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第三单元金属的腐蚀与防护,一、金属的腐蚀1.金属腐蚀：,化学反应,失去电子,氧化还原,原电池,失电子被氧化,2.钢铁的电化学腐蚀：,酸性较强,酸性很弱或呈中性,Fe-2e-=Fe2+,2H+2e-=H2,O2+4e-+2H2O=4OH-,Fe+2H+=H2+Fe2+,2Fe+2O2+2H2O=2Fe(OH)2,吸氧,二、金属的电化学防护1.保护层法：在金属表面覆盖保护层使金属与_隔绝，如在钢铁表面涂油或油漆、覆盖塑料、镀不活泼金属等。,空气、水,2.电化学保护法：(1)牺牲阳极的阴极保护法原电池原理。将被保护金属设备与比其更活泼的金属连接在一起。更活泼的金属如(镁、锌)作_(负极)不断被腐蚀，可定期更换，而作为_(正极)的金属就能不被腐蚀而得到保护。常用于保护海轮外壳及石油管道等，其原理如下图所示。,阳极,阴极,(2)外加电流的阴极保护法电解池原理。将被保护的金属设备与外加直流电源_相连作为阴极，另一附加惰性电极作为阳极。其原理如下图所示。,负极,上述原理可解释为通电后，电子流向钢闸门，在其表面积累了大量的负电荷，从而抑制钢铁失去电子，阻止钢铁腐蚀。此法主要用于防止土壤、海水及河水中的金属设备的腐蚀。3.其他方法：改变金属组成或结构，如在金属中添加其他元素形成耐蚀合金等。,1.辨析下列说法的正误。(1)金属腐蚀就是金属失电子的过程。()(2)铁发生电化学腐蚀时，负极反应为Fe-3e-=Fe3+。()(3)在铁表面镀锌属于金属的电化学保护法。()(4)轮船外壳上连接一块锌，属于牺牲阳极的阴极保护法。(),【答案解析】(1)。分析：金属腐蚀的实质是金属失去电子变为金属阳离子的过程。(2)。分析：铁在电化学腐蚀过程中，只能被氧化为Fe2+。(3)。分析：电镀虽然是电解原理的应用，但铁表面镀锌只是在铁表面覆盖了保护层，属于覆盖保护层法，不属于电化学保护。(4)。分析：利用原电池原理，将被保护金属与比其更活泼的金属相连的方法，叫作牺牲阳极的阴极保护法。,2.下列关于钢铁腐蚀的叙述正确的是()A.吸氧腐蚀时正极放出氧气B.析氢腐蚀时正极放出氢气C.化学腐蚀比电化学腐蚀快D.析氢腐蚀比吸氧腐蚀普遍【解析】选B。吸氧腐蚀时，正极消耗氧气，A错；析氢腐蚀时，H+在正极得电子被还原，生成H2，B正确。电化学腐蚀速率更快，C错；吸氧腐蚀更普遍，D错。,3.下列举措不能防止或减缓钢铁腐蚀的是()A.在钢铁制品表面镀一层金属锌B.将钢铁制品放置在潮湿处C.在钢铁中加入锰、铬等金属，以改变钢铁结构D.将钢铁制品与电源负极相连【解析】选B。钢铁在潮湿空气中比在干燥空气中更易发生腐蚀。,4.埋在地下的输油铸铁管道，在下列各种情况下，被腐蚀的速率最慢的是()A.在含铁元素较多的酸性土壤中B.在潮湿疏松透气的土壤中C.在干燥致密不透气的土壤中D.在含碳粒较多、潮湿透气的土壤中【解析】选C。在干燥不透气的环境中，最不易构成原电池，金属腐蚀最慢。,5.下列有关金属腐蚀与防护的说法正确的是()A.纯银器表面在空气中因化学腐蚀而渐渐变暗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以保护外壳不受腐蚀是采用了牺牲阴极的阳极保护法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,【解析】选A。