(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。第三节 金属的腐蚀与防护
课后·训练提升
基础巩固
1.研究电化学腐蚀及防护的装置如下图所示。下列有关说法错误的是( )。
A.d为石墨,铁片腐蚀加快
B.d为石墨,石墨上电极反应为O2+2H2O+4e-4OH-
C.d为锌块,铁片不易被腐蚀
D.d为锌块,铁片上电极反应为2H++2e-H2↑
答案:D
解析:A项,因为活动性:Fe>石墨,所以铁、石墨及海水构成原电池,Fe为负极,失去电子被氧化变为Fe2+进入溶液,溶解在海水中的氧气在正极石墨上得到电子被还原,比没有形成原电池时的速率大,正确;B项,d为石墨,所以发生的是吸氧腐蚀,石墨上氧气得到电子,发生还原反应,电极反应为O2+2H2O+4e-4OH-,正确;C项,若d为锌块,则由于金属活动性:Zn>Fe,Zn为原电池的负极,Fe为正极,首先被腐蚀的是Zn,铁得到保护,铁片不易被腐蚀,正确;D项,d为锌块,发生的是吸氧腐蚀,在铁片上发生的电极反应为O2+2H2O+4e-4OH-,错误。
2.下列有关金属腐蚀与防护的说法正确的是( )。
A.钢铁锈蚀时,铁原子失去电子成为Fe3+,而后生成Fe(OH)3,再部分脱水成为氧化铁的水合物
B.当镀锡铁制品的镀层破损时,镀层仍能对铁制品起保护作用
C.在海轮外壳连接锌块保护外壳不受腐蚀是采用了牺牲阳极的阴极保护法
D.可将地下输油钢管与外加直流电源的正极相连以保护它不受腐蚀
答案:C
解析:钢铁在锈蚀时,铁原子失去电子生成Fe2+,A项错误;Fe、Sn和电解质溶液构成原电池时,Fe作负极,负极失电子被腐蚀,所以当镀锡铁制品的镀层破损时,镀层不能对铁制品起保护作用,B项错误;锌、铁和海水构成原电池,锌比铁活泼,作原电池的负极被氧化,铁作正极被保护,为牺牲阳极的阴极保护法,C项正确;Fe与正极相连作阳极,活性电极作阳极时,电极失电子被腐蚀,则地下输油钢管与外加直流电源的负极相连以保护它不受腐蚀,D项错误。
3.如图所示,为防止铁管道腐蚀分别采取了如下甲、乙两种方法,下列有关说法错误的是( )。
A.方法甲叫做牺牲阳极保护法,R可以选择Zn、Cu等金属
B.方法乙叫做外加电流保护法
C.两种方法的实质均是阻止铁发生氧化反应而腐蚀
D.在潮湿的酸性土壤中,铁管道主要发生析氢腐蚀
答案:A
解析:方法甲叫做牺牲阳极保护法,Fe作正极,R为负极,R可以选择比Fe活泼的金属,如Zn等,不能用Cu,A项错误;乙方法中形成电解池,Fe作阴极,则方法乙叫做外加电流保护法,B项正确;防止铁管道腐蚀,即防止Fe发生氧化反应,所以两种方法的实质均是阻止铁发生氧化反应而腐蚀,C项正确;酸性条件下,铁发生析氢腐蚀,则在潮湿的酸性土壤中,铁管道主要发生析氢腐蚀,D项正确。
4.下列对生铁片锈蚀对比实验的分析正确的是( )。
序号 ① ② ③
实验
现象 8小时未观察到明显锈蚀 8小时未观察到明显锈蚀 1小时观察到明显锈蚀
A.对比实验①②③,说明苯能隔绝O2
B.实验①中,生铁片未见明显锈蚀的主要原因是缺少O2
C.实验②中,饱和食盐水中溶解的O2不足以使生铁片明显锈蚀
D.实验③中,属于铁的吸氧腐蚀,负极反应:O2+4e-+2H2O4OH-
答案:C
