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第四节金属的电化学腐蚀与防护课前预习导学目标导航学习目标重点难点1.能解释金属发生电化学腐蚀的原因,认识金属腐蚀的危害,通过实验探究防止金属腐蚀的措施;2.查阅资料并交流:防止钢铁腐蚀的方法1.知道金属腐蚀的两种类型(化学腐蚀和电化学腐蚀);2.能解释金属发生电化学腐蚀的原因,认识金属腐蚀的危害,了解防止钢铁腐蚀的方法预习导引1.金属的电化学腐蚀(1)金属腐蚀①定义:是指金属或合金跟接触的气体或液体发生氧化还原反应而腐蚀损耗的过程。②本质:M-ne-Mn+(氧化反应)。③类型:化学腐蚀——直接反应;电化学腐蚀——原电池反应。(2)化学腐蚀①定义:金属与接触到的干燥气体(如O2、Cl2、SO2等)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。如:钢管被原油中的含硫化合物腐蚀。②影响因素:a.与接触物质的氧化性有关;b.温度越高,化学腐蚀越快。(3)电化学腐蚀①定义:不纯的金属跟电解质溶液接触时,会发生原电池反应,比较活泼的金属失去电子而被氧化。如铁在潮湿的空气中生锈。②钢铁电化学腐蚀类型:析氢腐蚀和吸氧腐蚀。预习交流1(1)生活中你所了解的金属腐蚀有哪些?答案:铁生锈、铜长出铜绿、铝锅出现白色的斑点等。(2)在潮湿的空气中钢铁发生吸氧腐蚀的条件是如何形成的?答案:在潮湿的空气里,钢铁表面吸附了一层薄薄的水膜,这层水膜里含有少量H+和OH-,还溶解了氧气等气体,结果在钢铁表面形成了一层电解质溶液,它跟钢铁里的铁和少量的碳恰好形成无数微小的原电池。2.金属的电化学防护(1)金属防护的基本思路是:①防止金属与周围环境中的气体或液体物质直接接触;②防止金属形成原电池。(2)金属防护的常用方法①改变金属的内部结构,使金属性质改变,成为耐腐蚀金属,如制成不锈钢等。②加保护层,如采用喷油漆、涂油脂、电镀、喷镀或表面钝化等方法使金属与空气、水等物质隔离,以防金属氧化腐蚀。③电化学防腐蚀a.牺牲阳极的阴极保护法:这种方法通常是在被保护的钢铁设备(如锅炉内壁、船体外壳等)上装上若干镁合金或锌块,作原电池的负极,不断遭受腐蚀,定期拆换;而作为正极的钢铁设备被保护了下来。b.外加电流的阴极保护法:这种方法是将被保护的钢铁设备(如钢闸门)作为阴极,用惰性电极作为辅助阳极,两者均存在于电解质溶液里,接上外加直流电源。通电后,电子被强制流向被保护的钢铁设备,使钢铁表面产生负电荷的积累,从而起到保护作用。预习交流2请同学们列举一些日常生活中保护金属的例子。答案:①改变金属的内部结构,制成不锈钢;②在金属表面覆盖保护层,如喷漆、涂油、电镀等。课堂合作探究问题导学1.金属的腐蚀活动与探究1请你从化学腐蚀和电化学腐蚀产生的条件、现象、本质及相互联系四个方面比较两种腐蚀的异同。答案:化学腐蚀电化学腐蚀条件金属与氧化剂直接接触不纯金属或合金与电解质溶液接触现象无电流产生有微弱电流产生本质金属被氧化的过程较活泼金属被氧化的过程相互联系化学腐蚀和电化学腐蚀往往同时发生迁移与应用下列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-ne-Mn+(M表示金属)而被氧化B.金属发生电化学腐蚀一定是在酸性环境中C.镀锌铁发生电化学腐蚀时是锌被腐蚀,而铁一定不会被腐蚀D.