4.3 金属的腐蚀与防护（解析版）

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第四章 第三节 金属的腐蚀与防护
【学习目标】
1．了解金属发生电化学腐蚀的本质，知道金属腐蚀的危害。
2．了解防止金属腐蚀的措施。
【素养目标】
1．通过实验探究金属腐蚀的本质及其原因，培养学生“科学探究与创新意识”的学科素养。
2．通过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。培养学生“科学态度与社会责任”的学科素养。
必备知识与关键能力
知识点一：金属的电化学腐蚀
1．金属腐蚀
(1)概念：金属与周围的气体或液体物质发生氧化还原反应而引起损耗的现象。
(2)本质：金属本身失去电子变成阳离子的过程(发生氧化反应)：M－ne－===Mn＋。
(3)金属腐蚀的类型
2．化学腐蚀和电化学腐蚀
(1)化学腐蚀和电化学腐蚀
类型 化学腐蚀 电化学腐蚀
条件 金属与接触到的物质直接反应 不纯金属接触到电解质溶液发生原电池反应
本质 M－ne－===Mn＋ M－ne－===Mn＋
现象 金属被腐蚀 较活泼金属被腐蚀
区别 无电流产生 有微弱电流产生
联系 电化学腐蚀比化学腐蚀普遍得多，腐蚀速率更快，危害也更严重
(2)析氢腐蚀和吸氧腐蚀
析氢腐蚀 吸氧腐蚀
图形描述
条件 水膜酸性较强 水膜酸性较弱或呈中性
电极 反应 负极 Fe－2e－===Fe2＋
正极 2H＋＋2e－===H2↑ O2＋4e－＋2H2O===4OH－
总反应 Fe＋2H＋=== H2↑＋Fe2＋ 2Fe＋O2＋2H2O=== 2Fe(OH)2 4Fe(OH)2＋O2＋2H2O=== 4Fe(OH)3
联系 通常两种腐蚀同时存在，但后者更普遍
铁锈的形成：4Fe(OH)2＋O2＋2H2O===4Fe(OH)3，2Fe(OH)3===Fe2O3·xH2O(铁锈)＋(3－x)H2O。
【点拨】(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。
2．判断金属腐蚀快慢的方法
(1)对同一电解质溶液来说，腐蚀的快慢：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)对同一金属来说，腐蚀的快慢：强电解质溶液中>弱电解质溶液中>非电解质溶液中。(浓度相同)
(3)活泼性不同的两种金属，活泼性差异越大，腐蚀越快。
(4)对同一种电解质溶液来说，电解质浓度越大，金属腐蚀速率越快。
【点拨】对于活动性不同的两金属，活动性越强，氧化还原反应的速率越快，活泼金属腐蚀越快；纯度越高的金属，腐蚀速率越慢。
典例1．下列关于金属腐蚀的说法正确的是(　　)
A．金属在潮湿空气中腐蚀的实质是M＋nH2O===M(OH)n＋H2↑
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。
典例2．下图所示的各容器中均盛有海水，铁在其中被腐蚀时由快到慢的顺序是( )
A．④＞②＞①＞③ B．②＞①＞③＞④
C．④＞②＞③＞① D．③＞②＞④＞①
【答案】A
【解析】当铁与比它活泼性差的Sn相连时，Fe被腐蚀的速率增大(比①大)，与活泼性比其强的锌相连时，锌作负极，被腐蚀，铁被保护，其腐蚀的速率要比①小；④为电解装置，Fe为阳极，发生氧化反应，铁腐蚀的速率最快。
