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第四章 化学反应与能量
第三节 金属的腐蚀与防护
教学目标
1、教学目标
1) 通过查阅金属腐蚀的资料等活动，认识金属腐蚀的严重性及危害；能运用电化学原理解释金属腐蚀的现象，进一步增强社会责任。
2) 通过钢铁腐蚀的实验，了解金属腐蚀的本质；能书写钢铁腐蚀的电极反应及总反应；能根据电化学原理选择并设计金属防护的措施。
2、教学重点和难点
1) 重点：金属的电化学腐蚀及电化学防护原理。
2) 难点：金属发生吸氧腐蚀的原理。
新课导入
金属的腐蚀在生活中非常普遍
铁锈: Fe2O3 . nH2O
金属的腐蚀
1、金属的腐蚀
概 念
特 征
本 质
分 类
危 害
金属或合金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。
金属被腐蚀后，在外形、色泽及机械性能等方面会发生变化
金属失电子变为金属阳离子，即：M﹣ne ＝ Mn+
依据与金属或合金接触的气体或液体不同，金属腐蚀一般可分为化学腐蚀和电化学腐蚀两大类。
金属被腐蚀后会使机器设备、仪器、仪表的精度和灵敏度降低，直至报废。金属腐蚀还会使桥梁、建筑物的金属构架强度降低而造成坍塌，会使地下金属管道发生泄漏、轮船船体损坏等，造成经济损失。
金属的腐蚀
2、化学腐蚀与电化学腐蚀的比较
概 念
条 件
现 象
化学腐蚀
电化学腐蚀
本 质
影响
因素
金属与其表面接触的一些物质 (如O2、Cl2、SO2等)直接发生化学反应而引起的腐蚀
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
金属或合金与
氧化剂直接接触
不纯的金属或合金与电解质溶液接触
无电流产生
有微弱电流产生
金属被氧化而腐蚀
较活泼金属被氧化而腐蚀
与氧化剂的氧化性及温度等有关
与电解质溶液的酸碱性及金属活动性有关
金属的腐蚀
2、化学腐蚀与电化学腐蚀的比较
示 例
联 系
化学腐蚀
电化学腐蚀
铁与氯气直接反应而腐蚀；输油、输气的钢管被原油、天然气中的含硫化合物腐蚀
钢铁制品在潮湿的空气中锈蚀是电化学腐蚀的典型例子
金属腐蚀的过程中电化学腐蚀和化学腐蚀往往同时发生，但绝大多数属于电化学腐蚀(多数金属不是纯金属)，且电化学腐蚀速率比化学腐蚀速率大得多。
金属的腐蚀
3、钢铁的电化学腐蚀
生活小常识：钢铁在干燥的空气里长时间不易被腐蚀，但在潮湿的空气里却很快被腐蚀，这是什么原因呢？
化学原理：在潮湿的空气中，钢铁制品表面会形成一薄层水膜，空气中的CO2、SO2、H2S等物质溶解在其中形成电解质溶液，并与钢铁制品中的Fe和少量单质碳在水膜的覆盖下构成许许多多微小的原电池。
温馨提示：由于环境的不同，水膜中H＋浓度和O2浓度也不相同，钢铁的电化学腐蚀分为析氢腐蚀和吸氧腐蚀。
金属的腐蚀
3、钢铁的电化学腐蚀
1) 析氢腐蚀：
当电解质溶液酸性较强时(pH≤4.3)，腐蚀过程中有氢气放出。
负 极:
正 极:
总反应:
Fe 2e ＝ Fe2+
2H+ + 2e ＝ H2↑
Fe + 2H+ ＝ Fe2+ + H2↑
解释：水膜中的H＋在正极得电子后放出H2，水膜中的水不断电离，OH 浓度升高并向整个水膜扩散，与此同时Fe2＋被空气中的O2氧化为Fe3＋ ( 4Fe2＋＋O2＋4H＋＝4Fe3＋＋2H2O )；Fe3＋和OH 结合成Fe(OH)3。Fe(OH)3失去部分水生成铁锈 (主要成分为Fe2O3·xH2O)。
