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第四章　化学反应与电能
第三节　金属的腐蚀与防护
目
录
知识点二　金属的防护
课时作业
知识点一　金属的腐蚀
即时演练
1.宏观辨识与微观探析:通过查阅资料和联系实际,从宏观和微观认识金属腐蚀的类型和原理。2.科学态度与社会责任:认识金属腐蚀产生的危害和影响,树立防止金属腐蚀的意识,熟知金属常用的防护方法。
核心素养发展目标
一
知识点一　金属的腐蚀
1.金属的腐蚀
(1)概念:金属或合金与周围的__________发生________反应而引起损耗的现象。其实质是金属原子____电子变为阳离子,金属发生____反应。
(2)根据与金属接触的__________不同,金属腐蚀一般可分为两类:
①化学腐蚀:金属与其表面接触的一些物质(如O2、Cl2、SO2等)直接反应而引起的腐蚀。腐蚀的速率随温度升高而____。
②电化学腐蚀:当____的金属与______溶液接触时会发生______反应,________的金属发生氧化反应而被腐蚀。
气体或液体
氧化还原
失去
氧化
气体或液体
加快
不纯
电解质
原电池
比较活泼
2.钢铁的电化学腐蚀
项目 析氢腐蚀 吸氧腐蚀
示意图
条件 水膜酸性较强 水膜酸性很弱或呈中性(溶有一定量的氧气)
负极 Fe-2e- Fe2+
正极 2H++2e- H2↑ ______________________
O2+4e-+2H2O 4OH-
项目 析氢腐蚀 吸氧腐蚀
总反应 _______________________ 2Fe+O2+2H2O 2Fe(OH)2
其他 反应 4Fe(OH)2+2H2O+O2 4Fe(OH)3,Fe(OH)3失去部分水生成Fe2O3·xH2O,它是铁锈的主要成分
相互 关系 金属的腐蚀以吸氧腐蚀为主,吸氧腐蚀比析氢腐蚀普遍
Fe+2H+ Fe2++H2↑
3.实验探究电化学腐蚀
(1)实验Ⅰ
实验操作 实验现象 实验解释
导管中 ________ 装置中铁、碳和饱和食盐水构成原电池,铁钉发生____腐蚀
液面上升
吸氧
(2)实验Ⅱ
(3)实验结论:电化学腐蚀中吸氧腐蚀更为普遍;电化学腐蚀比化学腐蚀的速率大得多。
实验操作 实验现象 实验解释
①试管中产生气泡的速率__ Zn与CuSO4反应生成Cu,Zn、Cu和稀盐酸构成______,形成______腐蚀,速率更__
快
原电池
电化学
快
正确的打“√”,错误的打“×”。
(1)所有金属纯度越大,越不易被腐蚀。 (　 　)
(2)纯银器表面变黑和钢铁表面生锈腐蚀原理一样。(　 　)
(3)钢铁发生析氢腐蚀和吸氧腐蚀的正极反应式相同。(　 　)
(4)铁的电化学腐蚀的负极反应为Fe-3e- Fe3+。(　 　)
(5)Al、Fe、Cu在潮湿的空气中腐蚀均生成氧化物。(　 　)
基础诊断
×
×
×
×
×
1.下列现象与电化学腐蚀无关的是 (　 　)
A.银制奖牌久置后表面变暗
B.铁锅炒菜后未洗净擦干容易生锈
C.“暖宝宝”撕开包装迅速发热
D.电工操作中不能将铝线和铜线接在一起
A
解析:银制奖牌久置后表面变暗是因为金属银与空气中的硫化氢反应生成了硫化银,银转化为硫化银的反应属于化学腐蚀;铁锅炒菜后未洗净擦干容易生锈是因为铁、碳在电解质溶液中构成了原电池,铁作原电池的负极,发生吸氧腐蚀;“暖宝宝”撕开包装迅速发热是因为铁、碳在NaCl溶液中构成了原电池,铁作原电池的负极,发生吸氧腐蚀而放出热量;铜、铝在潮湿的空气中能构成原电池,铝作原电池的负极被损耗,所以不能将铝线和铜线接在一起。故选A。
2.还原铁粉、氯化钠、炭粉组成的脱氧剂,可以用于糕点等食品的保存,其脱氧原理与铁的吸氧腐蚀相同。下列分析正确的是 (　 　)
A.脱氧过程中炭粉作正极,电极反应式为2H2O+O2+4e- 4OH-
B.脱氧过程中铁作负极,电极反应式为Fe-3e- Fe3+
C.脱氧原理为反应吸热,可以降低温度,从而延长糕点保质期
D.含有1.12 g铁粉的脱氧剂,理论上最多能吸收O2 224 mL(标准状况)
A
解析:脱氧过程中炭粉作正极,电极反应式为2H2O+O2+4e- 4OH-,与吸氧腐蚀的正极反应一致,A正确;脱氧过程中铁作负极,但电极反应应为Fe-2e- Fe2+(吸氧腐蚀中铁被氧化为+2价),B错误;脱氧原理为原电池反应,属于放热反应,C错误;1.12 g铁粉的物质的量为0.02 mol,若铁最终被氧化为Fe3+,失去0.06 mol电子,对应氧气物质的量为 mol=0.015 mol,标准状况下体积为336 mL,D错误。
3.用如图所示装置及试剂进行铁的电化学腐蚀实验探究,测定具支锥形瓶中压强随时间变化关系以及溶解氧(DO)随时间变化关系的曲线如图。下列说法正确的是(　 　)
A.pH=6.0时,正极电极反应式为O2+2H2O+4e- 4OH-
B.整个过程中,负极电极反应式均为Fe-3e- Fe3+
C.pH=4.0时,同时发生析氢腐蚀和吸氧腐蚀
D.将铁换成铜进行实验,pH=2.0时,压强随时间变化的曲
线走势与铁基本相同
C
