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(共60张PPT)
第三节　金属的腐蚀与防护
目 标 素 养
1.知道金属腐蚀的危害,能利用电化学原理解释金属腐蚀的现象。
2.能根据电化学原理选择并设计防止金属腐蚀的措施。
知 识 概 览
一、金属的腐蚀
1.金属的腐蚀是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.金属腐蚀的实质是金属原子　失去　电子变为金属阳离子,金属发生　氧化　反应。
3.金属腐蚀的类型。
(1)化学腐蚀与电化学腐蚀。
类型 化学腐蚀 电化学腐蚀
条件 金属与其表面接触到的物质(如O2、Cl2、SO2)
①　直接　反应 不纯金属与电解质溶液接触,发生②　原电池　反应
本质 金属发生③　氧化　反应,腐蚀速率随温度升高而
④　增大　 比较活泼的金属发生
⑤　氧化　反应
联系 两者往往同时发生,但绝大多数属于⑥　电化学　腐蚀
(2)析氢腐蚀与吸氧腐蚀(以钢铁腐蚀为例)。
类型 析氢腐蚀 吸氧腐蚀
条件 ①水膜酸性较强　 ②　水膜酸性很弱或呈中性,溶有一定量的氧气　
电极
反应 负极 ③ Fe-2e-====Fe2+　
正极 ④ 2H++2e-====H2↑ ⑤2H2O+O2+4e-====4OH-
总反应式 ⑥　Fe+2H+====Fe2++H2↑ ⑦　2Fe+2H2O+O2====
2Fe(OH)2　
类型 析氢腐蚀 吸氧腐蚀
图形描述

微判断 (1)细铜丝在氯气中燃烧属于化学腐蚀。(　　)
(2)Al、Fe、Cu在潮湿的空气中被腐蚀均生成氧化物。(　　)
(3)钢铁发生电化学腐蚀时,负极铁失去电子生成Fe3+。(　　)
(4)金属的电化学腐蚀和化学腐蚀本质相同,都是金属原子失电子被氧化。(　　)
√
×
×
√
二、金属的防护
1.改变金属材料的组成。如在普通钢中加入铬、镍等制成
　不锈钢　产品,以增强钢铁的抗腐蚀性能。
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)牺牲阳极法。如图,应用　原电池　原理,让活动性比铁强的金属锌作　负　极,钢铁设备作　正　极而被保护。
[实验探究一]
如图装置反应一段时间后,用胶头滴管从Fe电极区取少量溶液置于试管中,再向试管中滴入2滴黄色K3[Fe(CN)6](铁氰化钾)溶液,观察实验现象。
已知Fe2+与K3[Fe(CN)6]溶液反应生成带有特征蓝色的KFe[Fe(CN)6]沉淀。
实验装置 电流表 阳极(负极区) 阴极(正极区)
现象 指针
偏转 Zn溶解 有气泡产生,试管中无蓝色沉淀生成
有关
反应 — Zn-2e-══Zn2+ 2H++2e-══H2↑
结论 溶液中不含Fe2+,铁作正极,铁未被腐蚀
[实验探究二]
在两个培养皿中分别放入含有NaCl的琼脂溶液,并滴入5~6滴酚酞溶液和K3[Fe(CN)6]溶液,混合均匀,取两个2~3 cm长的铁钉,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。如图,应用　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,两者均放在电解质溶液里,外接　直流电源　。
微思考 家用炒菜铁锅用水清洗放置后,出现的红棕色锈斑是如何形成的,其主要成分是什么
提示:铁锅中含有碳元素,在潮湿环境中生锈属于吸氧腐蚀,在腐蚀过程中,负极:Fe-2e-══Fe2+,正极(C):2H2O+O2+4e-══4OH-,总反应为2Fe+2H2O+O2══2Fe(OH)2, Fe(OH)2极易被氧化,发生反应4Fe(OH)2+O2+2H2O══4Fe(OH)3。Fe(OH)3进一步反应生成铁锈Fe2O3·xH2O。
