(共32张PPT)
第四章
第三节 金属的腐蚀与防护
学习目标
1.理解金属的腐蚀的本质、钢铁的吸氧腐蚀和析氢腐蚀。
2.了解金属防护的方法,理解原电池和电解池原理的应用。
3.能够利用电化学理论解决实际问题。
铁的腐蚀
化学与生活
铜的腐蚀
化学与生活
(1)外形、色泽、机械性能发生变化;
(2)影响机器、仪表设备精度和灵敏度,以至报废;
(3)桥梁、建筑物强度降低而坍塌;
(4)地下金属管道泄漏;
(5)轮船船体损坏;
(6)金属腐蚀还可能造成环境污染。
金属腐蚀的危害
化学与生活
我国因金属腐蚀造成的损失占国民生产总值(GNP)的2% ~ 4%,钢铁因腐蚀而报废的数量约占钢铁当年产量的25%-30%。全世界每年因为金属腐蚀造成的直接经济损失约达7000亿美元,是地震、水灾、台风等自然灾害造成损失总和的6倍。
国内外都曾发生过许多灾难性腐蚀事故,如飞机因某一零部件破裂而坠毁;桥梁因钢梁产生裂缝而塌陷;油管因穿孔或裂缝而漏油,引起着火爆炸;化工厂中储酸槽穿孔泄漏,造成重大环境污染;管道和设备跑、冒、滴、漏,破坏生产环境,有毒气体如Cl2、H2S、HCN等的泄漏,更会危及工作人员和附近居民的生命安全。
面对这样惊人的数据和金属腐蚀危害的事实,同学们有没有想过,金属是如何被腐蚀的以及怎样防止金属被腐蚀?
金 属 的 腐 蚀
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.金属腐蚀的本质
1.金属腐蚀
M – ne- →Mn+
金 属 的 腐 蚀
3.金属腐蚀的类型
(1)化学腐蚀
(2)电化学腐蚀
金属与其表面接触的一些物质直接反应而引起的腐蚀
不纯的金属与电解质溶液接触时发生的原电池反应
输油管道的腐蚀
淹没岁月的南渡江铁桥
金 属 的 腐 蚀
装置中导管内水柱为什么会上升?
金 属 的 腐 蚀
负极: Fe - 2e- == Fe2+
钢铁表面吸附的水膜酸性很弱或呈中性,溶有一定量的氧气,发生的电化腐蚀
进一步反应:
2Fe(OH)3 == Fe2O3·xH2O+(3-x) H2O
正极: O2 + 2H2O + 4e- == 4OH-
总反应: 2Fe+ O2+2H2O == 2Fe(OH)2
吸氧腐蚀
4Fe(OH)2 +O2 + 2H2O == 4Fe(OH)3
金 属 的 腐 蚀
正极: 2H++ 2e- == H2↑
负极: Fe - 2e- == Fe2+
总反应: Fe + 2H+ == Fe2+ + H2↑
析氢腐蚀
钢铁与其表面呈酸性的水膜发生的电化腐蚀
金 属 的 腐 蚀
实验探究
实验4-3
Fe2O3 · nH2O(铁锈)
通常两种腐蚀同时存在,但以后者更普遍
析氢腐蚀
吸氧腐蚀
条件
水膜呈酸性
水膜呈中性、酸性很弱或碱性
电极反应
负极Fe(-)
Fe - 2e- == Fe2+
2Fe - 4e- == 2Fe2+
正极C(+)
2H++2e- == H2↑
O2+2H2O+4e- == 4OH-
总反应:
Fe+2H+ == Fe2++H2↑
2Fe+2H2O+O2 == 2Fe(OH)2
4Fe(OH)2+2H2O+O2 == 4Fe(OH)3
联系
析氢腐蚀与吸氧腐蚀的比较
金 属 的 腐 蚀
腐蚀的实质 金属的腐蚀 种类
原理
区别
腐蚀速度 联系 金属原子失去电子被氧化而消耗的过程:M - ne- == Mn+
化学腐蚀
电化学腐蚀
直接接触而反应
不纯金属或合金发生原电池反应
直接发生氧化还原反应
发生原电池反应