解析:由题图可知,pH=6.0时,锥形瓶内的溶解氧减少,以及锥形瓶内的气压减小,都说明有吸氧腐蚀发生,因此正极反应为O2+4H++4e- 2H2O,A错误;整个过程中,Fe粉和C粉构成了原电池,Fe粉作为负极,电极反应式为Fe-2e- Fe2+,B错误;若pH=4.0时只发生吸氧腐蚀,锥形瓶内的气体压强应该下降,而题图中pH=4.0时,锥形瓶内的压强几乎不变,说明Fe粉同时发生吸氧腐蚀和析氢腐蚀,C正确;pH=2.0的溶液,酸性较强,因此锥形瓶中的Fe粉发生析氢腐蚀,产生氢气,因此会导致锥形瓶内压强增大,而Cu不能发生析氢腐蚀,D错误。
金属的腐蚀类题目的解题思路
(1)正确判断金属的腐蚀是化学腐蚀还是电化学腐蚀。
(2)正确判断“介质”溶液的酸碱性是分析析氢腐蚀和吸氧腐蚀的关键。
方法规律
二
知识点二　金属的防护
1.金属防护的原理
金属防护就是防止金属的腐蚀,要解决的主要问题是使金属不被____,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考虑。
2.金属防护方法
(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,如不锈钢、钛合金等。
氧化
(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: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Fe3O4薄膜)。
④钝化处理:利用阳极氧化处理铝制品的表面,使之形成致密的氧化膜而钝化。另外,采用离子注入、表面渗镀等方式在金属表面也可以形成稳定的钝化膜。
(3)电化学保护法(阴极保护法)
方法 牺牲阳极法 外加电流法
原理 ______ ______
示 意 图
原电池
电解池
方法 牺牲阳极法 外加电流法
电极 要求 被保护的金属作为__极,活泼性更强的金属作为__极 应用____原理,通电后调整外加电压,强制____流向被保护的钢铁设备,使钢铁表面________降至零或接近零。被保护的金属作__极,用惰性电极作辅助__极
应用 锅炉的内壁、船舶的外壳等安装若干镁合金或锌块 钢铁闸门、高压线铁架、地下管道连接直流电源的负极
正
负
电解
电子
腐蚀电流
阴
阳
3.牺牲阳极法的实验探究
[实验一]如图装置反应一段时间后,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滴黄色K3[Fe(CN)6](铁氰化钾)溶液,观察实验现象。
已知Fe2+与K3[Fe(CN)6]溶液反应生成带有特征蓝色的KFe[Fe(CN)6]沉淀。
实验装置 电流表 阳极(负极区) 阴极(正极区)
现象 指针____ Zn溶解 有____产生,试管中__蓝色沉淀生成
有关反应 — ______________ ____________
结论 溶液中不含Fe2+,铁作正极未被腐蚀
偏转
气泡
无
Zn-2e- Zn2+
2H++2e- H2↑
[实验二]在两个培养皿中分别放入含有NaCl的琼脂溶液,并滴入5~6滴酚酞溶液和K3[Fe(CN)6]溶液,混合均匀。取两个2~3 cm长的铁钉,用砂纸擦光。将裹有锌皮的铁钉放入培养皿a中,缠有铜丝的铁钉放入培养皿b中。
实验 装置
现象 铁钉周围____ 铁钉周围生成________,铜丝周围____
结论 铁作负极时易被腐蚀,铁作正极时未被腐蚀
变红
蓝色沉淀
变红
正确的打“√”,错误的打“×”。
(1)牺牲阳极法利用的是电解池原理。(　 　)
(2)铁闸门可与外加电源的正极相连,起到保护作用。(　 　)
(3)铁表面镀锌可增强其抗腐蚀性。(　 　)
(4)金属作为原电池的负极或电解池的阴极时均被保护。 (　 　)
基础诊断
×
×
√
×
1.下列对几种常见的金属防腐方法的描述错误的是 (　 　)
B
选项 方法 对相应方法的描述
A 改变金属内部 的组成结构 此法实际上是将金属制成合金,增强抗腐蚀能力
B 在金属表面 覆盖保护层 保护层破损后,就完全失去了对金属的保护作用
C 外加电流法 接外加直流电源构成电解池,被保护的金属作阴极
D 牺牲阳极法 构成原电池,被保护的金属作正极
解析:若保护层金属的活动性大于被保护金属的活动性,则保护层破损后,仍然起到对金属的保护作用。
2.海水中的闸门易发生腐蚀(如图1),可以通过电化学方法对闸门进行保护(如图2)。下列说法错误的是 (　 　)
A.图1中a处在海水常在的水位附近
B.图1中发生析氢腐蚀
C.图2中,若b、c直接用导线连接,d为锌块,则为牺牲阳极法
D.图2中,若b、c外接电源,则d为惰性电极
B
解析:题图1中a处在海水常在的水位附近,此处和氧气、水接触最多,最易被锈蚀,A正确;题图1中发生吸氧腐蚀,B错误;题图2中,若b、c直接用导线连接,则d可为锌块,锌较铁活泼,作负极,可以保护铁,则为牺牲阳极法,C正确;题图2中,若b、c外接电源,则b接电源负极,闸门作阴极被保护,d为惰性电极,作阳极,D正确。
3.下列各种情况中,铁片腐蚀速率由慢到快的顺序是(　 　)
A.⑤②①③④
B.⑤①②④③
C.④②①③⑤
D.④③①②⑤
D
解析:根据题干装置图知,②③装置是原电池,在②中金属铁作负极被腐蚀,在③中金属铁作正极被保护,所以铁的腐蚀速率:②>③;④⑤装置是电解池,④中金属铁为阴极被保护,⑤中金属铁为阳极被腐蚀,即铁的腐蚀速率:⑤>④;根据电解原理引起的腐蚀>原电池原理引起的腐蚀>化学腐蚀>有防腐蚀措施的腐蚀,并且原电池的正极金属腐蚀速率大于电解池的阴极金属腐蚀速率,则铁腐蚀速率由慢到快的顺序为④③①②⑤。
