易形成致密氧化膜，错误。

12．下列装置图有关说法正确的是(　　)

A．装置①中K键闭合时，片刻后CuSO4溶液中c(Cl－)增大

B．装置①中K键闭合时，片刻后可观察到滤纸a附近变红色

C．装置②中铁腐蚀的速率由大到小的顺序是只闭合K1>只闭合K3>只闭合K2>都断开

D．装置③中当铁制品上析出1.6 g铜时，电源负极输出的电子数为0.025NA

答案　B

解析　装置①K键闭合后，形成原电池，锌为负极，铜为正极，原电池中阴离子向负极移动，则Cl－向ZnSO4溶液移动，A项错误；装置①中K键闭合时，a极为阴极，阴极氢离子放电同时生成氢氧根离子，所以a附近变红色，B项正确；Fe作阳极被腐蚀，作阴极被保护，装置②中，只闭合K1，铁作阳极被腐蚀；只闭合K2，铁作阴极被保护；只闭合K3，铁作负极被腐蚀；所以铁腐蚀的速率由大到小的顺序是只闭合K1>只闭合K3>都断开>只闭合K2，C项错误；装置③中铁制品上发生的反应为Cu2＋＋2e－===Cu，析出1.6 g铜即0.025 mol，则电源负极输出的电子数为0.05NA，D项错误。

13．金属腐蚀的电化学原理可用如图模拟。

(1)请写出有关电极反应式：

①铁棒上电极反应式： ____________________________________________________。

②碳棒上电极反应式： _________________________________________________________。

(2)该图所表示的是______(填“析氢”或“吸氧”)腐蚀。

(3)若将O2撤走，并将NaCl溶液改为稀硫酸溶液，则此图可表示______(填“析氢”或“吸氧”)腐蚀原理；若用牺牲阳极法来保护铁棒不被腐蚀溶解，则可将碳棒改为______棒。

答案　(1)①2Fe－4e－===2Fe2＋　②O2＋2H2O＋4e－===4OH－　(2)吸氧　(3)析氢　锌(或其他比Fe活泼的金属)

解析　电解质是氯化钠，溶液呈中性，发生吸氧腐蚀，负极反应式是2Fe－4e－===2Fe2＋，正极反应式是O2＋2H2O＋4e－===4OH－。若将O2撤走，并将NaCl溶液改为稀硫酸溶液，此时发生析氢腐蚀；若用牺牲阳极法保护铁棒不被腐蚀溶解，此时构成的原电池中铁棒作正极，负极是比铁活泼的金属，因此可将碳棒改为锌棒。

14．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。

(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____________。

答案　(1)2H＋＋2e－===H2↑

(2)Zn－2e－===Zn2＋　增大

(3)C

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)：2Zn－4e－===2Zn2＋，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。

15．下图是实验室研究海水对铁闸不同部位腐蚀情况的剖面示意图。

(1)该电化学腐蚀称为__________________。

(2)图中A、B、C、D四个区域，生成铁锈最多的是________(填字母)。

(3)以锌为负极，采用牺牲阳极法防止铁闸的腐蚀，图中锌块的固定位置最好应在________处(填字母)。

答案　 (1)吸氧腐蚀　(2)B　(3)C

解析　金属在中性或较弱的酸性条件下发生的是吸氧腐蚀，越靠近液面越易接触到氧气，腐蚀的越严重。锌块应固定在腐蚀最严重的C处形成原电池，锌作负极，铁闸作正极，得到保护。

16．某实验小组欲探究牺牲阳极法的原理，设计如图实验装置：

实验Ⅰ：向烧杯中加入一定量的饱和食盐水，插入两个无底玻璃筒。将一根锌棒和一根铁棒用导线与电流表连接后，再分别插入两个玻璃筒中，电流表指针发生偏转。

(1)锌棒上发生的电极反应为________________；铁棒上发生的电极反应为________________。

(2)向铁棒附近滴加K3[Fe(CN)6]溶液，无明显现象，这说明该实验中无________产生。

实验Ⅱ：该小组的同学将锌棒换为铜棒，并用导线将其与电流表连接。一段时间后，向插入铁棒的玻璃筒内滴入几滴K3[Fe(CN)6]溶液，向插入铜棒的玻璃筒内滴入几滴酚酞溶液。

(3)实验Ⅱ中电流表指针的偏转方向与实验Ⅰ________(填“相同”或“相反”)。

(4)在铁棒和铜棒附近可观察到的现象分别是____________________、____________________。

(5)上述两个实验表明，活泼性不同的两种金属作电极构成原电池时，一般是相对________(填“活泼”或“不活泼”)的金属被保护，根据此原理采取的金属防护方法称为________________________。

答案　(1)2Zn－4e－===2Zn2＋　2H2O＋O2＋4e－===4OH－　(2)Fe2＋　(3)相反　(4)产生蓝色沉淀　溶液变红色　(5)不活泼　牺牲阳极法

解析　锌、铁、氯化钠溶液构成原电池时，发生的是吸氧腐蚀，锌作负极被腐蚀，铁作正极被保护。铜、铁、氯化钠溶液构成原电池时，发生的也是吸氧腐蚀，铜作正极被保护，铁作负极被腐蚀。由于两次实验中原电池的电子流向相反，所以电流表指针的偏转方向也相反。铁作负极时，Fe失去电子生成Fe2＋，与K3[Fe(CN)6]反应生成蓝色沉淀，铜作正极，电极反应式为2H2O＋O2＋4e－===4OH－，故在铜棒附近溶液变红色。对比两个实验可知，一般情况下，发生吸氧腐蚀时，活泼金属被腐蚀，不活泼金属被保护，根据此原理采取的金属防护法称为牺牲阳极法。

17．某研究小组为探究弱酸性条件下铁发生电化学腐蚀类型的影响因素，将混合均匀的新制铁粉和碳粉置于锥形瓶底部，塞上瓶塞(如图1)。从胶头滴管中滴入几滴醋酸溶液，同时测量容器中的压强变化。

(1)请完成以下实验设计表(表中不要留空格)：

(2)编号①实验测得容器中压强随时间变化如图2。t2时，容器中压强明显小于起始压强，其原因是铁发生了________腐蚀，请在图3中用箭头标出发生该腐蚀时电子流动方向；此时，碳粉表面发生了________(填“氧化”或“还原”)反应，其电极反应式是_______________。

(3)该小组对图2中O～t1时压强变大的原因提出了如下假设，请你完成假设二。

假设一：发生析氢腐蚀产生了气体；

假设二：________________________________________________________________________。

答案　(1)