第四章 化学反应与电能
第三节 金属的腐蚀与防护
基础过关练
题组一 金属的腐蚀
1.如图是家庭燃气灶的部件图,下列说法正确的是 ( )
A.炉头容易生锈,主要是高温下铁发生电化学腐蚀
B.外壳是铝合金材料,不易锈蚀是因为铝不活泼
C.锅支架生锈的主要原因是经常沾上盐水,铁发生化学腐蚀
D.灶脚由螺钉和外层电木(一种耐高温塑料)组成,电木起到了防止金属腐蚀的作用
2.用如图装置进行铁的电化学腐蚀实验,一段时间后,试管发热,导管口有气泡产生。下列说法正确的是 ( )
A.铁发生的电极反应为Fe-3e- Fe3+
B.铁腐蚀过程中,部分化学能转化为热能
C.碳粒的存在对铁腐蚀的速率无影响
D.导管口产生气泡,证明铁发生了析氢腐蚀
题组二 金属腐蚀的快慢比较
3.在下列各种情况下,钢铁腐蚀速率最慢的是 ( )
A.潮湿疏松透气的土壤中
B.在含铁元素较多的酸性土壤中
C.在含碳粒较多、潮湿透气的土壤中
D.在干燥致密不透气的土壤中
4.(教材习题改编)下列各装置中都盛有0.1 mol·L-1的NaCl溶液,放置相同时间,锌片的腐蚀速率由快到慢的顺序是 ( )
① ② ③ ④
A.③①④② B.①②④③
C.②①④③ D.②①③④
题组三 金属的防护
5.研究金属腐蚀及防护的装置如图所示,下列有关说法不正确的是 ( )
A.图1:溶液变红
B.若图2中电极d为铜棒,海水换成稀硫酸,则铜棒上有H2生成
C.图2:若电极d为锌,则铁不易被腐蚀
D.图1:a点产生的铁锈比b点少
6.利用如图装置,可以模拟铁的电化学防护。下列说法正确的是( )
A.若X为碳棒,为减缓铁的腐蚀,开关K应置于N处
B.若X为锌,开关K置于M处,该电化学防护法称为外加电流法
C.若X为碳棒,为减缓铁的腐蚀,开关K应置于M处,该电化学防护法称为牺牲阳极法
D.若X为锌,开关K置于N处,对铁不能起到保护作用
能力提升练
题组 与金属的腐蚀与防护相关的实验探究
1.(教材深研拓展)甲、乙同学分别用如图所示装置验证铁的电化学防腐原理。
相同时间后进行如下实验:
实验①:甲同学分别向Ⅰ、Ⅱ中Fe电极附近滴加K3[Fe(CN)6]溶液,Ⅰ中产生蓝色沉淀,Ⅱ中无沉淀。
实验②:乙同学分别取Ⅰ、Ⅱ中Fe电极附近溶液,滴加K3[Fe(CN)6]溶液,Ⅰ、Ⅱ中均无沉淀。下列说法正确的是 ( )
A.Ⅰ是牺牲阳极法,负极反应式为Fe-2e- Fe2+
B.Ⅱ为外加电流法,Fe电极与外接电源的正极相连
C.由实验①中Ⅰ、Ⅱ现象的差异,推测K3[Fe(CN)6]在Ⅰ中氧化性强于Ⅱ
D.由实验可知,两种保护法均能保护Fe,且Ⅱ保护得更好
2.某同学利用如图所示装置探究金属的腐蚀与防护条件。对于该实验下列说法正确的是 ( )
A.①区铁电极发生吸氧腐蚀,Cu电极上有气体生成
B.②区铁电极被腐蚀
C.③区铁电极被保护,铁电极反应式为2H2O+2e- H2↑+2OH-
D.④区铁电极被保护
3.某化学小组探究铁钉在4种溶液中的吸氧腐蚀实验,相关数据如表所示。
实验 编号 浸泡液 pH 氧气体积分数 随时间的变化
① 1.0 mol/L NH4Cl溶液 6
② 0.5 mol/L (NH4)2SO4溶液 6
③ 1.0 mol/L NaCl溶液 7
④ 0.5 mol/L Na2SO4溶液 7
已知铁在负极被氧化的过程由3个步骤构成:
①Fe+H2O-e- Fe(OH)ads(吸附物)+H+;
②Fe(OH)ads(吸附物)-e- FeOH+;
③FeOH++H+ Fe2++H2O。
下列说法错误的是 ( )
A.铁钉吸氧腐蚀的负极反应式为Fe-2e-Fe2+
B.上述实验的正极反应式均为O2+4e-+2H2O 4OH-
C.300 min内,铁钉的平均吸氧腐蚀速率:弱酸性溶液<中性溶液
D.对比实验①、③可知,N的存在导致铁钉的吸氧腐蚀速率加快
答案与分层梯度式解析
基础过关练
1.D 2.B 3.D 4.C 5.D 6.A