典例3．下列与金属腐蚀有关的说法，正确的是(　　)
A．图1，铁钉易被腐蚀
B．图2，加少量K3[Fe(CN)6]溶液，没有蓝色沉淀出现
C．图3，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，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正极
【答案】C
【解析】A项，图1中，铁钉处于干燥环境，不易被腐蚀；B项，负极反应为Fe－2e－===Fe2＋，Fe2＋与[Fe(CN)6]3－反应生成Fe3[Fe(CN)6]2蓝色沉淀；D项，为牺牲阳极的阴极保护法，镁块相当于原电池的负极。
知识点二：金属的防护
1．改变金属材料的组成：制成合金(如不锈钢)。
2．在金属表面覆盖保护层：①喷涂油漆、矿物性油脂或覆盖搪瓷、塑料等；②电镀一层金属；③发蓝处理；④阳极氧化处理铝制品，形成钝化膜等。
3．电化学保护法
(1)牺牲阳极的阴极保护法：利用原电池原理，让被保护金属作正极，另找一种活泼性较强的金属作负极。如图所示：
用实验验证牺牲阳极的阴极保护法：
实验名称 验证牺牲阳极的阴极保护法
实验装置
实验原理 锌电极：Zn－2e－===Zn2+； 铁电极：2H++2e－===H2↑。
实验用品 K3[Fe(CN)6]溶液、经过酸化的3%NaCl溶液；Zn电极、Fe电极、电压表、烧杯。
实验步骤 按图连接好装置，观察电压表和铁电极上的现象。往铁电极区滴入2滴黄色K3[Fe(CN)6]（铁氰化钾）溶液，观察烧杯内溶液颜色的变化。
实验现象 电压表指针发生偏转，铁电极上有气泡产生；往铁电极区滴入K3[Fe(CN)6]溶液后，溶液不变蓝色。
实验结论 图示装置构成了原电池，较活泼金属锌被腐蚀，铁未被腐蚀（被保护）
(2)外加电流的阴极保护法：利用电解池原理，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。如图所示：
典例4．港珠澳大桥设计寿命120年，对桥体钢构件采用了多种防腐方法。下列分析错误的是(　　)
A．防腐原理主要是避免发生反应：2Fe＋O2＋2H2O == 2Fe(OH)2
B．钢构件表面喷涂环氧树脂涂层，是为了隔绝空气、水等防止形成原电池
C．采用外加电流法时需外接镁、锌等作辅助阳极
D．钢构件可采用不锈钢材料以减缓电化学腐蚀
【答案】C
【解析】钢构为活泼金属，在潮湿的空气中容易发生吸氧腐蚀，发生的主要反应有2Fe＋O2＋2H2O === 2Fe(OH)2、4Fe(OH)2＋O2＋2H2O===4Fe(OH)3等，A正确；钢构件表面喷涂环氧树脂涂层，可以隔绝空气、水等防止形成原电池，防止铁发生电化学腐蚀，B正确；外接镁、锌等作辅助阳极属于牺牲阳极的阴极保护法，采用外加电流的阴极保护时需外接电源，C错误；不锈钢具有较强的抗腐蚀性，采用不锈钢材料做钢构件可以防止或减缓电化学腐蚀，D正确。
典例5．支撑海港码头基础的钢管桩，常用外加电流法进行防腐，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；题给信息高硅铸铁为“惰性辅助阳极”不损耗，C错误。
典例6．将金属M连接在钢铁设施表面，可减缓水体中钢铁设施的腐蚀。在题图所示的情境中，下列有关说法正确的是(　　)
A．阴极的电极反应式为Fe－2e－===Fe2＋