微训练 1 .下列叙述正确的是(　　)。
A.原电池中阳离子向负极移动
B.用铝制铆钉接铁板,铁易被腐蚀
C.马口铁(镀锡)的表面一旦破损,铁腐蚀加快
D.白铁(镀锌)的表面一旦破损,铁腐蚀加快
答案:C
解析:A中原电池工作时阳离子向正极移动,错误;B中铝制铆钉接铁板形成原电池,铝作为负极,铁作为正极,铁不容易被腐蚀,错误;C中马口铁(镀锡)的表面一旦破损,铁作为负极,铁腐蚀加快,正确;D中白铁(镀锌)的表面一旦破损,铁作为正极,受到保护,错误。
2.下列防止钢铁锈蚀的措施中,不合理的是(　　)。
A.车轮的钢圈表面镀镍
B.在地下钢铁管道上连接铜块
C.改变金属内部结构制成不锈钢
D.金属材料表面包上一层塑料层
答案:B
解析:铁比铜活泼,在地下钢铁管道上连接铜块会加速铁的腐蚀,B项错误。
3.如图所示,水槽中试管内有一枚铁钉,放置数天观察:
(1)铁钉在逐渐生锈。
(2)若试管内液面上升,发生　　　腐蚀,
电极反应:负极　　　　　　,正极　 。
(3)若试管内液面下降,则原溶液呈较强的　 性,
发生的正极反应为　　　　　　　　　　　。
答案:(2)吸氧　Fe-2e-══Fe2+　O2+2H2O+4e-══4OH-
(3)酸　2H++2e-══H2↑
解析:由题意可知,(2)试管内液面上升,说明试管内压强减小,发生吸氧腐蚀。(3)试管内液面下降,说明试管内气压增大,即发生析氢腐蚀。
一、金属的化学腐蚀与电化学腐蚀的比较(以铁为例)
问题探究
1.将酸洗除锈的铁钉用NaCl溶液浸湿并露
置于空气中,将发生哪种腐蚀 电极反应式
如何书写
提示:NaCl溶液为中性溶液,所以发生吸氧
腐蚀,电极反应式:负极Fe-2e-══Fe2+,
正极O2+2H2O+4e-══4OH-。
2.取两支试管,分别放入相同的锌粒和等体积、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。解释产生不同现象的原因。
提示:滴入硫酸铜溶液后,①试管中产生气泡的速率增大。这是由于Zn与CuSO4反应生成Cu,Zn、Cu和稀盐酸构成原电池,发生电化学腐蚀,产生气泡的速率增大。
归纳总结
比较项目 化学腐蚀 电化学腐蚀(主要)
定义 金属与其表面接触的物质直接发生化学反应引起的腐蚀 不纯金属与电解质溶液接触时发生的原电池反应,较活泼金属原子失去电子被氧化而引起的腐蚀
吸氧腐蚀(主要) 析氢腐蚀
比较项目 化学腐蚀 电化学腐蚀(主要)
条件 金属与氧化性物质直接接触 水膜中溶有O2,呈极弱酸性或中性(吸氧腐蚀)或水膜酸性较强(析氢腐蚀)
本质 金属被氧化生成金属离子
区别 无电流产生 有微弱电流产生
反应式 2Fe+3Cl2
===2FeCl3 负极:Fe-2e-===Fe2+
正极:
2H2O+O2+4e-===4OH- 正极:
2H++2e-===H2↑
联系 两种腐蚀往往同时发生,只是电化学腐蚀比化学腐蚀更普遍、危害更大;吸氧腐蚀比析氢腐蚀更普遍
典例剖析
【例1】 某小组同学研究“84”消毒液(有效成分为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,
时间 1小时 2小时 5小时
铁钉 无明显现象 铁钉表面出现少量红褐色物质 铁钉表面“生长”出大量红褐色物质
纯铁粉 无明显现象 无明显现象 无明显现象
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.铁粉的腐蚀速率小主要是由于其表面积大
