高中化学（人教版，选修4） 第四章电化学基础 第四节 金属的电化学腐蚀与防护

高中化学（人教版，选修4） 第四章电化学基础 第四节 金属的电化学腐蚀与防护

第四节　金属的电化学腐蚀与防护 ‎[目标要求]　1.了解金属发生腐蚀的原因及现代防护措施。2.了解金属的化学腐蚀与电化学腐蚀的区别与联系。3.掌握金属发生析氢腐蚀和吸氧腐蚀的电化学原理。‎ 一、金属的腐蚀 金属腐蚀是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。金属腐蚀一般可分为化学腐蚀和电化学腐蚀两类。‎ ‎1．化学腐蚀 金属跟接触到的干燥气体或非电解质液体(如石油)等直接发生化学反应而引起的腐蚀，这种腐蚀的速率随着温度的升高而加快。‎ ‎2．电化学腐蚀 不纯的金属接触电解质溶液时，会发生原电池反应，较活泼的金属失去电子而被氧化所引起的腐蚀。‎ 二、电化学腐蚀的分类 以铁的腐蚀为例 吸氧腐蚀 析氢腐蚀 条件 水膜呈弱酸性或中性 水膜呈较强酸性 正极反应式 O2＋2H2O＋4e－===4OH－‎ ‎2H＋＋2e－===H2↑‎ 负极反应式 ‎2Fe－4e－===2Fe2＋‎ Fe－2e－===Fe2＋‎ 总反应式 ‎2Fe＋O2＋2H2O===2Fe(OH)2‎ Fe＋2H＋===Fe2＋＋H2↑‎ 三、金属的防护 ‎1．电化学保护法 ‎(1)牺牲阳极的阴极保护法——原电池原理 在被保护的钢铁设备上装上若干活泼金属如镁合金或锌块，作原电池的负极(阳极)；让被保护的金属作原电池的正极(阴极)。‎ ‎(2)外加电流的阴极保护法 用被保护的金属作阴极，用惰性电极作阳极，外接直流电源。‎ ‎2．其他方法 ‎(1)改变金属内部结构，如制成防腐的合金；‎ ‎(2)加涂保护层，如喷油漆、涂油脂。‎ 知识点一　金属的腐蚀 ‎1．关于金属腐蚀的叙述中，正确的是(　　)‎ A．金属被腐蚀的本质是M＋nH2O===M(OH)n＋H2↑‎ B．马口铁(镀锡铁)镀层破损后被腐蚀时，首先是镀层被氧化 C．金属在一般情况下发生的电化学腐蚀主要是吸氧腐蚀 D．常温下，置于空气中的金属主要发生化学腐蚀 答案　C 解析　金属腐蚀的本质主要是金属原子失电子被氧化，腐蚀的内因是金属的化学性质比较活泼，外因是金属与空气、水和其他腐蚀性的物质相接触，腐蚀主要有化学腐蚀和电化学腐蚀。A中金属腐蚀的本质应包括化学腐蚀和电化学腐蚀，为M－ne－===Mn＋‎ ‎；B选项中Sn、Fe构成电化学腐蚀，主要是Fe－2e－===Fe2＋，铁先被腐蚀。常温下，空气中的金属主要发生电化学腐蚀中的吸氧腐蚀，难以和非金属氧化剂(Cl2、S)等反应，发生化学腐蚀。‎ ‎2．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，则铁钉的腐蚀属于________腐蚀。‎ ‎(2)若试管内液面上升，则原溶液呈________________性，发生________腐蚀，电极反应式：负极： __________________________________________________________，‎ 正极：___________________________________________________________________。‎ (1) 若试管内液面下降，则原溶液呈______性，发生________腐蚀。电极反应式：负极 ‎________________________________________________________________________，‎ 正极：____________________________________________________________________。‎ 答案　(1)电化学　(2)弱酸性或中　吸氧　2Fe－4e－===2Fe2＋ O2＋2H2O＋4e－===4OH－‎ ‎(3)较强的酸　析氢　Fe－2e－===Fe2＋　2H＋＋2e－===H2↑‎ 解析　根据原电池的构成条件：有两种不同的材料(Fe为负极，碳为正极)，有电解质溶液，形成闭合回路，可知铁钉的腐蚀属于电化学腐蚀。根据金属腐蚀的条件、原理及结果可知：试管内液面上升，说明试管内压强减小，试管内气体被吸收所致，是铁钉吸氧腐蚀的结果，据此写出电极反应式；试管内液面下降，说明试管内气体压强变大，试管内产生了新气体所致，是铁钉的析氢腐蚀的结果，据此写出电极反应式。‎ 知识点二　金属的防护 ‎3．