腐蚀过程无电流产生
有电流产生
金属直接被腐蚀
较活泼金属被腐蚀
电化学腐蚀>化学腐蚀
往往同时发生,但电化学腐蚀更普遍,危害更大
金属的防护
化学与生活
金属的防护
化学与生活
1.改变金属材料的组成
不锈钢扶手
钛合金髋关节
金 属 的 防 护
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;钛合金不仅具有优异的抗腐蚀性,还具有良好的生物相容性。
2.在金属表面覆盖保护层
(1)在钢铁制品的表面喷涂油漆、矿物性油脂或覆盖搪瓷、塑料等;
(2)用电镀等方法在钢铁表面镀上一层锌、锡、铬、镍等金属;
(3)用化学方法在钢铁部件表面进行发蓝处理;
(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形成稳定的钝化膜。
发蓝处理
金 属 的 防 护
(1)牺牲阳极法
应用原电池原理,被保护金属作正极,另一种活泼性较强的金属作负极
3.电化学防护法
金 属 的 防 护
牺牲阳极法实验
2H++2e- == H2↑
Zn - 2e- == Zn2+
偏转
锌片逐渐溶解
铁电极上有气泡冒出
Fe电极被保护,不发生反应
实验装置
电流表
阳极
阴极
实验现象
有关反应
实验结论
经过酸化的3%NaCl溶液
Zn
v
Fe
实验探究
实验4-4
锌片逐渐溶解,铁钉附近溶液变红色
铁作正极,不反应,被保护
实验现象
有关反应
锌作负极:Zn - 2e- == Zn2+;
铁作正极:O2+2H2O+4e- == 4OH-
实验结论
铁钉逐渐溶解,铁钉附近溶液中产生蓝色固体
铁作负极:Fe - 2e- == Fe2+;
铜作正极:O2+2H2O+4e- == 4OH-
Fe2+与[Fe(CN)6]3-反应生成特征蓝色的铁氰化亚铁沉淀
实验现象
有关反应
实验结论
铁作负极,发生氧化反应,被腐蚀
裹有锌片的铁钉
裹有铜片的铁钉
实验4-4
实验探究
实验探究
实验4-4
应用电解池原理,将被保护的钢铁设备作为阴极,用惰性电极作为辅助阳极
(2)外加电流法
3.电化学防护法
金 属 的 防 护
1. 对于不同的金属而言:与金属的活泼性有关,一般地,活泼性越强的金属,越容易被腐蚀。
2. 对于同种金属而言:
与引起腐蚀的原因有关:一般来说,电解原理引起的腐蚀>原电池原理引
起的腐蚀>化学腐蚀>有防腐措施的腐蚀。
(2) 与介质条件有关:
一般来说,同种金属的腐蚀在强电解质中>弱电解质中>非电解质中。
(3) 与构成微电池两极的材料有关:
两极材料的活动性差别越大,较活泼金属被腐蚀的速度越快。
金属腐蚀快慢的判断
金 属 的 腐 蚀 与 防 护
1. 对于不同的金属而言:与金属的活泼性有关,一般地,活泼性越强的金属,越容易被腐蚀。
2. 对于同种金属而言:
(4) 对同一种电解质溶液来说,电解质溶液浓度越大,腐蚀越快,且氧化剂的浓度越高,腐蚀越快。
(5) 对于不同氧化剂来说,氧化性越强,金属腐蚀越快。
(6) 与环境温度有关,温度越高,金属腐蚀速度越快。
金属腐蚀快慢的判断
金 属 的 腐 蚀 与 防 护
1. 下列关于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,为牺牲阳极法
D.若X为碳棒,开关K置于B处时,铁电极上的反应:2H++2e- == H2↑
D