Ag在空气中会被氧化而渐渐变暗，A正确；镀锡铁镀层破损时，由于铁比锡活泼，铁先被腐蚀，B错；该做法是牺牲阳极的阴极保护法，C错；输油钢管应与外加直流电源的负极相连，D错。,6.铜制品上的铝质铆钉，在潮湿的空气中易腐蚀的主要原因可描述为()A.形成原电池，铝作负极B.形成原电池，铜作负极C.形成原电池时，电流由铝流向铜D.铝质铆钉发生了化学腐蚀【解析】选A。铝、铜形成原电池，铝是负极，电子由铝流向铜。,7.为了防止钢铁锈蚀，下列防护方法中正确的是()A.在精密机床的铁床上安装铜螺钉B.在排放海水的钢铁阀门上用导线连接一块石墨，一同浸入海水中C.在海轮舷上用铁丝系住锌板浸在海水里D.在电动输油管的铸铁管上接直流电源的正极,【解析】选C。A、B中形成的原电池都是铁作负极，加速钢铁腐蚀；C中锌比铁活泼，铁作正极，正确；D中铸铁管作阳极，加速腐蚀，错误。,一、金属不同类型腐蚀的比较1.化学腐蚀与电化学腐蚀的比较：,2.析氢腐蚀与吸氧腐蚀(以铁腐蚀为例)的比较：,【点拨】金属电化学腐蚀的分析金属的电化学腐蚀，本质上是金属失电子发生氧化反应。金属与其他可导电物质及电解质溶液构成原电池，金属作负极。因电解质不同，金属腐蚀的类型不同，弱酸性电解质中发生的是析氢腐蚀，中性或碱性电解质发生的是吸氧腐蚀。,【微思考】(1)金属活动顺序表中排在“H”后的金属能发生析氢腐蚀吗？提示：不能。排在“H”后的金属不能置换出酸中的氢，只能发生吸氧腐蚀。(2)将纯铁放入稀硫酸中，发生的是析氢腐蚀吗？提示：不是。析氢腐蚀是指不纯的金属(或合金)接触到酸性较强的电解质溶液所发生的原电池反应而引起的腐蚀，纯铁遇稀硫酸发生的是化学腐蚀。,【过关题组】1.(2014常州高二检测)有关下图装置中的叙述正确的是()A.这是电解NaOH溶液的装置B.这是一个原电池装置C.Pt为负极，其电极反应为O2+2H2O+4e-=4OH-D.Fe为阳极，其电极反应为Fe-2e-+2OH-=Fe(OH)2,【解题指南】解答本题应注意以下两点：(1)原电池无外接电源，电解池有外接直流电源；(2)金属发生电化学腐蚀时，形成的是原电池，金属为负极。【解析】选B。根据装置图，该装置无外接直流电源，不是电解池，A错；该装置是一个原电池装置，B正确；该电池的原理是铁的腐蚀，故Fe为负极，Pt为正极，C、D错。,2.下列与金属腐蚀有关的说法正确的是(),A.图a中，插入海水中的铁棒，越靠近底端腐蚀越严重B.图b中，开关由M改置于N时，Cu-Zn合金的腐蚀速率减小C.图c中，接通开关时Zn腐蚀速率增大，Zn上放出气体的速率也增大D.图d中，Zn-MnO2干电池自放电腐蚀主要是由MnO2的氧化作用引起的,【解析】选B。A项，因溶液具有均一性，烧杯底端的溶液的浓度与上端相同，故腐蚀速率相同，A错误；B项，由M改置于N后，锌作原电池的负极，Cu-Zn合金应充当原电池的正极，明显受到了一定的保护，腐蚀速率减小，B正确；C项，接通开关时，锌作原电池的负极，腐蚀速率变大，但是气体不在锌(负极)上产生，而是在铂(正极)上产生，C错误；D项，Zn-MnO2干电池发生放电反应，导致Zn被腐蚀，主要原因是锌发生氧化反应，体现了锌的还原性，D错误。,3.(2014惠州高二检测)我国某大城市今年夏季多次降下酸雨。据环保部门测定，该城市整个夏季酸雨的pH平均为3.2。在这种环境中的铁制品极易被腐蚀。对此条件下铁的腐蚀的叙述不正确的是()A.