D.“84”消毒液有强氧化性,因此Fe被腐蚀时发生反应:
Fe-3e-══Fe3+
答案:B
解析:铁钉为铁碳合金,在电解质溶液环境下易形成原电池,所以铁钉主要发生的是电化学腐蚀,A项错误;铁钉被腐蚀后,次氯酸根离子转化为氯离子,溶液中c(Cl-)增大,B项正确;铁粉的腐蚀速率小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项错误;“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项错误。
方法归纳 对金属腐蚀的理解。 (1)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。 (2)钢铁发生析氢腐蚀或吸氧腐蚀时,负极均是Fe失电子生成Fe2+,而非Fe3+。 (3)一般情况下,只有在金属活动性顺序中排在氢之前的金属才有可能发生析氢腐蚀。
学以致用
1.铁生锈是一种常见的自然现象,其主要反应的化学方程式为4Fe+3O2+xH2O══2Fe2O3·xH2O。如图为一放在水槽中的铁架,水位高度如图。最容易生锈的铁架横杆是(　　)。
A.① B.②
C.③ D.④
答案:C
2.如图装置中,小试管内为红墨水,具支试管
内盛有pH=5的雨水和生铁片。观察到开始
时导管内液面下降,一段时间后导管内液面
回升,略高于小试管内液面。以下有关解释
合理的是(　　)。
A.生铁片中的碳是原电池的负极,发生还原反应
B.雨水酸性较强,生铁片仅发生析氢腐蚀
C.红墨水回升时,正极反应式:O2+2H2O+4e-══4OH-
D.具支试管中溶液pH逐渐减小
C
解析:生铁与其中的碳及电解质溶液构成原电池,负极是铁,铁失去电子发生氧化反应,碳是正极,正极发生还原反应。开始时,因酸性较强发生析氢腐蚀,一段时间后导管内液面回升且略高于小试管液面,说明具支试管中气体压强减小,此时发生吸氧腐蚀,正极反应式是2H2O+O2+4e-══4OH-,故溶液的pH增大,A、B、D三项错误;C项正确。
二、金属腐蚀快慢的一般规律
问题探究
氢脆是金属腐蚀的一种类型。金属材料特别是钛材一旦吸氢,就会析出脆性氢化物,使机械强度劣化。在腐蚀介质中,金属因腐蚀反应析出的氢及制造过程中吸收的氢,是金属中氢的主要来源。金属的表面状态对吸氢有明显的影响,研究表明,钛材的研磨表面吸氢量最多,其次为原始表面,而真空退火和酸洗表面最难吸氢。钛材在大气中氧化处理能有效防止吸氢。
1.阅读材料分析,金属钛在酸性介质中还是在碱性介质中更易发生氢脆
提示:酸性介质。
2.怎样防止金属钛发生氢脆腐蚀
提示:钛材在大气中氧化处理能有效防止吸氢。
归纳总结
1.在同一电解质溶液中:电解原理引起的腐蚀>原电池原理引起的腐蚀>化学腐蚀>有防护措施的腐蚀。
有防护措施的腐蚀发生的可能性很小或几乎不发生,包括原电池原理的防护(牺牲阳极法)和电解原理的防护(外加电流法)。
2.活动性不同的两种金属,活动性差别越大,活动性强的金属往往腐蚀越快。
3.对同一种电解质溶液而言,电解质溶液浓度越大,往往腐蚀越快。
4.温度升高,对化学腐蚀的速率影响很大。升高温度,电解质溶液中的离子运动速率增大,溶液的导电性增强,因此温度对电化学腐蚀的速率也有一定的影响。
典例剖析
【例2】 钢铁工业是国家工业的基础,钢铁生锈现象却随处可见,为此每年国家损失大量资金。请回答钢铁腐蚀与防护过程中的有关问题。
(1)钢铁的电化学腐蚀原理如图所示,写出石墨电极的电极反应式:
　 。
(2)在实际生产中,可在铁件的表面镀铜防止铁被腐蚀。装置示意图如图所示:
①A电极对应的金属是　　　(写元素名称),B电极的电极反应式是
　　　　　　　　　　　　。
②镀层破损后,镀铜铁比镀锌铁更容易被腐蚀,请简要说明原因: 　。
答案:(1)O2+2H2O+4e-══4OH-
(2)①铜　Cu2++2e-══Cu　②铁比铜活泼,镀层铜破损后,铁与铜在潮湿环境中形成原电池,铁为负极,铁的腐蚀加速(其他答案合理也可)
解析:(1)在中性溶液中发生吸氧腐蚀,石墨作正极,发生反应: O2+2H2O+4e-══4OH-。
(2)在铁表面镀铜需将铁作阴极、铜作阳极,则A电极对应的金属为铜,B电极为铁,溶液中的Cu2+得电子生成铜,在铁表面析出;镀层铜破损后,铁与铜在潮湿环境中形成原电池,铁为负极,铁的腐蚀加速。
【拓展延伸】 若电镀前铁、铜两片金属质量相同,电镀完成后将它们取出洗净、烘干、称量,两者质量差为5.12 g,则电镀时电路中通过的电子的物质的量是多少
答案:0.08 mol。析出1 mol铜时两电极的质量差为64 g+64 g =128 g,转移2 mol电子,当质量差为5.12 g,电路中通过的电子
为 ×2 mol=0.08 mol。
学以致用
3.如图所示,各烧杯中盛有海水,铁在其中被腐蚀的速率由大到小的顺序为
　　　　。
答案:⑤④②①③⑥
解析:先判断装置是形成原电池还是电解池,再分析金属活动性的差别。①中Fe为负极,杂质C为正极,属于钢铁的吸氧腐蚀,腐蚀速率较慢。②③④实质均为原电池装置,③中Fe为正极,被保护;②④中Fe为负极,均被腐蚀,但相对来说Fe与Cu的金属活动性差别较Fe与Sn的大,故铁铜原电池中Fe的腐蚀速率较快;⑤中Fe接电源正极作阳极,Cu接电源负极作阴极,加快了Fe的腐蚀;⑥中Fe接电源负极作阴极,Cu接电源正极作阳极,防止了Fe的腐蚀。
1.下列关于金属腐蚀的说法正确的是(　　)。
B.金属化学腐蚀的实质是M-ne- ══Mn+,电子直接转移给氧化剂C.金属的化学腐蚀必须在酸性条件下进行
D.在潮湿的中性环境中,金属的电化学腐蚀主要是析氢腐蚀
答案:B
解析:金属与接触的化学物质直接发生氧化还原反应的过程为化学腐蚀,金属失去的电子直接转移给氧化剂;金属的腐蚀以电化学腐蚀为主,在中性或弱酸性环境中,主要发生吸氧腐蚀,电子由金属转移到不活泼的正极材料上被氧化剂得到。
2.结合如图判断,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项正确;Ⅰ中负极为活泼金属Zn,B项错误;Ⅱ中是酸性溶液,电极反应中不能有OH-生成,C项错误;Ⅰ中无Fe2+生成,不能生成KFe[Fe(CN)6]沉淀, D项错误。
3.某城市为了减少因钢管锈蚀而造成的损失,拟用如图所示方法保护埋在酸性土壤中的钢管。下列有关说法正确的是(　 )。
A.在潮湿的酸性土壤中钢管主要发生吸氧腐蚀
B.在潮湿的酸性土壤中金属棒M中
的电子通过导线流向钢管
C.在潮湿的酸性土壤中H+向金属棒
M移动,抑制H+与铁的反应
D.钢管与金属棒M也可用导线分别连接直流电源的正、负极
答案:B
解析:在酸性环境下,钢铁主要发生析氢腐蚀,A项错误;金属棒M、钢管在酸性土壤中形成原电池,其中金属棒M作负极,失去电子,失去的电子通过导线流向钢管,钢管作正极被保护,B项正确;在潮湿的酸性土壤中,存在大量H+,H+移动到正极上得电子被还原,即移动到钢管上得电子,抑制H+与铁的反应,C项错误;若钢管与金属棒M用导线分别连接直流电源的正、负极,则钢管作阳极,腐蚀速率加快,D项错误。
4.A、B、C三个烧杯中分别盛有相同物质的量浓度的稀硫酸,如图所示:
(1)A中反应的离子方程式
是　　　　　　　　。