解析:对比①②③,说明生铁腐蚀,碳为正极,铁为负极,需足量O2和水,由实验③可知,生铁片明显锈蚀,说明苯不能隔绝O2,故A错误;原电池的形成条件:有两个活泼性不同的电极、电解质溶液、闭合回路,实验①中,苯不是电解质溶液,生铁难以腐蚀,故B错误;实验③中,铁是负极,发生氧化反应,生成Fe2+,电极反应为Fe-2e-Fe2+,故D错误。
5.某课外活动小组,将剪下的一块镀锌铁片放入试剂瓶中,加入少量食盐水,再加数滴酚酞溶液,按下图装置进行实验,数分钟后观察,下列现象不可能出现的是( )。
A.乙中导气管里形成一段水柱
B.乙中导气管中产生气泡
C.金属片剪口处溶液变红
D.锌被腐蚀
答案:B
解析:镀锌铁片与食盐水形成的原电池中,金属锌为负极,发生反应:Zn-2e-Zn2+,铁为正极,发生吸氧腐蚀,即2H2O+O2+4e-4OH-,所以锥形瓶中气体压强减小,导气管里形成一段水柱,生成的氢氧根离子能使酚酞溶液变红色。原电池形成后没有气体生成,所以乙中导气管中不会产生气泡,B项错误。
6.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。因为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。
能力提升
1.如图是金属牺牲阳极法的实验装置,有关说法正确的是( )。
A.加入K3[Fe(CN)6]溶液后,Fe电极附近不会产生带有特征蓝色的沉淀
B.本实验牺牲金属Fe保护金属Zn
C.该装置为电解池
D.远洋货轮上镶嵌的金属Zn长时间不会有什么变化,不需要更换
答案:A
解析:铁被保护,所以溶液中不会产生Fe2+,加入
K3[Fe(CN)6]溶液后,Fe电极附近不会产生带有特征蓝色的沉淀,A项正确;锌失电子作负极,铁作正极,所以牺牲锌保护铁,B项错误;该装置没有外接电源,所以是原电池而不是电解池,C项错误;远洋货轮船底镶嵌锌块,其中锌与铁构成原电池,锌作负极失电子发生氧化反应,锌被腐蚀,为保护货轮需定期更换,D项错误。
2.铜板上铁铆钉处的吸氧腐蚀原理如图所示,下列有关说法正确的是( )。
A.正极反应式:2H++2e-H2↑
B.此过程中还涉及反应:4Fe(OH)2+2H2O+O24Fe(OH)3
C.此过程中Fe、Cu均被腐蚀
D.此过程中电流从Fe流向Cu
答案:B
解析:根据题图知,水中溶解了氧气,铜、铁和水构成了原电池,较活泼的金属作负极,较不活泼的金属作正极,发生吸氧腐蚀。正极上氧气得电子发生还原反应,电极反应式:O2+2H2O+4e-4OH-,A项错误;负极上发生的电极反应式:Fe-2e-Fe2+,正极上的电极反应式:O2+2H2O+4e-4OH-,Fe2+与OH-反应生成Fe(OH)2,Fe(OH)2不稳定,容易被空气中的氧气氧化生成Fe(OH)3,化学方程式:4Fe(OH)2+2H2O+O24Fe(OH)3,B项正确;该原电池中铜作正极,原电池放电时,负极失电子容易被腐蚀,正极被保护,所以铜不被腐蚀,C项错误;该原电池放电时,外电路上电子从负极铁流向正极铜,电流从Cu流向Fe,D项错误。
3.验证牺牲阳极法实验如下(烧杯内均为经过酸化的3%NaCl溶液)。
① 在Fe 表面生成蓝色沉淀
② 试管内无明显变化
③ 试管内生成蓝色沉淀
下列说法不正确的是( )。
A.对比②③,可以判定Zn保护了Fe
B.对比①②,K3[Fe(CN)6]可能将Fe氧化
C.验证Zn保护Fe时不能用①的方法
D.将Zn换成Cu,用①的方法可判断Fe比Cu活泼
答案:D