【解析】若X为碳棒,开关K置于A处,Fe作电解池的阴极,属外加电流法,A正确;若X为碳棒,开关K置于B处,Fe作原电池的负极,电极反应为Fe - 2e- == Fe2+,D错误;若X为锌棒,K置于A处,Fe作电解池的阴极,属外加电流的阴极保护法,K置于B处时,Fe作原电池的正极,属牺牲阳极法,B、C正确。
习题巩固
X
Fe
食盐水
B
A
K
2. (双选)铜板上铁铆钉处的吸氧腐蚀原理如图所示,下列有关说法中,不正确的是( )
A. 此过程中铜被腐蚀
B. 此过程中电子从Fe移向Cu
C. 正极电极反应式:2H++2e- == H2↑
D. 此过程中还涉及反应:4Fe(OH)2+2H2O+O2 == 4Fe(OH)3
AC
【解析】Cu比Fe还原性弱,形成原电池时Fe作负极被腐蚀,Cu作正极,受到保护,A错误;负极反应式为Fe - 2e- == Fe2+,正极反应式为O2+2H2O+4e- == 4OH- ,电子从Fe流向Cu,B正确,C错误;此时生成的Fe(OH)2继续被O2氧化,生成Fe(OH)3,进而形成铁锈,D正确。
习题巩固
H2O(水膜)
O2
Fe
Cu
Cu
Fe2+
3. 如下图各烧杯中盛有海水,铁在其中被腐蚀时由快到慢的顺序是( )
A
以①作参照物,进行比较。②构成原电池,活动性Fe>Sn, Fe作负极,加快了Fe的腐蚀,因此②>①;③构成原电池,活动性Zn>Fe,Zn作负极,Fe得到了保护,腐蚀比原来慢,因此腐蚀速率①>③;④构成电解池,Fe是活性电极,Fe与电源的正极连接,作阳极,发生反应:Fe - 2e- == Fe2+,腐蚀
的速率比原电池的负极还要快,腐蚀速率④>②;铁在其中被腐蚀时由快到慢的顺序是④>②>①>③。
A. ④>②>①>③ B. ②>①>③>④
C. ④>②>③>① D. ③>②>④>①
习题巩固
Fe
Sn
Fe
Cu
Zn
Fe
Fe
① ② ③ ④
4. 在日常生活中我们经常看到铁制品生锈、钒制品表面出现白斑等众多的金属腐蚀现象,可以通过下列装置进行探究,下列说法正确的是 ( )
A. 按图I装置实验,为了更快更清晰地观察到液柱上升,可采用下列方法:用酒精灯加热具支试管
B. 图II是图I所示装置的原理示意图,图Ⅱ的正极材料是铁
习题巩固
4. 在日常生活中我们经常看到铁制品生锈、钒制品表面出现白斑等众多的金属腐蚀现象,可以通过下列装置进行探究,下列说法正确的是 ( )
C. 铝制品表面出现白斑可以通过图Ⅲ装置进行探究,Cl- 由活性炭区向铝箔表面区迁移,并发生电极反应:2Cl- - 2e- == Cl2↑
D. 图Ⅲ装置的总反应为4Al+3O2+6H2O == 4Al(OH)3,生成的Al(OH)3进一步脱水形成白斑
D
习题巩固
5. 2000年5月,保利集团在香港拍卖会上花费3000多万港币购回在火烧圆明园时流失的国宝:铜铸的牛首、猴首和虎首。普通铜器时间稍久容易出现铜绿,但这三件1760年铜铸的国宝在240年后看上去仍然熠熠生辉,没有锈迹,下列对原因的分析最可能的是( )
A.它们的表面都电镀上了一层耐腐蚀的黄金
B.环境污染日趋严重,它们表面的铜绿被酸雨溶解洗去
C.铜的金属活动性比氢小,因此不宜被氧化
D.它们是含一定比例金、银、锡、锌的合金
D
习题巩固
吸氧腐蚀
析氢腐蚀
Fe-2e- == Fe2+
O2+4e-+2H2O == 4OH-
Fe-2e- == Fe2+
2H++2e- == H2↑
Fe(OH)2
Fe(OH)3
Fe2O3 · nH2O
(铁锈)
金属腐蚀
金属防护
电化学腐蚀
化学腐蚀
牺牲阳极法
外加电流法
改变金属材料组成
电化学保护法
覆盖保护层
小结