B．金属M的活动性比Fe的活动性弱
C．钢铁设施表面因积累大量电子而被保护
D．钢铁设施在河水中的腐蚀速率比在海水中的快
【答案】C
【解析】阴极得电子，A错误；金属M失电子，其活动性应比铁强，B错误；M失去的电子流入钢铁设施表面，因积累大量电子而被保护，C正确；海水中所含电解质的浓度远大于河水中的，因此钢铁设施在海水中腐蚀的速率快，D错误。
核心价值与学科素养
典例7．暖宝宝又称一次性取暖片，不用通过加热或充电就可以温暖起来。早在日本的70年代，就有人基于化学知识发明了暖贴，也就是我们所说的暖宝宝。暖宝宝的发明无疑是给我们带来了极大便利，在冬季外出之时，暖宝宝可以防止肌肉过冷而颤抖不停、可预防手部冻伤、预防感冒或者缓解腰痛、腿痛、肩痛，使用完后的暖宝宝变成了红褐色粉末。
主要成分：
铁粉、水、活性炭、蛭石、吸水性树脂、食盐
适用范围：
适用于腰背疲劳时，让腰背感觉更轻松；适用于防寒、取暖及户外活动时保暖
保存方法：
避开阳光直射，请在阴凉处保存；请置于儿童接触不到的地方；一旦与空气接触，即开始发热
(1)结合暖宝宝的成分，预测其发热原理是什么？
。
(2)使用后的暖宝宝变成了红褐色粉末，铁被氧化，请设计实验证明是H2O还是O2作氧化剂？请画出实验草图。
【答案】(1)铁粉被氧化的过程放热，同时原料中有碳粉，Fe C形成原电池，加快反应速率，这样可以快速放热。
(2)中性条件下，O2作氧化剂。可以设计一个封闭体系，测定体系压强的变化，证明O2是否参加反应。装置如图所示：
典例8．“航空母舰”是一个国家综合军事实力的象征，2018年5月13日，我国第二艘航空母舰开展首次海上航行试验。
请你结合金属的防腐蚀原理，谈谈对航空母舰进行防腐。
【答案】　①采用耐腐蚀的材料建造。
②船体刷油漆。
③利用电化学方法处理。
典例9．2019年12月17日，我国第一艘国产航空母舰正式交付海军。为了保护舰艇(主要是铁合金材料)在舰体表面镶嵌金属块(R)。下列有关说法不正确的是( C )
A．这种保护舰体的方法叫做牺牲阳极的阴极保护法
B．金属块R可能是镁或锌
C．海水呈弱碱性，舰艇在海水中易发生析氢腐蚀
D．正极反应式为O2＋2H2O＋4e－===4OH－
【答案】C
【解析】在舰体表面镶嵌金属块(R)，这种保护方法利用原电池原理，需要金属块R比铁活泼，R作负极，钢铁作正极，这种方法叫做牺牲阳极的阴极保护法，故A正确；金属块R比铁活泼，金属块R可能是镁或锌，故B正确；在弱碱性海水中主要发生吸氧腐蚀，在酸性溶液中才发生析氢腐蚀，故C错误；吸氧腐蚀的正极上发生还原反应，电极反应式为O2＋2H2O＋4e－===4OH－，故D正确。
【跟踪练习】 基础过关
1． 下列对如图所示的实验装置的判断中错误的是(　　)
A．若X为碳棒，开关K置于A处可减缓铁的腐蚀
B．若X为锌棒，开关K置于A或B处均可减缓铁的腐蚀
C．若X为锌棒，开关K置于B处时，为牺牲阳极的阴极保护法
D．若X为碳棒，开关K置于B处时，铁电极上发生的反应为2H＋＋2e－H2↑
【答案】A
【解析】A选项，若X为碳棒，开关K置于A处可减缓铁的腐蚀，这是外加电流的阴极保护法，正确；B选项，若X为锌棒，开关K置于A处时形成电解池，Fe作阴极被保护，置于B处时形成原电池，这是牺牲阳极的阴极保护法，B、C选项正确；若X为碳棒，开关K置于B处时，铁电极上发生的反应为Fe－2e－===Fe2＋，D错误。