解析:对比②③,②Fe附近的溶液中,不含Fe2+,③Fe附近的溶液中,含Fe2+,②中Fe被保护,A正确;①加入K3[Fe(CN)6]在Fe表面产生蓝色沉淀,Fe表面产生了Fe2+,对比①②的异同,①可能是K3[Fe(CN)6]将Fe氧化成Fe2+,B正确;对比①②,①加入K3[Fe(CN)6]在Fe表面产生蓝色沉淀,①也能检验出Fe2+,不能用①的方法验证Zn保护Fe,C正确;由实验可知K3[Fe(CN)6]可能将Fe氧化成Fe2+,将Zn换成Cu不能用①的方法证明Fe比Cu活泼,D错误。
4.电解是最强有力的氧化还原手段,在化工生产中有着重要的应用。请回答下列问题。
(1)以铜为阳极,以石墨为阴极,用NaCl溶液作电解质溶液进行电解,得到半导体材料Cu2O和一种清洁能源,则阳极反应式为 ,阴极反应式为 。
(2)某同学设计如图1所示的装置探究金属的腐蚀情况。下列判断合理的是 (填字母)。
图1
A.②区铜片上有气泡产生
B.③区铁片的电极反应式为2Cl--2e-Cl2↑
C.最先观察到变成红色的区域是②区
D.②区和④区中铜片的质量均不发生变化
(3)最新研究发现,用隔膜电解法处理高浓度乙醛废水的工艺具有流程简单、能耗较低等优点,其原理是使乙醛分别在阴、阳极发生反应生成乙醇和乙酸,总反应式为2CH3CHO+H2OCH3CH2OH+CH3COOH。
实验室中,以一定浓度的乙醛-Na2SO4溶液为电解质溶液,模拟乙醛废水的处理过程,其装置如图2所示。
图2
①若以甲烷碱性燃料电池为直流电源,则燃料电池中b极应通入 (填化学式),电极反应式为 。电解过程中,阴极区Na2SO4的物质的量 (填“增大”“减小”或“不变”)。
②在实际工艺处理中,阴极区乙醛的去除率可达60%。若在两极区分别注入1 m3乙醛含量为3 000 mg/L的废水,可得到乙醇 kg(计算结果保留小数点后1位)。
答案:(1)2Cu+H2O-2e-Cu2O+2H+ 2H++2e-H2↑
(2)D
(3)①CH4 CH4+10OH--8e-C+7H2O
不变 ②1.9
解析:(1)因为阳极材料为铜,所以铜本身失电子被氧化,由题意知氧化产物为Cu2O,可得阳极反应式为2Cu+H2O-2e-Cu2O+2H+,阴极上阳离子放电,即溶液中H+被还原成清洁能源H2。(2)左半区是原电池装置,发生的是铁的吸氧腐蚀,负极(Fe):Fe-2e-Fe2+,正极(Cu):O2+2H2O+4e-4OH-;右半区是电解装置,阳极(Fe):Fe-2e-Fe2+,阴极(Cu):2H++2e-H2↑,由于电解引起腐蚀的速率远大于吸氧腐蚀的速率,最先观察到变成红色的区域是④区,故A、B、C三项均错误,D项正确。(3)①根据电解质溶液中阳离子的迁移方向,可知c为阳极,d为阴极,因此直流电源上a为正极,通入O2,b为负极,通入CH4,在碱性条件下CH4的氧化产物为C,由此可写出此电极的电极反应式。在电解过程中,S没有参与放电,且阳离子交换膜不允许阴离子自由通过,因此根据质量守恒可得阴极区Na2SO4的物质的量不变。②阴极区发生还原反应,即CH3CHO转化成CH3CH2OH,设生成的乙醇的质量为x kg,根据碳原子守恒可得关系式:
CH3CHO ~ CH3CH2OH
44 46
3 000×103÷106×60% kg x kg
解得x≈1.9。
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