(2)B中Sn极的电极反应式
为　　　　　　　,Sn极
附近溶液的pH　　　　(填“增大”“减小”或“不变”)。
(3)C中被腐蚀的金属是　　　　,总反应的离子方程式是
　　　　　　　　　　　　　　,比较A、B、C中铁被腐蚀的速率由大到小的顺序是　　　　　　　。
答案:(1)Fe+2H+══Fe2++H2↑
(2)2H++2e-══H2↑　增大
(3)Zn　Zn+2H+══Zn2++H2↑　B>A>C
解析:(1)A中发生Fe与稀硫酸的置换反应。
(2)B中Sn为正极,H+放电生成H2:2H++2e-══H2↑,导致Sn附近溶液中c(H+)减小,pH增大。
(3)C中Zn为负极被腐蚀。
5.“暖贴”是我们冬天中常用的一种用品。某化学兴趣小组对暖贴中成分及发热原理展开了探究。
(1)“暖贴”中含有铁粉、活性炭、水、氯化钠等物质,其发热原理是铁生锈时会放热,其中一种生成物是Fe(OH)3,请写出相关反应的化学方程式: 　。
(2)检验配料中含有铁粉。用磁铁吸引黑色粉末,发现部分黑色粉末被吸引;取少量附着在磁铁上的粉末置于试管中,加入适量稀盐酸,通过观察得到的现象是产生气泡、　　　　　,得出配料中含有铁粉。
(3)检验配料中含有活性炭。暖贴中的活性炭是利用它能　　　　　大量潮湿的空气,为铁粉氧化提供条件。该小组用图中所示方法进行实验,将暖贴配料放在燃烧匙中,在酒精灯上加热,观察到烧杯内壁变浑浊,说明含有活性炭。此方案　　　　(填“可行”或“不可行”),若可行,写出其理论依据,若不可行,请写出合适的方法:
　 　。
(4)探究暖贴中活性炭、食盐、水等物质的作用。
实验数据如下表:
实验
编号 实验药品及用量 反应时
间/min 温度上
升值/℃
铁粉/g 活性炭/g 食盐/g 水/g
对照组 2 0.4 0.2 8 10 60
实
验
组 1 0 0.4 0.2 8 10 0
2 2 0.4 0 8 10 30
3 2 0.4 0.2 0 10 6.5
4 2 a b 8 10 3.7
①分析对照组与实验组第　　　　组的数据,可证明食盐能加快铁粉的锈蚀。
②实验组第4组数据中a=　 　　　,b=　　　　。
(5)下列说法正确的是　　　　(填字母)。
A.暖贴在使用前要密封保存
B.暖贴使用后剩余物可回收利用
C.利用铁生锈的原理,铁粉还可用于食品保鲜
答案:(1)4Fe+3O2+3H2O══2Fe(OH)3+Fe2O3
(2)黑色粉末逐渐溶解且溶液变为浅绿色　
(3)吸附　不可行　将样品放入试管中,通入氧气,加热,然后将生成的气体通入澄清石灰水中,若变浑浊,说明含有活性炭　
(4)①2　②0　0.2　
(5)ABC
解析:(1)铁生锈的反应物为铁、氧气和水,铁生锈会有氧化铁生成,而另一种生成物为氢氧化铁,根据质量守恒定律可写出该反应的化学方程式为4Fe+3O2+3H2O══2Fe(OH)3+Fe2O3。
(2)氯化亚铁溶液显浅绿色,所以可以观察到黑色粉末逐渐溶解且溶液变为浅绿色。
(3)活性炭具有吸附性,可以吸附潮湿的空气,有利于铁的生锈;酒精燃烧也会生成二氧化碳,直接罩在火焰上方,不能得出样品中有活性炭。
(4)①验证食盐能加快铁粉的锈蚀速率,则变量为食盐,其他实验条件应与对照组保持一致,因此为实验组第2组的数据。
②分析可知实验组第4组的数据是为了验证活性炭能加快铁粉的锈蚀速率,故a=0,其他实验条件应与对照组保持一致,故b=0.2。
(5)铁生锈需要接触空气,所以使用前要密封保存,A正确;暖贴使用后,起催化作用的活性炭与氯化钠都未被消耗,可回收利用,此外铁锈也可回收利用,B正确;铁生锈消耗氧气,不利于食物腐烂变质,所以铁粉还可用于食品保鲜,C正确。