金属发生电化学腐蚀时是较活泼金属作负极先被腐蚀解析:金属的电化学腐蚀也可以在中性或碱性环境下进行;镀锌铁中锌若被腐蚀完,Fe也可继续被腐蚀,而且实际上锌被腐蚀后露出的铁也会被空气、水所腐蚀(即铁的吸氧腐蚀)。答案:AD1.金属腐蚀的实质是:金属原子失去电子而被氧化的过程,用方程式表示(M代表金属)为:M-ne-Mn+。2.化学腐蚀与电化学腐蚀往往同时发生,但电化学腐蚀更普遍,危害更严重。2.钢铁的析氢腐蚀和吸氧腐蚀活动与探究2对比钢铁析氢腐蚀和吸氧腐蚀的区别和联系,填写下表中的空白。分类析氢腐蚀吸氧腐蚀条件水膜酸性较强(弱酸)水膜酸性较弱或呈中性负极反应Fe-2e-Fe2+2Fe-4e-2Fe2+正极反应2H++2e-H2↑2H2O+O2+4e-4OH-总反应Fe+2H+Fe2++H2↑2Fe+2H2O+O22Fe(OH)24Fe(OH)2+2H2O+O24Fe(OH)3续表危害次要主要电子如何流动形成回路Fe失去2e-,成为Fe2+进入溶液,Fe2+向C极移动,Fe失去的电子流入C极,H+趋向于C极,与C极上的电子结合成H2析出溶液Fe失去电子成为Fe2+进入溶液,Fe2+向C极移动,Fe失去的电子流入C极,在C极O2获得电子成为OH-进入溶液,OH-向Fe电极移动迁移与应用铁生锈除了必须有空气及水的参与外,还受其他一些因素的影响。请解释下列有关铁生锈现象的原因。(1)相对于在内河行驶的轮船来说,海轮更容易被腐蚀。答案:海轮更容易被腐蚀,是因为海水中含有较多的氯化钠等盐类,导电能力比内河的水更强,而在电解质溶液中,电化学腐蚀更易进行。(2)1910年遗留在南极的食品罐头盒,其表面至今很少有铁锈出现。答案:由于南极的温度常年在0℃以下,说明在较高温度下,腐蚀更易进行。(3)用于连接铜板的铁螺丝容易生锈。答案:由于铁与铜及空气中的水蒸气构成了原电池,铁作电池的负极,因此更容易腐蚀而生锈。(4)当化工厂排出的废气为酸性气体时,工厂附近的铁制品容易生锈。答案:因为铁制品在酸性条件下比在中性条件下更易被腐蚀。析氢腐蚀和吸氧腐蚀1.由于在通常情况下,金属表面不会遇到酸性较强的溶液,所以吸氧腐蚀是金属腐蚀的主要形式。2.电化学腐蚀中吸氧腐蚀比析氢腐蚀更普遍,在金属活动顺序中位于氢前面和氢之后的金属都能发生吸氧腐蚀,但只有在金属活动顺序中位于氢前面的金属才可能发生析氢腐蚀。3.金属的电化学保护活动与探究3(1)讨论牺牲阳极的阴极保护法与外加电流的阴极保护法的原理,利用对比法填写下表空白。电化学防护牺牲阳极的阴极保护法外加电流的阴极保护法依据原电池原理电解池原理原理形成原电池时,被保护金属作正极(阴极),不反应,受到保护;活泼金属作负极(阳极),发生反应,受到腐蚀。(负极)阳极金属要定期予以更换将被保护金属与另一附加电极作为电解池的两个极,使被保护金属作阴极,在外加直流电的作用下使阴极得到保护应用一些钢铁设备如锅炉内壁、船体外壳等装上镁合金或锌块土壤、海水及水中的金属设备续表实例示意图(2)试管中盛放饱和食盐水。讨论下图几种情况下,铁腐蚀由快到慢的顺序是(试管中的液体均为水)。解析:(1)中铁是吸氧腐蚀;(2)中铁与锌构成原电池,铁作正极受到了保护,腐蚀速度较慢;(3)中形成原电池,铁作负极,腐蚀的速率比(4)慢;(4)构成了电解池并且铁作阳极,铁受到的腐蚀最快;(5)构成了电解池并且铁作阴极,受到了保护,腐蚀最慢。答案:(4)(3)(1)(2)(5)迁移与应用结合下图判断,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中分别均有气泡产生解析:原电池正极一般被保护,A正确;Ⅰ中铁作正极,B错误;Ⅱ中溶液显酸性,所以电极反应为2H++2e-H2↑,C错误;Ⅰ中发生吸氧腐蚀,一定无气泡产生,D错误。