金属腐蚀快慢的判断方法
(1)同一种金属在相同电解质溶液中,腐蚀快慢如下:
(2)同一种金属在相同浓度的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,活动性强的金属腐蚀越快。
方法规律
三
即时演练
D
1.金属腐蚀的现象普遍存在,金属腐蚀常常是自发进行的,下列说法正确的是 (　 　)
A.钢铁表面吸附的水膜酸性很弱或呈中性,此时主要发生析氢腐蚀
B.金属与O2直接反应引起的腐蚀称为电化学腐蚀
C.疏松的铁锈覆盖在钢铁制品表面,能阻止钢铁继续发生腐蚀
D.马铁是在薄钢板表面镀上一层锡,白铁皮是在薄钢板表面镀上一层锌,马铁破损时比白铁皮破损时腐蚀更快
解析:钢铁表面吸附的水膜酸性很弱或呈中性,此时主要发生吸氧腐蚀,A项错误;金属与O2直接反应引起的腐蚀称为化学腐蚀,B项错误;疏松的铁锈覆盖在钢铁制品表面,不能阻止钢铁继续发生腐蚀,C项错误;活动性:锌>铁>锡,故形成原电池后,锡会加速铁锈蚀,而锌会保护铁,D项正确。
2.化学小组研究金属的电化学腐蚀,实验如下:
序号 实验Ⅰ 实验Ⅱ
实验
C
下列说法错误的是 (　 　)
A.实验Ⅰ中铁钉周边出现蓝色,铜片周边略显红色
B.实验Ⅱ中铁钉周边出现红色,锌片周边未见明显变化
C.实验Ⅰ、Ⅱ均发生吸氧腐蚀,正极的电极反应式为O2+4H++4e- 2H2O
D.对比实验Ⅰ、Ⅱ可知,生活中镀锌铁板比镀铜铁板在镀层破损后更耐腐蚀
解析:实验Ⅰ中,铁更活泼,为负极,失电子生成Fe2+,遇K3[Fe(CN)6]溶液显蓝色,铜作正极,电极反应为O2+2H2O+4e- 4OH-,酚酞遇碱变红,A正确;实验Ⅱ中,铁作正极,电极反应为O2+2H2O+4e- 4OH-,酚酞遇碱变红,而锌为负极,失电子生成Zn2+,无明显现象,B正确;实验Ⅰ、Ⅱ均发生吸氧腐蚀,正极反应为O2+2H2O+4e- 4OH-,C错误;对比实验Ⅰ、Ⅱ可知,镀铜铁板在镀层破损后铁为负极,更易被腐蚀,D正确。
B
3.国产航母福建舰已经列装服役,它是采用模块制造然后焊接组装而成的,对焊接有着极高的要求。实验室模拟在海水环境和河水环境下对焊接金属材料使用的影响(如图)。下列相关描述错误的是 (　 　)
A.由图示的金属腐蚀情况说明了Sn的金属活动性弱
于Fe
B.由图示可以看出甲是在海水环境下的腐蚀情况,乙
是在河水环境下的腐蚀情况
C.两种环境下铁被腐蚀时的电极反应式均为Fe-2e- Fe2+
D.为了防止舰艇在海水中被腐蚀,可在焊点附近用锌块打“补丁”
解析:甲、乙两图中被腐蚀的都是Fe,说明Fe是负极,Sn为正极,说明金属活动性:Fe>Sn,A正确;从腐蚀程度来看,乙比较严重,因海水中含有较多的盐分,腐蚀速率比河水中快,故乙是在海水环境下的腐蚀情况,甲是在河水环境下的腐蚀情况,B错误;铁被腐蚀时电极反应式为Fe-2e- Fe2+,C正确;由于金属活动性:Zn>Fe>Sn,如果用锌块打“补丁”,则Zn作为负极被腐蚀,可以保护Fe、Sn,D正确。
4.钢铁在自然界中的腐蚀比较普遍。
(1)远洋轮船的钢铁船体在海水中易发生电化学腐蚀中的____腐蚀。为防止这种腐蚀,通常把船体与浸在海水里的锌块相连,或与像铅酸蓄电池这样的直流电源的__(填“正”或“负”)极相连。
解析:海水呈弱碱性,故轮船的钢铁船体在海水中易发生吸氧腐蚀,钢铁与外接电源负极相连,充当电解池的阴极,得到保护。
(2)若用钢铁(含Fe、C)制品盛装NaClO溶液会发生电化学腐蚀,钢铁制品表面生成红褐色沉淀,溶液会失去漂白、杀菌消毒的功效。该电化学腐蚀过程中的正极反应式为______________________________。
解析:ClO-在正极得电子生成Cl-和OH-,故正极电极反应式为ClO-+H2O+2e- 2OH-+Cl-。
吸氧
负
ClO-+H2O+2e- Cl-+2OH-
(3)利用如图装置可以模拟铁的电化学防护。若X为碳棒,为减缓铁的腐蚀,开关K应置于__处。若X为锌,开关K置于M处,该电化学防护法称为__________。
解析:若X为碳棒,则只能用外加电流法,此时K应置于N处。若X为Zn,K置于M处,其电化学防护法称为牺牲阳极法。
N
牺牲阳极法
四
课时作业28
B
1.(3分)金属腐蚀造成的损失约占国民生产总值的2%~4%。下列有关说法错误的是 (　 　)
A.改变金属的结构,可将金属制成防腐的合金
B.喷油漆、涂油脂、电镀或表面钝化是金属防护的物理方法
C.黄铜(铜锌合金)制作的铜锣不易产生铜绿与金属的电化学防护有关
D.将钢闸门连接直流电源的负极可以起到防护作用
解析:改变金属的结构,将金属制成防腐的合金可以减少金属腐蚀造成的损失,故A正确;电镀或表面钝化时,有新物质生成,属于化学方法,故B错误;黄铜(铜锌合金)制作的铜锣不易产生铜绿是因为锌的活动性强于铜,锌铜构成的原电池中锌作负极被损耗,铜作正极被保护,该保护方法为牺牲阳极法,故C正确;将钢闸门连接直流电源的负极可以起到防护作用,该保护方法为外加电流法,故D正确。
D
2.(3分)闸门由钢质材料制作,长期浸于水中,通常采用如图装置对钢闸门进行保护。下列说法不正确的是 (　 　)