2．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，再放置于玻璃钟罩内保存一星期后，下列对实验结束时现象描述不正确的是(　　)
A．装置Ⅰ左侧的液面一定会上升
B．左侧液面装置Ⅰ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】Ⅰ中铁钉发生吸氧腐蚀，左端液面上升；Ⅱ中盐酸挥发，和铁钉反应生成H2，腐蚀最严重，Ⅱ中左端下降；Ⅲ中浓硫酸吸水，而铁钉在干燥空气中几乎不腐蚀。
3． 如图所示，各烧杯中盛海水，铁在其中被腐蚀的速度由快到慢的顺序为(　　)
A．②①③④⑤⑥　　　 B．⑤④③①②⑥
C．⑤④②①③⑥ D．⑤③②④①⑥
【答案】C
【解析】①是Fe为负极，杂质碳为正极的原电池腐蚀，是铁的吸氧腐蚀，腐蚀较慢；②③④均为原电池，③中Fe为正极，被保护，②④中Fe为负极，均被腐蚀，但Fe和Cu的金属活动性差别大于Fe和Sn的，故FeCu 原电池中Fe被腐蚀的较快；⑤是Fe接电源正极作阳极，Cu接电源负极作阴极的电解腐蚀，加快了Fe的腐蚀；⑥是Fe接电源负极作阴极、Cu接电源正极作阳极的电解池，防止了Fe的腐蚀。根据以上分析可知铁在其中被腐蚀由快到慢的顺序为⑤>④>②>①>③>⑥。
4． 我国多条高压直流电线路的瓷绝缘子出现铁帽腐蚀现象，在铁帽上加锌环能有效防止铁帽的腐蚀，防护原理如图所示。下列说法错误的是(　　)
A．通电时，锌环是阴极，发生氧化反应
B．通电时，阴极上的电极反应为2H2O＋2e－===H2↑＋2OH－
C．断电时，锌环上的电极反应为Zn－2e－===Zn2＋
D．断电时，仍能防止铁帽被腐蚀
【答案】A
【解析】通电时，锌环与电源正极相连，锌环作阳极，锌失电子发生氧化反应，故A错误；铁帽为阴极，阴极上H＋得到电子生成氢气，阴极电极反应为2H2O＋2e－===H2↑＋2OH－，故B正确；断电时，锌铁形成原电池，锌失电子生成Zn2＋，锌环上的电极反应为Zn－2e－===Zn2＋，Fe作正极被保护，仍能防止铁帽被腐蚀，故C、D正确。
5． 港珠澳大桥设计寿命120年，对桥体钢构件采用了多种防腐方法。下列分析错误的是(　　)
A．防腐原理主要是避免发生反应：2Fe＋O2＋2H2O===2Fe(OH)2
B．构件表面喷涂环氧树脂涂层，是为了隔绝空气、水等，防止形成原电池
C．采用外加电流的阴极保护时需外接镁、锌等作辅助阳极
D．钢构件可采用不锈钢材料以减缓电化学腐蚀
【答案】C
【解析】铁为活泼金属，在潮湿的空气中容易发生吸氧腐蚀，发生的主要反应有2Fe＋O2＋2H2O===2Fe(OH)2、4Fe(OH)2＋O2＋2H2O===4Fe(OH)3等，A正确；钢构件表面环喷涂环氧树脂涂层，可以隔绝空气、水等，防止形成原电池，防止铁发生电化学腐蚀，B正确；外接镁、锌等作辅助阳极属于牺牲阳极的阴极保护法，采用外加电流的阴极保护时需外接电源，C错误；不锈钢具有较强的抗腐蚀性，采用不锈钢材料做钢构件可以防止或减缓电化学腐蚀，D正确。
能力达成
6． 将金属M连接在钢铁设施表面，可减缓水体中钢铁设施的腐蚀。在如图所示的情境中，下列有关说法正确的是(　　)
A．阴极的电极反应式为Fe－2e－===Fe2＋
B．金属M的活动性比Fe的活动性弱
C．钢铁设施表面因积累大量电子而被保护
D．钢铁设施在河水中的腐蚀速率比在海水中的快
【答案】C