此腐蚀过程有化学腐蚀也有电化学腐蚀B.发生电化学腐蚀时的正极反应为2H2O+O2+4e-=4OH-C.在化学腐蚀过程中有氢气产生D.发生电化学腐蚀时的负极反应为Fe-2e-=Fe2+,【解析】选B。因雨水酸性较强，铁可直接与雨水反应，故腐蚀过程中化学腐蚀、电化学腐蚀均有，A正确；酸性条件下，发生电化学腐蚀时正极反应为2H+2e-=H2，B错误；化学腐蚀是铁直接与酸雨反应生成氢气，C正确；发生电化学腐蚀时，铁为负极，失电子生成二价铁，D正确。,4.家用炒菜铁锅用水清洗放置后，出现红棕色的锈斑，某同学拟对其原理及条件进行分析：(1)该同学准备了下列实验用品：20%NaCl溶液、蒸馏水、酚酞试液、KSCN溶液、新制氯水、纯铁丝、碳棒、U形管、导线等；请你帮他设计一个实验方案来验证钢铁吸氧腐蚀的电极产物，简述操作过程并写出溶液中有关反应的离子方程式。,(2)将一铜棒、碳棒用导线连接后，插入内盛20%氯化钠溶液的U形管中，请根据此装置在下列两项中择一回答：若不是原电池，请说明原因：。(如果回答此题，下面的不用回答)若是原电池，现要求利用此装置(电极材料、溶液浓度均不变)，采取适当的措施来提高电池的放电效率，该操作可以是。,(3)目前我国许多大型铜质文物露天放置腐蚀严重，在不影响观瞻效果的条件下，除用加保护层法保护外，请你再提出一项简单而有效的保护方法并简述其保护原理：。,【解析】(1)为加速腐蚀应选用20%NaCl溶液为电解质溶液，以纯铁丝和碳棒作两电极，分别针对两极产物Fe2+和OH-进行检验，检验Fe2+可用KSCN和氯水，检验OH-可用酚酞试液。(2)具备构成原电池的基本条件，在正极上发生还原反应的是空气中的O2，若要促进电池反应，提高放电效率，可向插入碳棒的溶液中通入氧气或空气，增加溶液中氧气的浓度。(3)在众多限制下，只能考虑电化学保护法。,答案：(1)用导线连接铁丝和碳棒后插入盛有20%NaCl溶液的U形管中，放置数分钟后，向插入铁丝的一端滴入12滴KSCN溶液未显色，再滴入氯水显红色，证明负极有Fe2+生成，相关离子方程式为2Fe2+Cl2=2Fe3+2Cl-；Fe3+3SCN-=Fe(SCN)3。向插入碳棒的一端滴入酚酞试液，溶液显红色，证明有OH-生成,(2)向插入碳棒的溶液中通入氧气或空气(3)将铁块(或锌块)连接文物底座并埋入地下，定期更换；原理是使文物成为原电池的正极(或使铜文物用导线连接直流电源的负极，正极用导线连接埋入地下的导体。原理是使文物成为电解池的阴极),【方法规律】判断金属腐蚀快慢的规律(1)作电解池的阳极作原电池的负极化学腐蚀有防护措施的腐蚀。(2)对同一种金属来说，在不同的电解质溶液中腐蚀的快慢规律：强电解质溶液弱电解质溶液非电解质溶液。(3)活泼性不同的两种金属，活泼性差别越大，活泼性强的金属腐蚀越快。(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。,二、金属的电化学防护1.金属防护的常用方法：,2.金属的电化学防护。(1)牺牲阳极的阴极保护法。原理：应用原电池原理。方法：将被保护金属与比其更活泼的金属连接在一起，更活泼的金属作负极不断被腐蚀，可定期更换，而作为正极的金属就能不被腐蚀而得到保护。常用于保护海轮外壳及石油管道等。,实例：,(2)外加电流的阴极保护法。原理：应用电解池原理。方法：将被保护金属与外加直流电源负极相连，作为阴极，另一附加惰性电极作为阳极。