A.a、b间用导线连接时,则X可以是锌
B.a、b间接入电源时,a应连在电源的负极上
C.a、b间用导线连接时,X应定期更换
D.a、b间用导线连接时,则X发生还原反应
解析:a、b间用导线连接时形成原电池,若要保护钢闸门,则X的活动性应强于铁,发生氧化反应,X可以是锌,A正确,D错误;若接入电源,则a应连在电源的负极作阴极,B正确;a、b间用导线连接时形成原电池,X被不断消耗,应定期更换,C正确。
3. (3分)在城市地下常埋有纵横交错的管道和输电线路,有些地面上还铺有铁轨,当有电流泄漏入潮湿的土壤中,并与金属管道或铁轨形成回路时,就会引起后者的腐蚀,其原理简化如图所示。下列有关说法错误的是 (　 　)
A.原理图可理解为两个串联电解装置
B.溶液中铁丝被腐蚀时,右侧Fe电极有无色气体产生
C.溶液中铁丝的左端电极反应式为Fe-2e- Fe2+
D.地下管道被腐蚀后不易被发现,维修也不便,故应将埋在地下的金属管道表面涂绝缘膜(或油漆等)
C
解析:由题图可知,左侧Fe电极与电源的正极相连为阳极,铁丝左侧为阴极,形成电解池,铁丝右侧为阳极,右侧Fe电极与电源负极相连为阴极,形成电解池,故该装置可看作两个串联的电解装置,A正确;右侧Fe电极为阴极,电极反应式为2H2O+2e- 2OH-+H2↑,有无色气体产生,B正确;铁丝左端为阴极,发生还原反应:2H2O+2e- 2OH-+H2↑,C错误;埋在地下的金属管道表面涂绝缘膜(或油漆等),可减缓金属管道的腐蚀,D正确。
C
4.(3分)用压强传感器探究生铁在pH=2和pH=4的醋酸中发生腐蚀的装置及得到的图像如图。以下结论错误的是 (　 　)
A.溶液pH≤2时,生铁发生析氢腐蚀
B.在酸性溶液中生铁有可能发生吸氧腐蚀
C.析氢腐蚀的速率比吸氧腐蚀快
D.两溶液中负极反应均为Fe-2e- Fe2+
解析:根据pH=2的溶液中压强与时间的关系知,压强随着反应的进行而逐渐增大,说明发生的是金属的析氢腐蚀,这说明当酸性较强时,即溶液pH≤2时,生铁发生析氢腐蚀,A正确;pH=4的醋酸中压强随着反应的进行而逐渐减小,说明发生吸氧腐蚀,pH=4的醋酸呈酸性,所以在酸性溶液中生铁也可能发生吸氧腐蚀,B正确;根据压强与时间关系图可知,pH=2的溶液和pH=4的溶液中,变化相同的压强时所用时间不同,前者比后者使用时间长,这说明吸氧腐蚀速率大于析氢腐蚀速率,C错误;两溶液中都发生电化学腐蚀,铁均作负极,电极反应式均为Fe-2e- Fe2+,D正确。
5.(3分)验证牺牲阳极法,实验如下(烧杯内均为经过酸化的3%NaCl溶液)。
① ② ③
在Fe表面生 成蓝色沉淀 试管内无 明显变化 试管内生成
蓝色沉淀
下列说法不正确的是 (　 　)
A.对比②③,可以判定Zn保护了Fe
B.对比①②,K3[Fe(CN)6]可能将Fe氧化
C.验证Zn保护Fe时不能用①的方法
D.将Zn换成Cu,用①的方法可判断Fe比Cu活泼
D
解析:对比②③,②Fe附近的溶液中加入K3[Fe(CN)6]溶液无明显变化,说明②Fe附近的溶液中不含Fe2+,③Fe附近的溶液中加入K3[Fe(CN)6]溶液产生蓝色沉淀,说明③Fe附近的溶液中含Fe2+,则②中Fe被保护,A项正确;①加入K3[Fe(CN)6]溶液在Fe表面产生蓝色沉淀,Fe表面产生了Fe2+,对比①②的异同,①可能是K3[Fe(CN)6]将Fe氧化成Fe2+,B项正确;①加入K3[Fe(CN)6]溶液在Fe表面产生蓝色沉淀,①检验出Fe2+,不能用①的方法验证Zn保护Fe,C项正确;由实验可知,K3[Fe(CN)6]可能将Fe氧化成Fe2+,将Zn换成Cu不能用①的方法证明Fe比Cu活泼,D项错误。
6.(15分)铁、铜等金属在生产和生活中有着广泛的应用,研究金属腐蚀和防腐的原理很有现实意义。回答下列问题:
(1)某研究性学习小组设计了如图所示装置研究铁的腐蚀,U形管内为红墨水,a、b试管内分别盛有NH4Cl溶液(显酸性)和食盐水,各加入生铁块,放置一段时间均被腐蚀。
①红墨水液柱两边的液面变为左低右高,则__(填“a”或“b”)试管内盛有食盐水。
解析:生铁在中性、弱酸性溶液中发生吸氧腐蚀,气体减少,压强变小;在酸性溶液中发生析氢腐蚀,压强变大。红墨水液柱两边的液面变为左低右高,说明压强:a>b,则a发生析氢腐蚀,a中盛有NH4Cl溶液,b发生吸氧腐蚀,b中盛有食盐水。
b
②a试管中铁发生的是____(填“析氢”或“吸氧”)腐蚀,正极电极反应式为________________。b试管中铁被腐蚀的总反应方程式为____________________________。
解析:a试管中铁在酸性溶液发生析氢腐蚀,负极:Fe-2e- Fe2+,正极: 2H++2e- H2↑;b试管中铁发生吸氧腐蚀,负极:Fe-2e- Fe2+,正极:O2+4e-+2H2O 4OH-,铁被腐蚀的总反应方程式为2Fe+O2+2H2O
2Fe(OH)2。
析氢
2H++2e- H2↑
2Fe+O2+2H2O 2Fe(OH)2
(2)用下图所示装置探究钢铁的腐蚀与防护,烧杯内液体均为饱和食盐水。
在相同条件下,四组装置中铁电极腐蚀最快的是装置__(填序号,下同);为防止金属被腐蚀,可以采用上述装置____的原理进行防护。
④
②③