下列各种方法中，能对金属起到防止或减缓腐蚀作用的是(　　)‎ ‎①金属表面涂抹油漆　②改变金属内部结构　③保持金属表面清洁干燥　④金属表面进行电镀　⑤使金属表面形成致密的氧化物薄膜 A．①②③④　　　　　　　 B．①③④⑤　‎ C．①②④⑤ D．全部 答案　D 解析　金属的腐蚀主要是电化学腐蚀，题目中①③④⑤中的方法都可以起到避免金属和电解质溶液接触形成原电池的目的；②中如在金属中加入某些其他元素改变金属内部结构也可以起到防腐蚀的效果。‎ ‎4．下列有关金属腐蚀与防护的说法不正确的是(　　)‎ A．纯银器的表面在空气中因化学腐蚀渐渐变暗 B．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 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　D 解析　纯银器的表面在空气中易生成硫化物失去光泽；当镀锡铁制品镀层破损时，由于铁比锡活泼，形成原电池时，铁作原电池的负极，加快铁的腐蚀；锌比铁活泼，当在海轮外壳上连接锌块后，锌失电子而海轮外壳被保护；要采用电解原理保护金属，应将金属与电源的负极相连，即作电解池的阴极。‎ 练基础落实 ‎1．以下防腐措施中，属于电化学保护法的是(　　)‎ A．用氧化剂使金属表面生成致密稳定的氧化物保护膜 B．在金属中加入一些铬或者镍制成合金 C．在轮船的船壳水线以下部分，装上一锌锭 D．在金属表面喷漆 答案　C 解析　在轮船的船壳水线以下部分，装上锌能形成铁锌原电池，锌为负极，被腐蚀，铁被保护。‎ ‎2．钢铁在潮湿的空气中会被腐蚀，发生的原电池反应为2Fe＋2H2O＋O2===2Fe(OH)2。以下说法正确的是(　　)‎ A．负极发生的反应为Fe－2e－===Fe2＋‎ B．正极发生的反应为2H2O＋O2＋2e－===4OH－‎ C．原电池是将电能转化为化学能的装置 D．钢柱在水下部分比在空气与水交界处更容易腐蚀 答案　A 解析　由原电池反应式知：负极为Fe－2e－===Fe2＋，正极为2H2O＋O2＋4e－===4OH－，所以A对、B错；原电池是将化学能转化为电能的装置，C错；根据原电池原理，钢柱在空气与水交界处更容易腐蚀，D错。‎ ‎3．如下图所示各烧杯中盛有海水，铁在其中被腐蚀由快到慢的顺序为(　　)‎ A．②①③④ B．④③②① C．④②①③ D．③②④①‎ 答案　C 解析　②、③、④的实质均为原电池装置。③中Fe为正极，被保护；②、④中Fe为负极，均被腐蚀，但相对来说Fe和Cu的金属活动性比Fe和Sn的差别大，故Fe－Cu原电池中Fe被腐蚀得更快；①中因铁不纯而发生微电池反应。‎ ‎4．下列现象中，不是由于原电池反应造成的是(　　)‎ A．含杂质的锌与盐酸反应比纯锌与盐酸反应速率快 B．金属在潮湿的空气中易腐蚀 C．纯铁和盐酸反应，如滴入几滴硫酸铜溶液，则可加快反应速率 D．化工厂中的铁锅炉易腐蚀而损坏 答案　D 解析　化工厂的空气中含有大量的化学物质，有的容易与铁制品反应，导致钢铁腐蚀。‎ 练方法技巧 ‎5．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，再放置于玻璃钟罩里保存相同的一段时间。下列对实验结束时现象的描述不正确的是(　　)‎ A．装置Ⅰ左侧的液面一定会下降 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　装置Ⅰ中铁钉处于盐酸的蒸气中，被侵蚀而释放出H2，使左侧液面下降，右侧液面上升；装置Ⅱ中铁钉同样处于盐酸的蒸气中，不同的是悬挂铁的金属丝由铁丝换成了铜丝，由于Fe比Cu活泼，在这种氛围中构成的原电池会加速铁钉的侵蚀而放出更多的H2，使左侧液面下降得更多，右侧液面上升得更多；装置Ⅲ中虽然悬挂铁钉的还是铜丝，但由于浓硫酸有吸水性而无挥发性，使铁钉处于一种较为干燥的空气中，因而在短时间内几乎没有被侵蚀。‎ ‎6．镀锌铁在发生析氢腐蚀时，若有0.2 mol 电子发生转移，下列说法正确的是(　　)‎ ‎①有‎5.6 g金属被腐蚀　②有‎6.5 g金属被腐蚀　③在标准状况下有‎2.24 L气体放出　‎ ‎④在标准状况下有‎1.12 L气体放出　　　　　　　　　　　　　　　　‎ A．①② B．②③ C．①④ D．③④‎ 答案　B 解析　在镀锌铁的析氢腐蚀中：负极(Zn)：Zn－2e－===Zn2＋，有0.2 mol e－转移时，有 ‎0.1 mol Zn溶解，即‎6.5 g；正极(Fe)：2H＋＋2e－===H2↑，生成0.1 mol H2，标准状况下的 体积为‎2.24 L。‎ ‎7．