通电后，电子流向被保护的金属，在金属表面积累了大量的负电荷，从而抑制金属失去电子，阻止金属被腐蚀。该方法主要用于防止土壤、海水及河水中的金属设备的腐蚀。,实例：,【点拨】化学电池电极的名称金属的牺牲阳极的阴极保护法，实际上利用的是原电池原理，为什么叫做阳极和阴极呢？通常对原电池的两个电极叫做正极和负极，对电解池的两个电极叫做阳极和阴极。但在电化学中，对化学电池的电极还有个统一的名称，即：发生氧化反应的电极叫做阳极，发生还原反应的电极叫做阴极。所以原电池的负极又叫做阳极，正极又叫做阴极。,【微思考】(1)金属铝比金属铁还要活泼，但铝却经久耐用，这是为什么？提示：金属铝在空气中很容易被氧化，生成的氧化物薄膜非常致密，可以阻止铝进一步被氧化。,(2)白铁皮(镀锌铁板)的镀层遭到破坏后，是否还起到保护铁的作用？提示：白铁皮的镀层破坏后，因为镀层金属锌的活泼性比铁强，因此当发生电化学腐蚀时，铁将作原电池的正极，会被保护。,【过关题组】1.(2013北京高考)下列金属防腐的措施中，使用外加电流的阴极保护法的是()A.水中的钢闸门连接电源的负极B.金属护栏表面涂漆C.汽车底盘喷涂高分子膜D.地下钢管连接镁块,【解题指南】解答本题需注意以下两点：(1)被保护金属作电解池的阳极，是外加电流的阴极保护法；(2)喷漆、涂油等属于覆盖保护层法。【解析】选A。水中的钢闸门连接电源的负极之后，作电解池的阴极，被保护起来，所以采用的是外加电流的阴极保护法；金属护栏表面涂漆、汽车底盘喷涂高分子膜均使用的是覆盖保护层法的保护措施；地下钢管连接镁块，镁作负极，被腐蚀，从而起到保护钢管的作用，所以使用的是牺牲阳极的阴极保护法。,2.(2014许昌高二检测)下列防腐蚀措施中，利用原电池反应使主要金属得到保护的是()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镍制成合金C.在轮船的壳体水线以下部分装上锌锭D.金属表面喷漆,【解析】选C。A、D属于覆盖保护层法，B属于改变金属的结构法，C项属于利用原电池原理保护金属，此时锌为负极，轮船外壳为正极，电解质为海水，轮船外壳得到保护。,【互动探究】(1)题1中A项利用的电化学的哪个原理？提示：原电池原理，被保护金属作原电池的正极。(2)题2中，适用A项方法的常见金属是什么？提示：Al。因Al表面容易形成一层致密的氧化物薄膜，故具有一定的防腐蚀能力。,【变式训练】有关金属腐蚀的叙述正确的是()A.生铁抗腐蚀能力比纯铁强B.钢瓶在储存液氯前彻底干燥可减缓腐蚀C.水库铁闸与直流电源正极相连可减缓腐蚀D.常温下浓硝酸比浓盐酸更易使铁腐蚀,【解析】选B。生铁中含有杂质，在空气中更容易发生电化学腐蚀，A错；铁与潮湿的氯气可发生氧化还原反应而被腐蚀，但与干燥的氯气不反应，B正确；水库铁闸与直流电源的正极相连则作阳极，会加快腐蚀，C错；常温下铁遇浓硝酸钝化，但铁可与浓盐酸反应，D错。,【提分必备关键点】1.金属腐蚀的类型：(1)电化学腐蚀：通过原电池反应引起的金属的腐蚀。(2)化学腐蚀：未形成原电池，而是金属与其他物质直接接触形成的腐蚀。2.铁的电化学腐蚀的两种类型：,3.金属腐蚀快慢顺序：电解池的阳极原电池的负极化学腐蚀原电池正极电解池的阴极。4.金属的电化学防护：(1)牺牲阳极的阴极保护法原电池原理。(2)外加电流的阴极保护法电解池原理。