解析:装置①中活动性强于铜的铁作原电池的负极被损耗;装置②中活动性强于铁的锌作原电池的负极被损耗,铁作正极被保护;装置③中与直流电源的负极相连的铁作电解池的阴极被保护;装置④中与直流电源的正极相连的铁作阳极被损耗,则在相同条件下,四组装置中铁电极腐蚀最快的是④,为防止金属铁被腐蚀,可以采用上述②③装置原理进行防护。
(3)在浓NaCl溶液中及空气存在下,矿砂中的单质银会发生吸氧腐蚀生成[AgCl2]-,再加入锌粉生成[ZnCl4]2-和纯度较高的单质银。则生成[AgCl2]-总反应的离子方程式为__________________________________ _________。
解析:NaCl溶液中,正极电极反应式为O2+2H2O+4e- 4OH-,负极电极反应式为4Ag-4e-+8Cl- 4[AgCl2]-,总反应的离子方程式为4Ag+O2+8Cl-+2H2O 4[AgCl2]-+4OH-。
4Ag+O2+8Cl-+2H2O 4[AgCl2]-+
4OH-
7.(15分)研究金属腐蚀和防护的原理很有现实意义。
(1)如图为探究钢铁的吸氧腐蚀的装置。某兴趣小组按该装置进行实验,发现导管中水柱上升缓慢,下列措施可以更快、更清晰地观察到水柱上升现象的有____(填字母)。
A.用纯氧气代替具支试管内空气
B.用酒精灯加热具支试管提高温度
C.将铁钉换成铁粉和碳粉混合粉末
AC
解析:用纯氧气代替试管内空气,反应速率加快,O2的浓度减小快,容器内气体的压强减小快,液柱上升明显;用酒精灯加热试管提高温度,水中溶解的氧气量减少,氧气的消耗量反而减少,另外,气体的体积膨胀,液柱难以上升;将铁钉换成铁粉和炭粉混合粉末,铁粉与电解质的接触面积增大,反应速率加快,氧气的消耗量增多,液柱上升明显。
(2)该小组将下图装置改进成如图装置并进行实验,导管中红墨水液柱高度随时间的变化如表所示,根据数据可判断腐蚀的速率随时间变化逐渐____(填“加快”“减慢”或“不变”)。
时间/min 1 3 5 7 9
液柱高度/cm 0.8 2.1 3.0 3.7 4.2
减慢
解析:从题表中数据变化可以看出,相同时间内液柱高度变化越来越小,则表明腐蚀的速率随时间变化逐渐减慢。
b
(3)为探究(2)题图中铁钉上a、b两点所发生的反应,进行以下实验。
根据以上实验探究,试判断__(填“a”或“b”,下同)为负极,__铁锈更多。
实验操作 实验现象
向NaCl溶液中滴加2~3滴酚酞溶液 a点附近溶液出现红色
一段时间后再滴加2~3滴K3[Fe(CN)6]溶液 b点周围出现蓝色沉淀
a
解析:该装置构成原电池,a点(正极)附近溶解氧量大,发生O2得电子生成OH-的反应,b处(负极)铁失电子生成Fe2+,由于a点附近溶解氧量大,容易将Fe(OH)2氧化为Fe(OH)3,进一步分解得到铁锈,故a点的铁锈更多。
(4)设计如下左图装置研究弱酸性环境中金属腐蚀的主要形式。测定锥形瓶内压强和空气中氧气的体积分数随时间变化如下右图所示,则t1~t2 s之间主要发生____(填“吸氧”或“析氢”)腐蚀,依据是_______________ _____________________________________。
吸氧
容器内氧气含量和压强都降低,所以主要发生吸氧腐蚀
解析:t1~t2 s之间,锥形瓶内压强、氧气体积分数随时间变化而减小,说明氧气被消耗,发生的反应为吸氧腐蚀。
(5)如图所示,将金属M连接在钢铁设施表面,可减缓水体中钢铁设施的腐蚀。材料M可以选用金属__________(写化学式),此方法叫做________法。
解析:由题图可知,采用的是牺牲阳极法保护钢铁设备,M为电子的流出极,故M极为负极,钢铁设备为正极,负极采用比铁更活泼的金属,可以是Zn或Mg。
Zn或Mg
牺牲阳极
Thank you
本课结束第三节　金属的腐蚀与防护
1.宏观辨识与微观探析:通过查阅资料和联系实际,从宏观和微观认识金属腐蚀的类型和原理。2.科学态度与社会责任:认识金属腐蚀产生的危害和影响,树立防止金属腐蚀的意识,熟知金属常用的防护方法。
知识点一　金属的腐蚀
1.金属的腐蚀
(1)概念:金属或合金与周围的气体或液体发生氧化还原反应而引起损耗的现象。其实质是金属原子失去电子变为阳离子,金属发生氧化反应。
(2)根据与金属接触的气体或液体不同,金属腐蚀一般可分为两类:
①化学腐蚀:金属与其表面接触的一些物质(如O2、Cl2、SO2等)直接反应而引起的腐蚀。腐蚀的速率随温度升高而加快。
②电化学腐蚀:当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。
2.钢铁的电化学腐蚀
项目 析氢腐蚀 吸氧腐蚀
示意图
条件 水膜酸性较强 水膜酸性很弱或呈中性(溶有一定量的氧气)
负极 Fe-2e-Fe2+
正极 2H++2e-H2↑ O2+4e-+2H2O4OH-
总反应 Fe+2H+Fe2++H2↑ 2Fe+O2+2H2O2Fe(OH)2
其他 反应 4Fe(OH)2+2H2O+O24Fe(OH)3,Fe(OH)3失去部分水生成Fe2O3·xH2O,它是铁锈的主要成分
相互 关系 金属的腐蚀以吸氧腐蚀为主,吸氧腐蚀比析氢腐蚀普遍
3.实验探究电化学腐蚀
(1)实验Ⅰ
实验操作 实验现象 实验解释
导管中 液面上升 装置中铁、碳和饱和食盐水构成原电池,铁钉发生吸氧腐蚀