1.D 燃气灶的中心部位容易生锈,主要是高温下铁发生化学腐蚀,A错误;铝的化学性质活泼,B错误;锅支架生锈的主要原因是经常沾上盐水,发生电化学腐蚀,C错误;外层电木阻止螺钉与空气接触,保护了内层的螺钉,防止金属腐蚀,D正确。
2.B 铁发生的电极反应为Fe-2e- Fe2+,A错误;铁腐蚀过程中,试管发热,说明部分化学能转化为热能,B正确;铁粉、碳粒、氯化钠溶液构成原电池,碳粒的存在加快铁腐蚀的速率,C错误;铁腐蚀过程中,具支试管内温度升高,气体膨胀,故导管口产生气泡不能证明铁发生了析氢腐蚀,D错误。
易错分析 注意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+,而不是Fe3+。本题D项易判断错误,注意导管口产生气泡,可能是产生了气体,也可能是反应放热使具支试管内温度升高,气体受热膨胀。
3.D 土壤潮湿疏松,提供水和氧气,钢铁腐蚀速率加快;在含铁元素较多的酸性土壤中,钢铁发生析氢腐蚀,腐蚀速率加快;在含碳粒较多、潮湿透气的土壤中,构成原电池,钢铁腐蚀速率加快;干燥致密不透气的土壤中,不易构成原电池,钢铁腐蚀速率最慢。
4.C ①中Zn作负极,能加快Zn的腐蚀;②中Zn作电解池阳极,腐蚀速率比①中快;③中Zn作电解池阴极被保护,不易被腐蚀;④中Zn发生化学腐蚀,腐蚀速率比①中慢。综上可知,锌片的腐蚀速率由快到慢的顺序为②①④③。
5.D 与食盐水接触的生铁发生吸氧腐蚀,有OH-生成,可观察到溶液变红,a点氧气含量高,所以a点产生的铁锈比b点多,A正确、D错误;若电极d为铜棒,海水换成稀硫酸,则Fe作负极,Cu作正极,在正极发生得电子的还原反应:2H++2e- H2↑,B正确;若电极d为锌,形成原电池,Zn为负极,Fe为正极,正极被保护,则铁不易被腐蚀,C正确。
6.A
若X为碳棒,开关K置于N处,金属铁作电解池的阴极,铁被保护,可减缓铁的腐蚀,A正确;若X为锌,开关K置于M处,锌作原电池的负极,铁作原电池的正极,该电化学防护法称为牺牲阳极法,B错误;若X为碳棒,开关K置于M处,铁作原电池的负极,加快了铁的腐蚀,C错误;若X为锌,开关K置于N处,锌作电解池的阳极,铁作电解池的阴极,可以减缓铁的腐蚀,D错误。
能力提升练
1.D 2.B 3.C
1.D 图Ⅰ中Fe电极是正极,Zn电极是负极,属于牺牲阳极法,由于电解质溶液呈酸性,故正极上氢离子得电子,负极是Zn失去电子,负极的电极反应式为Zn-2e- Zn2+,A错误;外加电流法中要保护的金属应与外接电源的负极相连,即Fe与外接电源的负极相连,B错误;Ⅰ中会有少量的Fe直接与酸反应生成Fe2+,与K3[Fe(CN)6]在Ⅰ、Ⅱ中的氧化性无关,C错误;对比Ⅰ、Ⅱ现象可知,两种保护法均能保护Fe,且外加电流法保护得更好,即Ⅱ保护得更好,D正确。
2.B ①区形成原电池,Fe为负极,发生吸氧腐蚀,Cu电极上没有气体生成,故A错误;②区形成电解池,Cu电极为阴极,Fe为阳极,Fe被腐蚀,故B正确;③区形成原电池,Fe为正极,电解质溶液为中性溶液,正极电极反应为O2+2H2O+4e- 4OH-,故C错误;④区形成电解池,Fe为阳极,被氧化,故D错误。
3.C 铁钉吸氧腐蚀的负极反应式为Fe-2e- Fe2+,A正确;在中性或弱酸性环境中发生的是吸氧腐蚀,故正极反应式为O2+4e-+2H2O 4OH-,B正确;①②浸泡液显酸性,③④浸泡液显中性,根据图像可知,铁钉的平均吸氧腐蚀速率:酸性溶液>中性溶液,C错误;对比实验①、③可知,溶液中Cl-浓度相同, N的存在导致铁钉的吸氧腐蚀速率加快,D正确。
8(共18张PPT)
第三节 金属的腐蚀与防护
知识点 1 金属的腐蚀
必备知识 清单破
1.概念与分类
(1)概念: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)分类
由于与金属接触的气体或液体不同,发生腐蚀的情况也不同,一般可分为化学腐蚀和电
化学腐蚀。