金属的腐蚀
3、钢铁的电化学腐蚀
2) 吸氧腐蚀：
水膜的酸性很弱或呈中性，水中溶解的O2比H＋更容易得到电子，此时将发生吸氧腐蚀。
负 极:
正 极:
总反应:
Fe 2e ＝ Fe2+
O2+2H2O+4e ＝4OH
2Fe+O2+2H2O＝2Fe(OH)2
解释：Fe(OH)2继续被O2氧化
4Fe(OH)2＋O2＋2H2O＝4Fe(OH)3
Fe(OH)3失去部分水生成铁锈(Fe2O3·xH2O)
金属的腐蚀
3、钢铁的电化学腐蚀
铁锈疏松的覆盖在钢铁表面，不但不能阻止金属内部被腐蚀，反而会吸附更多的水分加速钢铁腐蚀。实际上钢铁在空气中的腐蚀是析氢腐蚀和吸氧腐蚀综合作用的结果。例如在生成或使用酸性气体的化工厂、实验室以及周边一些场所的铁制品主要发生的是析氢腐蚀，而日常生活中由于环境中酸性气体并不多，因而多以吸氧腐蚀为主。
金属的腐蚀
教材P108·实验4 3：电化学腐蚀实验
(1)将经过酸洗除铁锈的铁钉用饱和
食盐水浸泡一下，放入如图所示的具支
试管中。几分钟后，观察导管中水柱的
变化，解释引起这种变化的原因。
(2)取两支试管，分别放入两颗锌粒
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。
金属的腐蚀
现象
原因
分析
(1)铁钉的吸氧腐蚀实验
(2)锌的析氢腐蚀实验
教材P108·实验4 3：电化学腐蚀实验
导管中水柱上升，
铁钉表面有铁锈生成
未滴加硫酸铜溶液时，两支试管中产生气泡的速率相同；滴加硫酸铜溶液的试管内产生气泡的速率变快
Fe(负极)、C(正极)、饱和食盐水(中性)构成原电池，发生吸氧腐蚀
Zn(负)、Cu(正)、稀盐酸(酸性)构成原电池，发生析氢腐蚀
金属的腐蚀
金属腐蚀的主要原因是由于金属与周围的物质发生氧化还原反应所引起的，因此金属的防护主要从金属、与金属接触的物质及两者反应的条件等方面来确定金属防护的具体方法。
1、金属防护的原理
2、金属防护的方法
1) 改变金属材料的组成：
在金属中添加其他金属或非金属可以制成性能优异的合金。如：把铬、镍等加入普通钢中制成不锈钢，以增加钢铁的抗腐蚀能力；钛合金还具有良好的生物相溶性。
金属的防护
2、金属防护的方法
2) 在金属表面覆盖保护层
①非金属保护层：在钢铁制品的表面喷涂油漆、矿物性油脂或覆盖搪瓷、塑料等。
②金属保护层：用电镀等方法在钢铁表面镀上一层锌、锡、铬、镍等金属。
③发蓝处理：通过化学方法使钢铁部件表面生成一层致密的Fe3O4薄膜。
④钝化处理：利用阳极氧化处理铝制品，使之形成致密的氧化膜而钝化等。另外，采用离子注入、表面渗镀等方式也可形成稳定的钝化膜等。
金属的防护
2、金属防护的方法
3) 电化学保护法
金属在发生电化学腐蚀时，总是作为原电池的负极被氧化，作为正极的金属则不被腐蚀。如果能使被保护的金属作原电池的正极或电解池的阴极，则该金属就不易被腐蚀。因此电化学保护法通常可以采用“牺牲阳极法”和“外加电流法”两种阴极保护法。
金属的防护
①两种阴极保护法的比较
依 据
原 理
优缺点
牺牲阳极法
外加电流法
应 用
示意图
原电池原理
电解池原理
被保护的金属作正极，不反应被保护；活泼金属作负极，发生反应被腐蚀。
被保护的金属作阴极，惰性电极作为辅助阳极，在外加直流电的作用下使阴极得到保护。