(2)实验Ⅱ
实验操作 实验现象 实验解释
①试管中产生气泡的速率快 Zn与CuSO4反应生成Cu,Zn、Cu和稀盐酸构成原电池,形成电化学腐蚀,速率更快
(3)实验结论:电化学腐蚀中吸氧腐蚀更为普遍;电化学腐蚀比化学腐蚀的速率大得多。
正确的打“√”,错误的打“×”。
(1)所有金属纯度越大,越不易被腐蚀。 (　×　)
(2)纯银器表面变黑和钢铁表面生锈腐蚀原理一样。(　×　)
(3)钢铁发生析氢腐蚀和吸氧腐蚀的正极反应式相同。(　×　)
(4)铁的电化学腐蚀的负极反应为Fe-3e-Fe3+。(　×　)
(5)Al、Fe、Cu在潮湿的空气中腐蚀均生成氧化物。(　×　)
1.下列现象与电化学腐蚀无关的是 (　A　)
A.银制奖牌久置后表面变暗
B.铁锅炒菜后未洗净擦干容易生锈
C.“暖宝宝”撕开包装迅速发热
D.电工操作中不能将铝线和铜线接在一起
解析:银制奖牌久置后表面变暗是因为金属银与空气中的硫化氢反应生成了硫化银,银转化为硫化银的反应属于化学腐蚀;铁锅炒菜后未洗净擦干容易生锈是因为铁、碳在电解质溶液中构成了原电池,铁作原电池的负极,发生吸氧腐蚀;“暖宝宝”撕开包装迅速发热是因为铁、碳在NaCl溶液中构成了原电池,铁作原电池的负极,发生吸氧腐蚀而放出热量;铜、铝在潮湿的空气中能构成原电池,铝作原电池的负极被损耗,所以不能将铝线和铜线接在一起。故选A。
2.还原铁粉、氯化钠、炭粉组成的脱氧剂,可以用于糕点等食品的保存,其脱氧原理与铁的吸氧腐蚀相同。下列分析正确的是 (　A　)
A.脱氧过程中炭粉作正极,电极反应式为2H2O+O2+4e-4OH-
B.脱氧过程中铁作负极,电极反应式为Fe-3e-Fe3+
C.脱氧原理为反应吸热,可以降低温度,从而延长糕点保质期
D.含有1.12 g铁粉的脱氧剂,理论上最多能吸收O2 224 mL(标准状况)
解析:脱氧过程中炭粉作正极,电极反应式为2H2O+O2+4e-4OH-,与吸氧腐蚀的正极反应一致,A正确;脱氧过程中铁作负极,但电极反应应为Fe-2e-Fe2+(吸氧腐蚀中铁被氧化为+2价),B错误;脱氧原理为原电池反应,属于放热反应,C错误;1.12 g铁粉的物质的量为0.02 mol,若铁最终被氧化为Fe3+,失去0.06 mol电子,对应氧气物质的量为 mol=0.015 mol,标准状况下体积为336 mL,D错误。
3.用如图所示装置及试剂进行铁的电化学腐蚀实验探究,测定具支锥形瓶中压强随时间变化关系以及溶解氧(DO)随时间变化关系的曲线如图。下列说法正确的是 (　C　)
A.pH=6.0时,正极电极反应式为O2+2H2O+4e-4OH-
B.整个过程中,负极电极反应式均为Fe-3e-Fe3+
C.pH=4.0时,同时发生析氢腐蚀和吸氧腐蚀
D.将铁换成铜进行实验,pH=2.0时,压强随时间变化的曲线走势与铁基本相同
解析:由题图可知,pH=6.0时,锥形瓶内的溶解氧减少,以及锥形瓶内的气压减小,都说明有吸氧腐蚀发生,因此正极反应为O2+4H++4e-2H2O,A错误;整个过程中,Fe粉和C粉构成了原电池,Fe粉作为负极,电极反应式为Fe-2e-Fe2+,B错误;若pH=4.0时只发生吸氧腐蚀,锥形瓶内的气体压强应该下降,而题图中pH=4.0时,锥形瓶内的压强几乎不变,说明Fe粉同时发生吸氧腐蚀和析氢腐蚀,C正确;pH=2.0的溶液,酸性较强,因此锥形瓶中的Fe粉发生析氢腐蚀,产生氢气,因此会导致锥形瓶内压强增大,而Cu不能发生析氢腐蚀,D错误。
金属的腐蚀类题目的解题思路
(1)正确判断金属的腐蚀是化学腐蚀还是电化学腐蚀。
(2)正确判断“介质”溶液的酸碱性是分析析氢腐蚀和吸氧腐蚀的关键。
知识点二　金属的防护
1.金属防护的原理
金属防护就是防止金属的腐蚀,要解决的主要问题是使金属不被氧化,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考虑。
2.金属防护方法
(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,如不锈钢、钛合金等。
(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: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Fe3O4薄膜)。
④钝化处理:利用阳极氧化处理铝制品的表面,使之形成致密的氧化膜而钝化。另外,采用离子注入、表面渗镀等方式在金属表面也可以形成稳定的钝化膜。
(3)电化学保护法(阴极保护法)
方法 牺牲阳极法 外加电流法
原理 原电池 电解池
示 意 图
电极 要求 被保护的金属作为正极,活泼性更强的金属作为负极 应用电解原理,通电后调整外加电压,强制电子流向被保护的钢铁设备,使钢铁表面腐蚀电流降至零或接近零。被保护的金属作阴极,用惰性电极作辅助阳极
应用 锅炉的内壁、船舶的外壳等安装若干镁合金或锌块 钢铁闸门、高压线铁架、地下管道连接直流电源的负极
3.牺牲阳极法的实验探究
[实验一]如图装置反应一段时间后,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滴黄色K3[Fe(CN)6](铁氰化钾)溶液,观察实验现象。
