1.3 金属的腐蚀与防护 学案（含答案） 2023-2024学年高二化学苏教版（2020）选择性必修第一册

1.3　金属的腐蚀与防护
【学习目标】
1.通过实验探究了解金属腐蚀的种类,知道金属发生电化学腐蚀的原因,培养动手操作能力和根据所学知识解决实际问题的能力。
2.通过了解金属发生腐蚀的原因及现代的防腐措施,认识金属腐蚀的危害,知道防止金属腐蚀的方法,感受化学对人类生产和生活的影响。
【合作探究】
【学习情境】
我国是世界上钢铁产量最多的国家,每年被腐蚀的钢铁占到我国钢铁年产量的十分之一,因为金属腐蚀而造成的损失占国内生产总值的2%~4%。生铁在干燥的空气中长时间不易被腐蚀,但在潮湿的空气中却很快被腐蚀,在海水边腐蚀得更快,生铁比纯铁易被腐蚀。
任务1　金属的腐蚀
【新知生成】
　　一、金属的腐蚀
定义 金属或合金与周围的气体或液体发生　　　　　　　而引起损耗的现象
本质 金属原子失去电子而被　　　的过程:M-ne-Mn+
类型 化学腐蚀 金属与其表面接触的一些物质　　　　　而引起的腐蚀
电化学腐蚀 不纯的金属与　　　　　　接触时发生　　　　　　,比较活泼的金属　　　　　　　而引起的腐蚀
　　二、钢铁的析氢腐蚀与吸氧腐蚀
电化学腐蚀类型 析氢腐蚀 吸氧腐蚀
条件 水膜酸性较强(pH≤4.3) 水膜酸性很弱或中性
电极反应 负极 Fe-2e-Fe2+
正极 2H++2e-H2↑ O2+2H2O+4e-4OH-
总反应 Fe+2H+Fe2++H2↑ 2Fe+O2+2H2O2Fe(OH)2
其他反应 4Fe(OH)2+O2+2H2O4Fe(OH)3; 2Fe(OH)3Fe2O3·nH2O+(3-n)H2O
电子如何流动 形成通路 Fe失e-成为Fe2+进入溶液,Fe失去的e-流入碳极;H+移向碳极,与碳极上的e-结合成H2析出溶液 Fe失e-成为Fe2+进入溶液,Fe失去的e-流入碳极,O2在碳极获得e-成为OH-进入溶液
联系 通常两种腐蚀同时存在,但后者更普遍
　　【答案】一、氧化还原反应　氧化　直接反应　电解质溶液　原电池反应　发生氧化反应
【核心突破】
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+nH2OM(OH)n+H2↑
B.金属的化学腐蚀的实质是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
【解析】金属在潮湿的中性环境中易发生析氢腐蚀和吸氧腐蚀两种电化学腐蚀,主要发生吸氧腐蚀,其腐蚀的本质都是金属失电子,即M-ne-Mn+,A、D项错误,B项正确;金属的化学腐蚀是金属直接接触到化学物质如O2、Cl2等发生腐蚀,C项错误。
【答案】B
典例2　为探究钢铁的吸氧腐蚀原理,某同学设计了如图所示的装置,下列有关说法错误的是(　　)
A.正极的电极反应为O2+2H2O+4e-4OH-
B.将石墨电极改成Mg电极,难以观察到铁锈生成
C.若向自来水中加入少量NaCl(s),可较快地看到铁锈
D.分别向铁、石墨电极附近吹入O2,前者铁锈出现得快
【解析】铁是负极,失电子被氧化成Fe2+,在正极O2得电子发生还原反应生成OH-,A项正确;若将石墨电极换成Mg电极,则负极为Mg,Fe被保护,难以看到铁生锈,B项正确;向自来水中加入NaCl(s),可使电解质溶液的导电能力增强,加快腐蚀速率,C项正确;将O2吹向石墨电极的腐蚀速率比吹向铁电极的快,D项错误。
【答案】D
归纳总结：(1)化学腐蚀与电化学腐蚀的比较
类型 化学腐蚀 电化学腐蚀
发生条件 金属与接触到的物质直接反应 不纯金属或合金与接触到的电解质溶液发生原电池反应
共同点 M-ne-Mn+
是否构成 原电池 无原电池构成 由无数微小原电池构成
实质 金属被腐蚀 较活泼金属被腐蚀
有无电流 无电流产生 有电流产生
联系 两者往往同时发生,电化学腐蚀更普遍,危害更大,且电化学腐蚀比化学腐蚀更快
(2)析氢腐蚀与吸氧腐蚀的“三同三不同”
①析氢腐蚀与吸氧腐蚀的“三同”
a.负极相同:均为Fe,电极反应为Fe-2e-Fe2+。
b.正极材料相同:均为碳。
c.反应类型相同:均为氧化还原反应
②析氢腐蚀与吸氧腐蚀的“三不同”
a.条件不同:酸性较强时发生析氢腐蚀,否则为吸氧腐蚀。
b.正极反应不同:2H++2e-H2↑(析氢)
O2+4e-+2H2O4OH-(吸氧)
c.电池总反应不同:
Fe+2H+Fe2++H2↑(析氢)
2Fe+O2+2H2O2Fe(OH)2(吸氧)　　