答案:A金属腐蚀的快慢及判断方法1.不同情况下,金属腐蚀的快慢情况为:电解原理引起的腐蚀原电池原理引起的腐蚀化学腐蚀有保护措施的腐蚀,即电解池的阳极原电池的负极一般化学腐蚀原电池的正极电解池的阴极。2.对同一种金属来讲,其腐蚀快慢取决于与它接触的物质,即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形成原电池而造成的腐蚀:两金属的活泼性差异越大,较活泼的金属腐蚀得越快。4.对同一种电解质溶液来说,电解质溶液浓度越大,金属腐蚀越快。当堂检测1.下列事实与电化学腐蚀无关的是()A.光亮的自行车钢圈不易生锈B.黄铜(CuZn合金)制的铜锣不易产生铜绿C.铜、铝电线一般不连接起来作导线D.生铁比熟铁(几乎是纯铁)容易生锈解析:自行车钢圈是由于在钢圈表面镀了一层铬,与电化学无关;黄铜中,锌比铜活泼,二者构成原电池,锌失电子,这样可以保护铜不被氧化;铜、铝导线若连接起来与表面溶液构成原电池,铝比铜活泼,铝失电子被氧化,就会造成断路;生铁中含有杂质碳,碳、铁、水膜构成无数个微小的原电池,使得铁不断被腐蚀。答案:A2.铜板上铁铆钉处的吸氧腐蚀原理如图所示:下列有关说法中,不正确的是()A.负极电极反应为:Fe-3e-Fe3+B.此过程中还涉及反应:4Fe(OH)2+2H2O+O24Fe(OH)3C.此过程中铜并不被腐蚀D.此过程中电子从Fe移向Cu解析:铜板和铁铆钉构成原电池,发生吸氧腐蚀时铁作负极,其电极反应为:Fe-2e-Fe2+,故A错误。答案:A3.下列各容器中盛有海水,铁在其中被腐蚀时,由快到慢的顺序是()A.421356B.462135C.542316D.635241解析:铁被腐蚀由快到慢顺序:电解池的阳极(4)原电池的负极(2与6)吸氧腐蚀(1)原电池的正极(3)电解池的阴极(5),故选B。答案:B4.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:铁在潮湿的空气中容易发生电化学腐蚀而生锈。答案:B5.炒过菜的铁锅未及时洗净(菜的残液中含NaCl),第二天铁锅便出现红棕色锈斑(Fe2O3·xH2O)。请完成下列问题:(1)该腐蚀属于腐蚀(填“化学”或“电化学”)。(2)正极的电极反应是。(3)用电极反应、离子反应、化学反应方程式表示铁锈的形成过程。解析:铁锅中含杂质碳,在NaCl残液中与Fe形成了原电池,发生了电化学腐蚀,Fe失去电子生成了Fe2+,O2得电子生成了OH-,两者生成Fe(OH)2,后被氧化成Fe(OH)3,最后转化为铁锈斑。答案:(1)电化学(2)2H2O+O2+4e-4OH-(3)负极:Fe-2e-Fe2+,正极:2H2O+O2+4e-4OH-;离子反应式:Fe2++2OH-Fe(OH)2;化学方程式:4Fe(OH)2+O2+2H2O4Fe(OH)3,2Fe(OH)3Fe2O3·xH2O+(3-x)H2O6.如图所示水槽中试管内有一枚铁钉,放置数天后观察:(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,正极反应为。(3)若试管内液面下降,则原溶液呈性,发生腐蚀,正极反应为。答案:(1)电化学(2)弱酸性或中吸氧O2+2H2O+4e-4OH-(3)较强的酸析氢2H++2e-H2↑