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专题1 化学反应与能量变化
第三单元 金属的腐蚀与防护
1.3 金属的腐蚀与防护
核心素养目标
科学态度与社会责任：
认识电解技术在金属冶炼、电镀防腐等领域的重要应用，理解化学对工业技术进步的推动作用。
证据推理与模型认知：
通过对比原电池与电解池的能量转化差异，建立 “氧化还原反应 — 电能与化学能转化” 的分析模型。
宏观辨识与微观探析：
通过分析电解熔融氯化钠、电解氯化铜溶液等案例，理解电解过程中阴阳离子的放电顺序与电极材料的关系，形成 “物质性质 — 电解条件 — 产物判断” 的系统思维。
教学重难点
重点
电极名称与电源的连接方式、电子和离子的移动方向、电极反应类型。
常见阴阳离子的放电顺序及应用。
根据电解对象和放电顺序，正确书写电极反应式及总反应式。
难点
混合电解质溶液的电解顺序及产物判断，涉及离子浓度对放电顺序的影响。
根据电解产物，分析需要补充的物质，理解元素守恒与溶液平衡。
如电镀池与金属腐蚀的原理对比，避免概念混淆。
课前导入
你是否想过手机芯片中的高纯硅如何制备？航天火箭的燃料氢气怎样高效生产？这些都离不开电解池的神奇魔力！1807 年，戴维通过电解熔融苛性钠制得金属钠，开创了电解法制备金属的先河。如今，电解技术已渗透到工业生产的方方面面 —— 从电解食盐水制烧碱，到电解精炼铜提纯金属，电解池如同 “物质转化的魔术师”，将电能转化为化学能，实现非自发反应的发生。
今天，我们将走进电解池的微观世界，从电子流动到离子迁移，解密电解原理如何让 “不可能” 的反应变为现实，甚至尝试设计一个 “电解小实验”，体验电能如何 “雕刻” 物质的神奇过程！
01
金属的电化学腐蚀
寻找防止金属腐蚀的意义
在生产和生活中，金属腐蚀所带来的损失非常严重。金属生产设备的腐蚀损坏会导致工厂停产，金属腐蚀还会使钢结构桥梁、建筑物等损坏甚至坍塌，地下金属管道会因腐蚀而泄漏，金属船体会因腐蚀而损坏，许多场所的金属腐蚀还会造成火灾、爆炸等严重后果。 据报道，全世界每年因金属腐蚀造成的直接经济损失约占各国国内生产总值（GDP）的2%~4%，我国2014年因金属腐蚀所造成的年损失总和约2万亿人民币，是当年台风、地震、干旱、洪水等各种自然灾害造成损失总和的4~6 倍。因此，了解金属腐蚀的原因，寻求防止金属腐蚀的方法和措施，具有十分重要的意义。
钢铁的腐蚀
金属的腐蚀
→概念：
金属或合金与周围环境中的物质发生化学反应而腐蚀损耗的现象叫做金属的腐蚀。
→金属腐蚀的分类：
金属的腐蚀可分为化学腐蚀和电化学腐蚀两种。
①化学腐蚀：金属与其他物质直接接触发生氧化还原反应而引起的腐蚀。
②电化学腐蚀：不纯的金属或合金发生原电池反应，使较活泼的金属失去电子而引起的腐蚀。
在现实生活中，电化学腐蚀现象比化学腐蚀现象严重得多。
钢铁的电化学腐蚀
向铁粉中加入少量炭粉，混合均匀后，撒入内壁分别用氯化钠溶液和稀醋酸润湿过的两支具支试管（分别标记为 a、b）中，按图组装好仪器。几分钟后，打开止水夹，观察、比较导管中水柱（在水中滴加几滴红墨水）的变化和试管中的现象，思考下列问题：
1. 向铁粉中加入炭粉的作用是什么？
2. 两个实验的现象有何差异？产生差异的可能原因是什么？
铁的腐蚀实验
实验现象与结论
→实验现象：
两支具支试管中都有红褐色铁锈产生。
a装置中的导管内稀红墨水水柱上升，水柱液面高于小试管中的液面，甚至有少量稀红墨水流到a装置的具支试管中。
b装置中部分铁粉溶解，导管内稀红墨水水柱下降，水柱液面低于小试管中的液面，甚至有少量气泡从导管口冒出
→实验结论：