训练1　下列有关金属腐蚀的说法正确的是(　　)
A.金属的腐蚀一定伴有电流产生
B.钢铁在干燥的空气里比在潮湿的空气里更易被腐蚀
C.发生化学能转变为电能的腐蚀时,较活泼的金属总是作正极而被腐蚀
D.发生电化学腐蚀时有能量的转化,且被腐蚀的金属总是失电子
【解析】金属发生化学腐蚀时,没有电流产生,A项错误;钢铁在潮湿的空气中,其表面形成微小的原电池,铁被腐蚀更快,B项错误;发生化学能转变为电能的腐蚀时,较活泼的金属作负极而被腐蚀,C项错误;发生电化学腐蚀时有能量的转化,被腐蚀的金属失去电子,D项正确。
【答案】D
训练2　钢铁腐蚀中,下列说法正确的是(　　)
A.碳表面发生氧化反应
B.钢铁被腐蚀的最终产物为FeO
C.生活中钢铁制品的腐蚀以图①所示为主
D.图②中,正极反应为O2+4e-+2H2O4OH-
【解析】结合图示可知①为析氢腐蚀,②吸氧腐蚀,两种腐蚀中Fe均作负极发生氧化反应,碳均作正极发生还原反应,A项错误;钢铁被腐蚀后最终转化为铁锈,其主要成分是Fe2O3·xH2O,B项错误;生活中钢铁制品主要以图②的吸氧腐蚀为主,C项错误;图②中正极上O2被还原,转化为OH-,D项正确。
【答案】D
任务2　金属的防护
【新知生成】
1.金属防护原理
金属的防护就是防止(或减少)金属的腐蚀,金属的防护主要从金属、与金属接触的物质及两者反应的条件等方面考虑。
2.金属防护的措施
(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。如Cr、Ni等加入普通钢中制成不锈钢等。
(2)在金属表面覆盖保护层
①改变电解质溶液为非电解质:如喷涂油漆、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(生成一层致密的四氧化三铁薄膜)。
④利用阳极氧化处理铝制品的表面形成致密的氧化膜而钝化。
(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,让被保护金属作正极,另找一种活动性较强的金属作负极。
如在被保护的钢铁设备上接锌块形成原电池,Zn作负极发生反应Zn-2e-Zn2+,钢铁作正极被保护,如图所示:
②外加电流的阴极保护法
钢铁与外接电源负极相连形成电解池,使之成为阴极而被保护。如钢闸门接低压直流电负极,石墨接电源正极作阳极,浸入海水中(如图)。
(4)其他方法:根据不同的设计条件选用不同的金属或非金属材料;控制和改善环境介质因素(如选用缓蚀剂)等。
【核心突破】
典例3　港珠澳大桥的设计使用寿命高达120年,主要的防腐方法有:①钢梁上安装铝片;②使用高性能富锌(富含锌粉)底漆;③使用高附着性防腐涂料;④预留钢铁腐蚀量。下列分析不合理的是(　　)
A.钢铁发生吸氧腐蚀时的负极反应为Fe-3e-Fe3+
B.防腐过程中铝和锌均作为牺牲阳极,失去电子
C.防腐涂料可以防水、隔离O2,降低吸氧腐蚀速率
D.方法①②③只能减缓钢铁腐蚀,未能完全消除
【解析】钢铁发生吸氧腐蚀时的负极反应为Fe-2e-Fe2+,A项错误;铝和锌的活动性大于铁,钢铁防腐过程中铝和锌均作为负极,失去电子,为牺牲阳极的阴极保护法,B项正确;防腐涂料可以防水、隔离O2,减少铁与氧气接触,降低吸氧腐蚀速率,C项正确;钢铁防腐只能减缓钢铁腐蚀,不能完全消除钢铁腐蚀,D项正确。
【答案】A
归纳总结：金属腐蚀快慢的判断
(1)影响金属腐蚀快慢的因素
①与构成微电池的材料有关。两极材料的活动性差别越大,氧化还原反应的速率越快,活泼金属被腐蚀的速率就越快。
②与金属所接触的电解质强弱有关。活泼金属在电解质溶液中的腐蚀速率快于在非电解质溶液中的腐蚀速率,在强电解质溶液中的腐蚀速率快于在弱电解质溶液中的腐蚀速率。对于同一种电解质溶液,电解质溶液浓度越大,腐蚀越快。
(2)判断原则
①对同一种金属来说,腐蚀的快慢:强电解质溶液>弱电解质溶液>非电解质溶液。
②活动性不同的金属,活动性差别越大,腐蚀越快。
③对同一种电解质溶液来说,电解质溶液浓度越大,腐蚀越快。
训练3　下图所示的各容器中盛有海水,铁在其中被腐蚀时由快到慢的顺序是(　　)
①　　②　　③
④　　　⑤
A.②>①>③>⑤>④
B.④>②>①>③>⑤
C.⑤>②>③>①>④
D.③>②>④>⑤>①
【解析】图④中铁为电解池的阳极,腐蚀最快;图⑤中铁为电解池的阴极,则腐蚀最慢;①为化学腐蚀,②为原电池腐蚀,铁作负极,③为原电池,铁作正极被保护,则铁在其中被腐蚀时由快到慢的顺序是④>②>①>③>⑤。