需定期检查、更换电极
无需更换电极，但消耗电能
锅炉内壁、船舶的外壳等
保护土壤、海水中的金属设备
金属的防护
教材P110·实验4 4：牺牲阳极法的两个实验
(1)以Fe作保护极，Zn作辅助电极，以经过酸化的3% NaCl溶液作电解质溶液，按图所示连接装置。观察电流表指针的变化，以及烧杯中两个电极附近发生的现象。过一段时间，用胶头滴管从Fe电极区域取少量溶液于试管中，再向试管中滴入2滴K3[Fe(CN)6](铁氰化钾)溶液，观察试管中溶液颜色的变化。
资料卡片：Fe2＋的检验
Fe2＋与K3Fe(CN)6溶液(黄色)反应生成KFe[Fe(CN)6](蓝色)沉淀
Fe2＋＋K＋＋Fe(CN)63 ＝KFe[Fe(CN)6]↓
金属的防护
教材P110·实验4 4：牺牲阳极法的两个实验
(1)以Fe作保护极，Zn作辅助电极，以经过酸化的3% NaCl溶液作电解质溶液，按图所示连接装置。观察电流表指针的变化，以及烧杯中两个电极附近发生的现象。过一段时间，用胶头滴管从Fe电极区域取少量溶液于试管中，再向试管中滴入2滴K3[Fe(CN)6](铁氰化钾)溶液，观察试管中溶液颜色的变化。
实验
现象
实验结论
电流表指针发生偏转；Zn电极逐渐溶解；Fe电极无明显现象；试管内不显特征蓝色
Fe、Zn、3%NaCl溶液构成原电池；该装置中铁未被腐蚀
金属的防护
教材P110·实验4 4：牺牲阳极法的两个实验
(2)将1 g琼脂加入250 mL烧杯中，再加入50 mL饱和食盐水和150mL水。搅拌、加热煮沸，使琼脂溶解。稍冷后，趁热把琼脂溶液分别倒入两个培养皿中，各滴入5 ~ 6滴酚酞溶液和K3[Fe(CN)6溶液，混合均匀。取两个2~3cm长的铁钉，用砂纸擦光。如图a所示，将裹有锌皮的铁钉放入上述的一个培养皿中；如图b所示，将缠有铜丝的铁钉放入另一个培养皿中。观察并解释实验现象。
(a)
(b)
金属的防护
教材P110·实验4 4：牺牲阳极法的两个实验
(a)
(b)
实验
操作
实验
现象
有关
反应
实验
结论
锌皮处琼脂溶液颜色无变化；
铁钉处琼脂溶液逐渐变红
铜丝处琼脂溶液变红；
铁钉处出现蓝色
Zn﹣2e ＝ Zn2＋
O2+2H2O+4e ＝4OH
Fe﹣2e ＝ Fe2＋
O2+2H2O+4e ＝4OH
Fe、Zn和NaCl溶液构成原电池；Zn被腐蚀， Fe被保护
Fe、Cu和NaCl溶液构成原电池； Fe被腐蚀， Cu被保护
金属的防护
练、下图是实验室研究海水对铁闸不同部位腐蚀情况的剖面示意图。
(1)该电化学腐蚀称为___________
(2)图中A、B、C、D四个区域，生成铁锈
最多的是____(填字母)
(3)以锌为负极，采用牺牲阳极的阴极保
护法防止铁闸的腐蚀，图中锌块的固定
位置最好应在____处(填字母)
吸氧腐蚀
B
C
金属的防护
练、下列各情况下Fe片腐蚀由快到慢的顺序是_____________
⑤②①③④
金属腐蚀的快慢
1、同一金属在相同电解质溶液中：
电解池阳极＞原电池负极＞化学腐蚀＞原电池正极＞电解池阴极
2、同一金属在不同电解质溶液中：
强电解质溶液＞弱电解质溶液＞非电解质溶液
3、与构成微电池两极材料：活动性差别越大，活泼金属被腐蚀的速率越快
谢谢

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