如图装置中，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式是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 答案　B 解析　Fe与C及电解质溶液形成原电池，Fe是负极：Fe－2e－===Fe2＋，C是正极，在a中发生吸氧腐蚀，a中压强减小，b中发生析氢腐蚀，b中压强增大，红墨水柱液面是左高右低，故选B。本题考查钢铁的吸氧腐蚀和析氢腐蚀。‎ 练综合拓展 ‎8．在A、B、C三个烧杯中分别盛有相同浓度的稀硫酸，如图所示：‎ ‎(1)A中反应的离子方程式为________________________________________________。‎ ‎(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”)。‎ (1) C中被腐蚀的金属是________，总反应的离子方程式为_______________________，‎ 比较A、B、C中铁被腐蚀的速率，由快到慢的顺序是________________。‎ 答案　(1)Fe＋2H＋===Fe2＋＋H2↑‎ ‎(2)2H＋＋2e－===H2↑　增大 ‎(3)Zn　Zn＋2H＋===Zn2＋＋H2↑　B＞A＞C 解析　铁在不同的情况下被腐蚀的速率不同。作原电池的负极时易被腐蚀，作原电池的正极时受到保护不被腐蚀。‎ ‎9．金属腐蚀的电化学原理可用下图模拟。‎ ‎(1)请写出有关电极反应式：‎ ‎①铁棒上的电极反应式：__________________________________________________‎ ‎________________________________________________________________________。‎ ① 碳棒上的电极反应式：__________________________________________________‎ ‎________________________________________________________________________。‎ ‎(2)该图所表示的是_______________________________________________________‎ ‎(填“析氢”或“吸氧”)腐蚀。‎ ‎(3)若将O2撤走，并将NaCl溶液改为稀H2SO4溶液，则此图可表示__________________(填“析氢”或“吸氧”)腐蚀原理；若用牺牲阳极法来保护铁棒不被腐蚀溶解，即可将碳棒改为________棒。‎ 答案　(1)①2Fe－4e－===2Fe2＋‎ ‎②O2＋2H2O＋4e－===4OH－‎ ‎(2)吸氧　(3)析氢　锌(或其他比铁活泼的金属)‎ ‎10．关于铁生锈的机理有人提出如下步骤：‎ ‎①Fe－2e－===Fe2＋；‎ ‎②H＋＋e－===H；‎ ‎③4H＋O2===2H2O；‎ ‎④4Fe2＋＋O2＋(4＋2x)H2O===2Fe2O3·xH2O＋8H＋‎ 根据以上过程，回答下列问题：‎ ‎(1)根据以上机理，判断下列说法正确的是(　　)‎ A．以上锈蚀过程发生的是化学腐蚀 B．从锈蚀反应的最终结果看，水既是氧化剂，又是还原剂 C．反应的实质是氧气被还原，金属铁被氧化 D．从反应机理看，锈蚀过程发生的是析氢腐蚀 ‎(2)某铁件需长期浸于水下，为了减少腐蚀，想采取下列措施，其中正确的有(　　)‎ A．给铁件铆上一些锌板 B．给铁件通入直流电，把铁件与电源正极连接 C．在制造铁件时，在铁中掺入一定比例的铜制成合金 D．在铁件表面涂上一层较厚的沥青 ‎(3)现有质量为1 ‎000 g的某铁件已在水下生锈，若测知整个锈蚀过程中有6 mol电子发生转移，则参加反应的O2在标准状况下的体积为____L，反应后铁件的质量为____g(已知铁锈Fe2O3·xH2O中x值为1)。‎ 答案　(1)C　(2)AD　(3)33.6　1 066‎ 解析　(1)根据反应机理，将方程式叠加：①×4＋②×8＋③×2＋④可得：‎ ‎4Fe＋3O2＋2xH2O===2(Fe2O3·xH2O)‎ 可知为吸氧腐蚀。‎ ‎(2)保护铁不被腐蚀，可隔绝O2或采取牺牲阳极的阴极保护法。‎ ‎(3)4Fe＋3O2＋2H2O===2(Fe2O3·H2O)　　转移电子 ‎ 3×‎22.4 L 12 mol ‎ V(O2) 6 mol V(O2)＝＝‎‎33.6 L 由差值法得Δm＝＝‎66 g，故反应后铁件质量为1 066 g。‎