【答案】B
课堂小结
【随堂检测】
1.在铁的吸氧腐蚀过程中,下列5种变化中可能发生的是(　　)
①Fe由+2价转化为+3价　②O2被还原　③产生H2　④Fe(OH)3失水形成Fe2O3·nH2O　⑤杂质C被氧化除去
A.①②④ B.③④ C.①②③④ D.①②③⑤
【解析】在铁的吸氧腐蚀过程中,①Fe先由0价转化为+2价,进一步氧化变为+3价,正确;②O2得电子,化合价降低被还原,正确;③吸氧腐蚀过程中,得电子的是氧气,不是氢离子,没有氢气生成,错误;④铁锈形成过程中,Fe(OH)3失水形成Fe2O3·nH2O,正确;⑤杂质C作为原电池的正极,没有发生反应,错误。
【答案】A
2.远洋轮船的船体材料是合金钢,为了避免船体遭受腐蚀,通常在船壳(船底及船侧)上镶嵌一些金属块M。下列有关说法错误的是(　　)
A.该方法称为牺牲阳极的阴极保护法
B.M可以是锌、镁、铜等金属
C.船壳主要发生吸氧腐蚀
D.该方法中的负极反应为M-ne-Mn+
【解析】镶嵌了比铁活泼的金属,构成原电池,合金钢作正极,M为负极,保护合金钢不被腐蚀,这种方法叫牺牲阳极的阴极保护法,A项正确;M的金属性比铁活泼,可以是锌、镁,Cu的金属性弱于Fe,M不能为Cu,B项错误;船壳主要发生吸氧腐蚀,C项正确;M为负极,失去电子,电极反应为M-ne-Mn+,D项正确。
【答案】B
3.下列关于金属腐蚀的说法错误的是(　　)
A.河水中的钢闸门连接电源的负极,使用的是外加电流的阴极保护法
B.金属腐蚀的实质就是金属原子失去电子被氧化的过程
C.镀锌铁皮(白铁皮)的镀层破损后铁皮仍耐腐蚀
D.钢铁在潮湿的空气中生锈,主要发生了析氢腐蚀
【解析】河水中的钢闸门连接电源的负极,作阴极,被保护,使用的是外加电流的阴极保护法,A项正确;金属腐蚀的实质就是金属原子失去电子,化合价升高,被氧化的过程,B项正确;镀锌铁皮(白铁皮)的镀层破损后,锌作负极,失电子,铁作正极,氧气得电子,铁皮仍耐腐蚀,C项正确;钢铁在潮湿的空气中生锈,电解质溶液呈中性或弱酸性,主要发生了吸氧腐蚀,D项错误。
【答案】D
4.下列关于金属腐蚀与防护的说法不正确的是(　　)
图①
图②
图③
A.图①,放置于干燥空气中的铁钉不易生锈
B.图②,若断开电源,钢闸门将发生吸氧腐蚀
C.图②,若将钢闸门与电源的正极相连,可防止钢闸门腐蚀
D.图③,若金属M比Fe活泼,可防止输水管腐蚀
【解析】形成原电池需要电解质溶液,在干燥空气中不易形成原电池,铁钉不易生锈,A项正确;若断开电源,钢闸门在海水中会发生吸氧腐蚀,B项正确;若将钢闸门与电源的正极相连,钢闸门作阳极,腐蚀速率加快,不能防止钢闸门腐蚀,C项错误;M比Fe活泼,M、Fe形成原电池时,Fe作正极,M作负极失电子,Fe被保护。
【答案】C
5.如图所示装置中,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.红墨水柱两边的液面变为左低右高
C.两试管中相同的电极反应是 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
【解析】a试管为中性环境,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,B项错误。
【答案】B
6.(2016·浙江10月选考,17)在一块表面无锈的铁片上滴食盐水,放置一段时间后看到铁片上有铁锈出现,铁片腐蚀过程中发生的总化学方程式:2Fe+2H2O+O22Fe(OH)2,Fe(OH)2进一步被氧气氧化为Fe(OH)3,再在一定条件下脱水生成铁锈,其原理如图。
下列说法正确的是(　　)
A.铁片发生还原反应而被腐蚀
B.铁片腐蚀最严重区域应该是生锈最多的区域
C.铁片腐蚀中负极发生的电极反应:2H2O+O2+4e-4OH-
D.铁片里的铁和碳与食盐水形成无数微小原电池,发生了电化学腐蚀
【解析】A项,铁作负极,发生失电子的氧化反应,错误;B项,铁片负极腐蚀最严重,由于离子的移动,在正极区域生成铁锈最多,错误;C项,铁作负极,发生失电子的氧化反应,即Fe-2e-Fe2+,错误;D项,在一块表面无锈的铁片上滴食盐水,铁片里的铁和碳与食盐水形成无数微小原电池,发生了电化学腐蚀,铁作负极,碳作正极,正确。
【答案】D
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