【解析】根据题图知金属M失电子，为原电池的负极，钢铁设施为原电池的正极。该装置中阴极发生还原反应，A项错误；金属M被氧化，即金属活动性：M>Fe，B项错误；钢铁设施为原电池的正极，表面积累大量电子而被保护，C项正确；海水中含有大量的NaCl等电解质，而河水中电解质较少，故钢铁设施在河水中的腐蚀速率比在海水中的慢，D项错误。
7． 在潮湿的深层中性土壤中，钢管主要发生厌氧腐蚀，有关厌氧腐蚀的机理有多种，其中一种理论为厌氧细菌可促使SO与H2反应生成S2－，加速钢管的腐蚀，其反应原理如图Ⅰ所示，因此埋在地下的钢管常需要加以保护，使其免受腐蚀，所用装置如图Ⅱ所示。下列说法正确的是(　　)
A．图Ⅱ中钢管附近土壤的pH可能会上升
B．图Ⅰ中钢管腐蚀的含铁产物只有FeS
C．图Ⅱ中金属棒X可能为铜，可使钢管表面腐蚀电流接近于零
D．图Ⅱ中金属棒X的作用是作为损耗正极材料和传递电流
【答案】A
【解析】题图Ⅱ中没有外加电源，采用的是牺牲阳极的阴极保护法，根据原电池原理，金属棒X应作负极，金属棒X的活泼性应大于铁，才能保护钢管，使其免受腐蚀，若金属棒X是铜，则形成Fe Cu原电池，会加速铁的腐蚀；题图Ⅱ中钢管作正极，正极上H2O发生还原反应生成H2，电极反应式为2H2O＋2e－===2OH－＋H2↑，故钢管附近土壤中的c(OH－)会增大，pH可能会上升，A正确，C错误。题图Ⅰ钢管腐蚀的过程中，负极上Fe失去电子发生氧化反应生成的Fe2＋与正极周围的S2－和OH－反应分别生成FeS和Fe(OH)2，B错误。由上述分析可知，金属棒X应作负极，D错误。
8． (1)对金属制品进行抗腐蚀处理，可延长其使用寿命。
①碱洗的目的是除去铝材表面的自然氧化膜，碱洗时常有气泡冒出，原因是 (用离子方程式表示)。为将碱洗槽液中的铝以沉淀的形式回收，最好向槽液中加入下列试剂中的________。
a. NH3 b．CO2 c. NaOH d．HNO3
②以铝材为阳极，在H2SO4溶液中电解，铝材表面形成氧化膜，阳极电极反应式为_____________。
(2)镀铜可防止铁制品腐蚀，电镀时用铜而不用石墨作阳极材料的原因是___________________。
(3)利用下图装置，可以模拟铁的电化学防护。
若X为碳棒，为减缓铁的腐蚀，开关K应置于________处。若X为锌，开关K置于M处，该电化学防护法称为______________________。
【答案】(1)①2Al＋2OH－＋2H2O===2AlO＋3H2↑　b ②2Al＋3H2O－6e－===Al2O3＋6H＋
(2)阳极Cu可以发生氧化反应生成Cu2＋，使电解质溶液中的Cu2＋保持不变
(3)N　牺牲阳极的阴极保护法
【解析】(1)①冒气泡的原因是Al与NaOH发生反应，离子方程式为：2Al＋2OH－＋2H2O===2AlO＋3H2↑；使AlO转变成Al(OH)3沉淀，最好是通入CO2，若加HNO3沉淀容易溶解。②阳极是Al发生氧化反应，要生成氧化膜还必须有H2O参加，故电极反应式为：2Al＋3H2O－6e－===Al2O3＋6H＋。
(2)电镀时，阳极Cu可以发生氧化反应生成Cu2＋。(3)铁被保护，可以是作原电池的正极，或者电解池的阴极，故若X为碳棒，开关K应置于N处，Fe作阴极受到保护；若X为锌，开关K置于M处，铁作正极，称为牺牲阳极的阴极保护法。
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