①化学腐蚀:金属与其表面接触的一些物质(如O2、Cl2、SO2等)直接反应而引起的腐蚀。腐
蚀的速率随温度升高而加快。
②电化学腐蚀:当不纯的金属与电解质溶液接触时会发生原电池反应,比较活泼的金属发生
氧化反应而被腐蚀。
2.钢铁的电化学腐蚀
析氢腐蚀 吸氧腐蚀
条件 水膜酸性较强 水膜酸性很弱或呈中性
负极反应 Fe-2e- Fe2+ 正极反应 2H++2e- H2↑ O2+4e-+2H2O 4OH-
总反应 Fe+2H+ Fe2++H2↑ 2Fe+O2+2H2O 2Fe(OH)2
联系 通常两种腐蚀同时存在,但吸氧腐蚀更普遍 特别提醒 吸氧腐蚀中,Fe(OH)2在空气中进一步被氧化为Fe(OH)3,Fe(OH)3失去部分水生成
Fe2O3·xH2O(铁锈的主要成分),反应如下:4Fe(OH)2+O2+2H2O 4Fe(OH)3,2Fe(OH)3 Fe2O3·
xH2O+(3-x)H2O。
知识点 2 金属的防护
1.改变金属材料的组成
在金属中添加其他金属或非金属制成性能优异的合金。如制成不锈钢。
2.在金属表面覆盖保护层
将金属制品与周围物质隔开的方法。如制成非金属保护层、金属保护层、发蓝处理、
钝化处理等。
3.电化学保护法(详见定点)
4.判断金属腐蚀快慢的规律
(1)对不同腐蚀类型来说,腐蚀速率的快慢: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。
(2)对同一金属来说,在不同溶液中腐蚀速率的快慢:强电解质溶液中>弱电解质溶液中。
(3)活动性不同的两种金属,活动性差别越大,活泼金属腐蚀得越快。
(4)对同一种电解质溶液来说,电解质浓度越大,金属腐蚀越快。
知识辨析
1.干燥环境下,所有金属都不能被腐蚀,这种说法对吗
2.在潮湿空气中,钢铁表面形成水膜,金属发生的一定是吸氧腐蚀,这种说法对吗
3.在船体外嵌入锌块,可以减缓船体的腐蚀,属于牺牲阴极法,这种说法对吗
一语破的
1.不对。干燥环境下,金属可发生化学腐蚀。
2.不对。水膜酸性较强时,钢铁发生析氢腐蚀。
3.不对。应该是牺牲阳极法——原电池原理。
关键能力 定点破
定点 电化学保护法
方法 牺牲阳极法 外加电流法
原理 利用原电池原理,被保护的金属作为正极,活泼性更强的金属作为负极 利用电解原理,被保护的金属作为阴极,惰性电极作为辅助阳极,被保护金属与外接电源负极相连
优、缺点 无需外加电源,但需要定期更换被腐蚀的金属 无需更换金属,但消耗电能
应用 保护一些钢铁设备,如锅炉内壁、船舶外壳等 保护土壤、海水及河水中的金属设备
示意图
一种水性电解液Zn-MnO2离子选择双隔膜电池如图所示[KOH溶液中,Zn2+以Zn(OH 存在]。
(情境选自2022年全国甲卷10题)
学科素养 情境破
素养 证据推理与模型认知——探究“隔膜”在电化学装置中的应用
问题1 请根据图示装置,写出放电时负极反应式和正极反应式。能否写出总反应式
提示 根据图示装置可知,Ⅲ区Zn电极为电池的负极,Ⅰ区MnO2电极为正极。负极Zn失电子
被氧化生成Zn(OH ,负极反应为Zn-2e-+4OH- Zn(OH ;正极MnO2在酸性条件下被还原
为Mn2+,正极反应为MnO2+2e-+4H+ Mn2++2H2O。结合正极反应和负极反应可写出电池总
反应为Zn+4OH-+MnO2+4H+ Zn(OH +Mn2++2H2O。
问题2 电池工作时,两个离子选择隔膜的类型是什么
提示 结合正、负极反应可知,Ⅰ区正电荷减少,Ⅲ区负电荷减少,则Ⅲ区K+通过右侧隔膜向
Ⅱ区移动,Ⅰ区S 通过左侧隔膜向Ⅱ区移动,则左侧隔膜为阴离子交换膜,右侧隔膜为阳离
子交换膜。
问题3 用惰性电极电解饱和食盐水的装置如图所示,请分析该离子交换膜的类型及所起的作用。
提示 电解饱和食盐水时,采用阳离子交换膜把阳极室和阴极室隔开,阳极产生Cl2,阴极产生
H2和NaOH,该阳离子交换膜具有选择透过性,阻止OH-进入阳极室与Cl2发生副反应,防止阳极