已知Fe2+与K3[Fe(CN)6]溶液反应生成带有特征蓝色的KFe[Fe(CN)6]沉淀。
实验装置 电流表 阳极(负极区) 阴极(正极区)
现象 指针偏转 Zn溶解 有气泡产生,试管中无蓝色沉淀生成
有关反应 — Zn-2e-Zn2+ 2H++2e-H2↑
结论 溶液中不含Fe2+,铁作正极未被腐蚀
[实验二]在两个培养皿中分别放入含有NaCl的琼脂溶液,并滴入5~6滴酚酞溶液和K3[Fe(CN)6]溶液,混合均匀。取两个2~3 cm长的铁钉,用砂纸擦光。将裹有锌皮的铁钉放入培养皿a中,缠有铜丝的铁钉放入培养皿b中。
实验 装置
现象 铁钉周围变红 铁钉周围生成蓝色沉淀,铜丝周围变红
结论 铁作负极时易被腐蚀,铁作正极时未被腐蚀
正确的打“√”,错误的打“×”。
(1)牺牲阳极法利用的是电解池原理。(　×　)
(2)铁闸门可与外加电源的正极相连,起到保护作用。(　×　)
(3)铁表面镀锌可增强其抗腐蚀性。(　√　)
(4)金属作为原电池的负极或电解池的阴极时均被保护。 (　×　)
1.下列对几种常见的金属防腐方法的描述错误的是 (　B　)
选项 方法 对相应方法的描述
A 改变金属内部 的组成结构 此法实际上是将金属制成合金,增强抗腐蚀能力
B 在金属表面 覆盖保护层 保护层破损后,就完全失去了对金属的保护作用
C 外加电流法 接外加直流电源构成电解池,被保护的金属作阴极
D 牺牲阳极法 构成原电池,被保护的金属作正极
解析:若保护层金属的活动性大于被保护金属的活动性,则保护层破损后,仍然起到对金属的保护作用。
2.海水中的闸门易发生腐蚀(如图1),可以通过电化学方法对闸门进行保护(如图2)。下列说法错误的是 (　B　)
A.图1中a处在海水常在的水位附近
B.图1中发生析氢腐蚀
C.图2中,若b、c直接用导线连接,d为锌块,则为牺牲阳极法
D.图2中,若b、c外接电源,则d为惰性电极
解析:题图1中a处在海水常在的水位附近,此处和氧气、水接触最多,最易被锈蚀,A正确;题图1中发生吸氧腐蚀,B错误;题图2中,若b、c直接用导线连接,则d可为锌块,锌较铁活泼,作负极,可以保护铁,则为牺牲阳极法,C正确;题图2中,若b、c外接电源,则b接电源负极,闸门作阴极被保护,d为惰性电极,作阳极,D正确。
3.下列各种情况中,铁片腐蚀速率由慢到快的顺序是(　D　)
A.⑤②①③④ B.⑤①②④③
C.④②①③⑤ D.④③①②⑤
解析:根据题干装置图知,②③装置是原电池,在②中金属铁作负极被腐蚀,在③中金属铁作正极被保护,所以铁的腐蚀速率:②>③;④⑤装置是电解池,④中金属铁为阴极被保护,⑤中金属铁为阳极被腐蚀,即铁的腐蚀速率:⑤>④;根据电解原理引起的腐蚀>原电池原理引起的腐蚀>化学腐蚀>有防腐蚀措施的腐蚀,并且原电池的正极金属腐蚀速率大于电解池的阴极金属腐蚀速率,则铁腐蚀速率由慢到快的顺序为④③①②⑤。
金属腐蚀快慢的判断方法
(1)同一种金属在相同电解质溶液中,腐蚀快慢如下:
(2)同一种金属在相同浓度的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,活动性强的金属腐蚀越快。
1.金属腐蚀的现象普遍存在,金属腐蚀常常是自发进行的,下列说法正确的是 (　D　)
A.钢铁表面吸附的水膜酸性很弱或呈中性,此时主要发生析氢腐蚀
B.金属与O2直接反应引起的腐蚀称为电化学腐蚀
C.疏松的铁锈覆盖在钢铁制品表面,能阻止钢铁继续发生腐蚀
D.马铁是在薄钢板表面镀上一层锡,白铁皮是在薄钢板表面镀上一层锌,马铁破损时比白铁皮破损时腐蚀更快
解析:钢铁表面吸附的水膜酸性很弱或呈中性,此时主要发生吸氧腐蚀,A项错误;金属与O2直接反应引起的腐蚀称为化学腐蚀,B项错误;疏松的铁锈覆盖在钢铁制品表面,不能阻止钢铁继续发生腐蚀,C项错误;活动性:锌>铁>锡,故形成原电池后,锡会加速铁锈蚀,而锌会保护铁,D项正确。
2.化学小组研究金属的电化学腐蚀,实验如下:
序号 实验Ⅰ 实验Ⅱ
实验
下列说法错误的是 (　C　)
A.实验Ⅰ中铁钉周边出现蓝色,铜片周边略显红色
B.实验Ⅱ中铁钉周边出现红色,锌片周边未见明显变化
C.实验Ⅰ、Ⅱ均发生吸氧腐蚀,正极的电极反应式为O2+4H++4e-2H2O
D.对比实验Ⅰ、Ⅱ可知,生活中镀锌铁板比镀铜铁板在镀层破损后更耐腐蚀
解析:实验Ⅰ中,铁更活泼,为负极,失电子生成Fe2+,遇K3[Fe(CN)6]溶液显蓝色,铜作正极,电极反应为O2+2H2O+4e-4OH-,酚酞遇碱变红,A正确;实验Ⅱ中,铁作正极,电极反应为O2+2H2O+4e-4OH-,酚酞遇碱变红,而锌为负极,失电子生成Zn2+,无明显现象,B正确;实验Ⅰ、Ⅱ均发生吸氧腐蚀,正极反应为O2+2H2O+4e-4OH-,C错误;对比实验Ⅰ、Ⅱ可知,镀铜铁板在镀层破损后铁为负极,更易被腐蚀,D正确。
3.国产航母福建舰已经列装服役,它是采用模块制造然后焊接组装而成的,对焊接有着极高的要求。实验室模拟在海水环境和河水环境下对焊接金属材料使用的影响(如图)。下列相关描述错误的是 (　B　)
A.由图示的金属腐蚀情况说明了Sn的金属活动性弱于Fe
B.由图示可以看出甲是在海水环境下的腐蚀情况,乙是在河水环境下的腐蚀情况
C.两种环境下铁被腐蚀时的电极反应式均为Fe-2e-Fe2+