,金属电化学腐蚀的条件和原理的探究【真题判断】(在括号内打“”或“”)(1)(2014江苏高考)若在海轮外壳上附着一铜块，则可以减缓海轮外壳的腐蚀。()分析：由于铁比铜活泼，因此Fe作原电池负极，加快海轮外壳的腐蚀。,(2)(2014天津高考)铁表面镀锌可增强其抗腐蚀性。()分析：锌作负极失电子，铁作正极被保护，所以可以增强铁的抗腐蚀性。(3)(2013北京高考)钢铁发生吸氧腐蚀时，铁作负极被氧化的电极反应式是Fe-3e-=Fe3+。()分析：铁在腐蚀时生成的是Fe2+，钢铁发生吸氧腐蚀的负极反应式是Fe-2e-=Fe2+。,(4)(2012广东高考)自行车钢架生锈主要是电化学腐蚀所致。()分析：自行车钢架的材料是铁碳合金，在潮湿的空气中易形成原电池，所以自行车钢架生锈主要是电化学腐蚀。,【案例探究】某学生在A、B、C、D四只小烧瓶中分别放入干燥的细铁丝、浸过食盐水的细铁丝、浸过清水的细铁丝、食盐水及细铁丝，并使细铁丝完全浸没在食盐水中，然后装配成如图所示的四套装置，每隔一段时间测量导管中水面上升的高度，结果如下表(表中所列数据为导管中水面上升的高度/cm)所示。,不同时间水面上升的高度：,请思考回答下列问题：(1)导管中水面为什么会上升？提示：铁生锈时消耗氧气，使瓶内压强降低，导管内的水面上升。(2)上述实验中，铁生锈的速率由大到小的排列顺序如何？提示：由表内的数据可以看出，B中导管内的水面上升最快，其次是C，而A和D中液面不上升。所以铁生锈的速率由大到小的排列顺序为BCA=D。,(3)根据上述实验分析，影响铁生锈的因素有哪些？提示：根据实验可知，铁生锈是水、氧气、铁共同作用的结果，三者同时具备时，有盐溶液时铁生锈速度最快。(4)该实验的原理是什么？提示：铁发生吸氧腐蚀，与氧气发生氧化还原反应。,【探究归纳】金属电化学腐蚀的条件1.金属处于潮湿的空气中，或表面接触电解质溶液。2.金属不纯净，或与可导电物质接触。3.金属与其他电极、电解质溶液形成原电池。,【探究体验】某校活动小组为探究金属腐蚀的相关原理，设计了如下图a所示装置，图a的铁棒末段分别连上一块Zn片和Cu片，并静置于含有K3Fe(CN)6及酚酞的混合凝胶上。一段时间后发现凝胶的某些区域(如下图b示)发生了变化，已知Fe2+可用K3Fe(CN)6来检验(呈蓝色)。则下列说法不正确的是(),A.甲区呈现红色B.乙区产生Zn2+C.丙区发生的电极反应式：Cu-2e-=Cu2+D.丁区呈现蓝色,【解析】选C。图中，Zn和Fe构成原电池，Zn为负极失电子产生Zn2+，Fe为正极，根据金属腐蚀原理，发生反应为O2+2H2O+4e-=4OH-，故A、B正确；Fe和Cu构成原电池，Fe为负极，失电子产生Fe2+，Cu为正极，发生的反应为O2+2H2O+4e-=4OH-，故C错，D正确。,【巩固训练】如图，向还原铁粉中加入少量的炭粉，混合均匀后，撒入内壁用NaCl溶液润湿过的一支试管中，塞紧橡皮塞。几分钟后，打开止水夹，观察到导管中水柱上升。对此过程所作的分析正确的是()A.铁粉在电化学腐蚀过程中作正极B.炭粉被氧化C.发生了吸氧腐蚀D.发生了析氢腐蚀,【解析】选C。试管中铁粉、炭粉和NaCl溶液形成原电池，铁粉发生电化学腐蚀，铁为负极，发生氧化反应，炭为正极发生还原反应，故A、B错；电解质溶液显中性，铁发生吸氧腐蚀，故C正确，D错。,
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