产生的Cl2和阴极产生的H2混合发生爆炸。
“隔膜”在电化学装置中的应用
讲解分析
1.几种常见的“隔膜”
阳离子交换膜 对阳离子有选择性透过作用的膜,简称阳膜
质子交换膜 一般指对H+有选择性透过作用的膜
阴离子交换膜 对阴离子有选择性透过作用的膜,简称阴膜
“两性离子”交换膜 同时含有阳离子交换基团和阴离子交换基团的离子交换膜,对某些离子有较高的选择性,主要用于离子分离和回收溶液中的微量金属
双极性膜 一面是阴离子交换膜,另一面是阳离子交换膜,中间有一层很薄的相界面,在直流电作用下,相界面中的H2O解离成H+和OH-并分别透过阳膜和阴膜,作为H+和OH-的供应源,简称双极膜
2.含“隔膜”的多室电解池模型
多室电解池是利用离子交换膜的选择透过性(只允许带某种电荷的离子通过)将电解池
分为两室、三室、四室等,以达到浓缩、净化、提纯及电化学合成的目的。
(1)“双膜三室”电解池
在电解装置中,利用两个离子交换膜隔开三个盛有电解质溶液的“室”。如图所示,
“双膜”为离子交换膜a和离子交换膜b,“三室”为Ⅰ室、Ⅱ室和Ⅲ室。
根据电解的目的不同,离子交换膜a和离子交换膜b可以均是阳离子交换膜,也可以均是
阴离子交换膜,还可以一个是阳离子交换膜,一个是阴离子交换膜。
(2)“三膜四室”电解池
在电解装置中,利用三个离子交换膜隔开四个盛有电解质溶液的“室”。以四室电渗析
法制备H3PO2为例,其工作原理如图所示。
阳极反应为2H2O-4e- O2↑+4H+,产生的H+通过阳离子交换膜进入产品室;原料室中
的H2P 通过阴离子交换膜进入产品室,与H+结合生成弱电解质H3PO2;阴极反应为4H2O+4e-
2H2↑+4OH-,原料室中的Na+通过阳离子交换膜进入阴极室。
例题 Co是磁性合金的重要材料。工业上可用如下装置制取单质Co并获得副产品盐酸(A、
B膜均为离子交换膜)。
下列说法正确的是 ( )
A.若阴极析出5.9 g Co,则加入0.1 mol Co(OH)2可
将溶液恢复至原状态
典例呈现
B.A膜为阴离子交换膜,B膜为阳离子交换膜
C.若产品室Δn(HCl)=0.2 mol,则两电极室溶液的质
量变化差为|Δm阴极室溶液|-|Δm阳极室溶液|=11.2 g
D.电解结束后,阳极室溶液的pH增大
C
素养解读 本题以电解制备Co和副产品盐酸为情境素材,考查对电解原理的理解及“隔
膜”在电化学装置中的应用,体现了证据推理与模型认知的化学学科核心素养。
信息提取 与电源正极相连的石墨电极为阳极,阳极上水放电:2H2O-4e- 4H++O2↑,H+通
过A膜进入产品室;阴极上Co2+放电:Co2++2e- Co,溶液中Cl-通过B膜进入产品室。
解题思路 电解总反应为2Co2++2H2O 4H++2Co+O2↑,电解过程中溶液中H元素质量不
变,故复原时不能加入Co(OH)2,A错误;石墨电极为阳极,阳极室中H+通过A膜进入产品室,则A
膜为阳离子交换膜,阴极室中Cl-通过B膜进入产品室,则B膜为阴离子交换膜,B错误;若产品室
Δn(HCl)=0.2 mol,则阳极消耗0.1 mol H2O,阳极溶液质量减少0.1 mol×18 g/mol=1.8 g,阴极消
耗0.1 mol CoCl2,阴极溶液质量减少0.1 mol×130 g/mol=13 g,故两电极室溶液的质量变化差为
|Δm阴极室溶液|-|Δm阳极室溶液|=13 g-1.8 g=11.2 g,C正确;电解结束后,阳极室中溶剂水减少,硫酸浓度增
大,溶液的pH减小,D错误。
电化学知识是高考必考点,题目素材常与生产、生活相联系,所涉及的电化学装置往往
含有“隔膜”。
在原电池中应用“隔膜”,一般可起到平衡电荷的作用,还能防止电解质溶液中的部分
离子与电极直接反应。在电解池中使用“隔膜”的主要目的是限制某些离子(或分子)的定
向移动,避免电解质溶液中的离子(或分子)与电极产物反应,提高产品纯度或防止发生危险等。
思维升华