a装置的具支试管中气体压强碱性，b装置的具支试管中气体压强增大，这是铁在两种不同的条件下发生不同的电化学腐蚀引起的。
钢铁的吸氧腐蚀
通常情况下，在潮湿的空气中，钢铁表面凝结了一层溶有氧气的水膜，将会发生吸氧腐蚀。
负极反应式：2Fe - 4e-=2Fe2+；
正极反应式：O2 + 2H2O + 4e- = 4OH-。
总反应式：2Fe+O2+2H2O=2Fe(OH)2。
Fe(OH)2被进一步氧化成Fe(OH)3:4Fe(OH)2+2H2O+O2=4Fe(OH)3，Fe(OH)3部分脱水生成Fe2O3·nH2O，是铁锈的主要成分。
钢铁的析氢腐蚀
当钢铁表面的电解质溶液酸性较强时，腐蚀过程中有H2放出。其中，Fe是负极，C是正极。
负极反应式：Fe - 2e-= Fe2+；
正极反应式：2H＋＋2e－=H2↑。
总反应式：Fe+2H+=Fe2++H2↑。
随着氢气的析出，溶液的pH上升，最终形成铁锈。
金属腐蚀快慢的判断方法
(1)在同一电解质溶液中，
同一种金属腐蚀由快到慢的顺序为电解池的阳极＞原电池的负极＞化学腐蚀＞原电池的正极>电解池的阴极。
(2)同一种金属在不同介质中
腐蚀由快到慢的顺序为强电解质溶液＞弱电解质溶液＞非电解质溶液。
(3)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。
(4)金属活动性差别越大，活泼性强的金属腐蚀越快。
钢铁的析氢腐蚀与吸氧腐蚀比较
电化学腐蚀类型 析氢腐蚀 吸氧腐蚀
条件 水膜酸性较强(pH≤4.3) 水膜酸性很弱或中性
电极反应 负极 Fe-2e-=Fe2+ 正极 2H++2e-=H2↑ O2+2H2O+4e-=4OH-
总反应 Fe+2H+=Fe2++H2↑ 2Fe+O2+2H2O=2Fe(OH)2
其他反应 4Fe(OH)2+O2+2H2O=4Fe(OH)3; 2Fe(OH)3=Fe2O3·nH2O+(3-n)H2O 电子如何流动 形成通路 Fe失e-成为Fe2+进入溶液,Fe失去的e-流入碳极;H+移向碳极,与碳极上的e-结合成H2析出溶液 Fe失e-成为Fe2+进入溶液,Fe失去的e-流入碳极,O2在碳极获得e-成为OH-进入溶液
联系 通常两种腐蚀同时存在,但后者更普遍 钢铁腐蚀类型判断的易错点
(1)无论是吸氧腐蚀还是析氢腐蚀，作为负极的铁都被氧化成Fe2＋而不是Fe3＋。金属腐蚀主要是电化学腐蚀。
(2)由于通常情况下，金属表面不会遇到酸性较强的溶液，所以金属腐蚀的主要形式是电化学腐蚀中的吸氧腐蚀，而且析氢腐蚀最终也会被吸氧腐蚀代替。
(3)金属活动性顺序中位于氢前和氢后的金属都能发生吸氧腐蚀，但只有在氢前的金属才会发生析氢腐蚀。
(4)原电池的负极被腐蚀，正极被保护；电解池的阳极被腐蚀，阴极被保护。
思考讨论
铁生锈除了必须有空气及水的参与之外，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。
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。
海轮更容易被腐蚀：海水中含有大量盐分（如 NaCl 等），盐溶于水形成电解质溶液，能加快铁的电化学腐蚀（原电池反应），内河水中盐分少，所以海轮比内河轮船更易被腐蚀 。
南极罐头盒少铁锈：南极地区气候寒冷、干燥，湿度极低，缺乏铁生锈必要条件（水膜），且温度低也减慢反应速率，所以很少生锈 。
思考讨论
3. 用于固定铜板的铁螺丝容易生锈。
4. 当化工厂排出的废气为酸性时，工厂附近的铁制品容易生锈。
铁螺丝易生锈：铁和铜活泼性不同，在潮湿环境中形成原电池，铁作负极（更易失电子），加速了铁的氧化腐蚀，所以易生锈 。
酸性废气区铁易生锈：酸性废气溶于水形成酸性溶液，酸性环境会加快铁的腐蚀（氢离子参与反应，促进铁失电子），使铁制品更易生锈 。
02
金属的电化学防护
金属的防护原理与方法
→金属防护原理：金属的防护就是防止(或减少)金属的腐蚀,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考虑。
→金属防护的措施：
(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Cr、Ni等加入普通钢中制成不锈钢等。
(2)在金属表面覆盖保护层
①改变电解质溶液为非电解质:如喷涂油漆、矿物性油脂或覆盖搪瓷、塑料等。
②用电镀等方法在钢铁表面镀上一层锌、锡、铬、镍等金属。
③用化学方法在钢铁部件表面进行发蓝处理(生成一层致密的四氧化三铁薄膜)。
④利用阳极氧化处理铝制品的表面形成致密的氧化膜而钝化。
(3)电化学保护法：利用电化学原理来保护金属，防止金属腐蚀。
牺牲阳极的阴极保护法
应用原电池原理,让被保护金属作正极,另找一种活动性较强的金属作负极。
如在被保护的钢铁设备上接锌块形成原电池,Zn作负极发生反应：Zn-2e-=Zn2+,钢铁作正极被保护,如图所示:
牺牲阳极的阴极保护法示意图
外加电流的阴极保护法
将被保护的钢铁设备作为阴极，另加惰性电极作为阳极，两者都处在电解质溶液（如海水）中，接上外加直流电源。通电后，电子流向被保护的钢铁设备，在钢铁表面积累了大量的负电荷，从而抑制钢铁失去电子，阻止钢铁被腐蚀。外加电流的阴极保护法主要用于防止土壤、海水及河水中金属设备的腐蚀。
金属腐蚀原理的合理利用
金属腐蚀每年给社会带来巨大的经济损失，为减少其危害，我们可以依据金属腐蚀的原理，寻找出更合适的方法防止金属腐蚀。如，将铝片浸入浓硫酸或浓硝酸时，铝片表面就会产生一层致密的氧化铝膜，从而阻止铝进一步被氧化，达到保护铝的效果。因此，可以用铝罐车运输冷的浓硝酸和浓硫酸。铁在 NaOH和NaNO2的混合溶液中发蓝、发黑，使铁表面形成一层致密的氧化膜，也可防止铁腐蚀。其实，合理利用金属腐蚀的原理也可以为人类的生产、生活服务，例如，印刷电路的制作、电化学刻蚀、等离子刻蚀技术等都是金属腐蚀原理在生产技术中的应用。又如，生活中常用的“暖贴”正是利用吸氧腐蚀的原理制造的。
事物的变化都有两面性，我们必须学会辩证地分析事物，在避免不利因素的同时，应用其合理的成分为人类服务。
03
课堂小结
04
课堂练习
1．下列关于金属腐蚀的叙述正确的是(　　)
A．金属被腐蚀的本质：2xM＋yO2=2MxOy
B．马口铁(镀锡铁)镀层破损后，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
C
2．如图装置中，小试管内为红墨水，具支试管内盛有pH＝4的雨水和生铁片。观察到：开始导管内液面下降，一段时间后导管内液面回升，略高于小试管液面。以下有关解释合理的是(　　)
A．生铁片中的碳是原电池的负极，发生还原反应
B．雨水酸性较强，生铁片仅发生析氢腐蚀
C．墨水回升时，碳极反应式为O2＋2H2O＋4e－===4OH－
D．具支试管中溶液c(H＋)逐渐增大
C
3．下列有关金属铁的腐蚀与防护，说法正确的是(　　)
A．在钢铁表面进行发蓝处理，生成四氧化三铁薄膜保护金属
B．当镀锡铁和镀锌铁镀层破损时，后者更易被腐蚀
C．铁与电源正极连接可实现电化学保护
D．用氧化剂使金属表面生成致密的保护膜属于电化学保护法
A
4．按下图所示的装置，用导线将电极连接起来，放置一段时间后，溶液的pH下降的是(　　)
D
感谢您的聆听

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