D.为了防止舰艇在海水中被腐蚀,可在焊点附近用锌块打“补丁”
解析:甲、乙两图中被腐蚀的都是Fe,说明Fe是负极,Sn为正极,说明金属活动性:Fe>Sn,A正确;从腐蚀程度来看,乙比较严重,因海水中含有较多的盐分,腐蚀速率比河水中快,故乙是在海水环境下的腐蚀情况,甲是在河水环境下的腐蚀情况,B错误;铁被腐蚀时电极反应式为Fe-2e-Fe2+,C正确;由于金属活动性:Zn>Fe>Sn,如果用锌块打“补丁”,则Zn作为负极被腐蚀,可以保护Fe、Sn,D正确。
4.钢铁在自然界中的腐蚀比较普遍。
(1)远洋轮船的钢铁船体在海水中易发生电化学腐蚀中的吸氧腐蚀。为防止这种腐蚀,通常把船体与浸在海水里的锌块相连,或与像铅酸蓄电池这样的直流电源的负(填“正”或“负”)极相连。
(2)若用钢铁(含Fe、C)制品盛装NaClO溶液会发生电化学腐蚀,钢铁制品表面生成红褐色沉淀,溶液会失去漂白、杀菌消毒的功效。该电化学腐蚀过程中的正极反应式为ClO-+H2O+2e-Cl-+2OH-。
(3)利用如图装置可以模拟铁的电化学防护。若X为碳棒,为减缓铁的腐蚀,开关K应置于N处。若X为锌,开关K置于M处,该电化学防护法称为牺牲阳极法。
解析:(1)海水呈弱碱性,故轮船的钢铁船体在海水中易发生吸氧腐蚀,钢铁与外接电源负极相连,充当电解池的阴极,得到保护。(2)ClO-在正极得电子生成Cl-和OH-,故正极电极反应式为ClO-+H2O+2e-2OH-+Cl-。(3)若X为碳棒,则只能用外加电流法,此时K应置于N处。若X为Zn,K置于M处,其电化学防护法称为牺牲阳极法。
(总分:45分)
1.(3分)金属腐蚀造成的损失约占国民生产总值的2%~4%。下列有关说法错误的是 (　B　)
A.改变金属的结构,可将金属制成防腐的合金
B.喷油漆、涂油脂、电镀或表面钝化是金属防护的物理方法
C.黄铜(铜锌合金)制作的铜锣不易产生铜绿与金属的电化学防护有关
D.将钢闸门连接直流电源的负极可以起到防护作用
解析:改变金属的结构,将金属制成防腐的合金可以减少金属腐蚀造成的损失,故A正确;电镀或表面钝化时,有新物质生成,属于化学方法,故B错误;黄铜(铜锌合金)制作的铜锣不易产生铜绿是因为锌的活动性强于铜,锌铜构成的原电池中锌作负极被损耗,铜作正极被保护,该保护方法为牺牲阳极法,故C正确;将钢闸门连接直流电源的负极可以起到防护作用,该保护方法为外加电流法,故D正确。
2.(3分)闸门由钢质材料制作,长期浸于水中,通常采用如图装置对钢闸门进行保护。下列说法不正确的是 (　D　)
A.a、b间用导线连接时,则X可以是锌
B.a、b间接入电源时,a应连在电源的负极上
C.a、b间用导线连接时,X应定期更换
D.a、b间用导线连接时,则X发生还原反应
解析:a、b间用导线连接时形成原电池,若要保护钢闸门,则X的活动性应强于铁,发生氧化反应,X可以是锌,A正确,D错误;若接入电源,则a应连在电源的负极作阴极,B正确;a、b间用导线连接时形成原电池,X被不断消耗,应定期更换,C正确。
3. (3分)在城市地下常埋有纵横交错的管道和输电线路,有些地面上还铺有铁轨,当有电流泄漏入潮湿的土壤中,并与金属管道或铁轨形成回路时,就会引起后者的腐蚀,其原理简化如图所示。下列有关说法错误的是 (　C　)
A.原理图可理解为两个串联电解装置
B.溶液中铁丝被腐蚀时,右侧Fe电极有无色气体产生
C.溶液中铁丝的左端电极反应式为Fe-2e-Fe2+
D.地下管道被腐蚀后不易被发现,维修也不便,故应将埋在地下的金属管道表面涂绝缘膜(或油漆等)
解析:由题图可知,左侧Fe电极与电源的正极相连为阳极,铁丝左侧为阴极,形成电解池,铁丝右侧为阳极,右侧Fe电极与电源负极相连为阴极,形成电解池,故该装置可看作两个串联的电解装置,A正确;右侧Fe电极为阴极,电极反应式为2H2O+2e-2OH-+H2↑,有无色气体产生,B正确;铁丝左端为阴极,发生还原反应:2H2O+2e-2OH-+H2↑,C错误;埋在地下的金属管道表面涂绝缘膜(或油漆等),可减缓金属管道的腐蚀,D正确。
4.(3分)用压强传感器探究生铁在pH=2和pH=4的醋酸中发生腐蚀的装置及得到的图像如图。以下结论错误的是 (　C　)
A.溶液pH≤2时,生铁发生析氢腐蚀
B.在酸性溶液中生铁有可能发生吸氧腐蚀
C.析氢腐蚀的速率比吸氧腐蚀快
D.两溶液中负极反应均为Fe-2e-Fe2+
解析:根据pH=2的溶液中压强与时间的关系知,压强随着反应的进行而逐渐增大,说明发生的是金属的析氢腐蚀,这说明当酸性较强时,即溶液pH≤2时,生铁发生析氢腐蚀,A正确;pH=4的醋酸中压强随着反应的进行而逐渐减小,说明发生吸氧腐蚀,pH=4的醋酸呈酸性,所以在酸性溶液中生铁也可能发生吸氧腐蚀,B正确;根据压强与时间关系图可知,pH=2的溶液和pH=4的溶液中,变化相同的压强时所用时间不同,前者比后者使用时间长,这说明吸氧腐蚀速率大于析氢腐蚀速率,C错误;两溶液中都发生电化学腐蚀,铁均作负极,电极反应式均为Fe-2e-Fe2+,D正确。
5.(3分)验证牺牲阳极法,实验如下(烧杯内均为经过酸化的3%NaCl溶液)。
① ② ③
在Fe表面生 成蓝色沉淀 试管内无 明显变化 试管内生成 蓝色沉淀
下列说法不正确的是 (　D　)
A.对比②③,可以判定Zn保护了Fe
B.对比①②,K3[Fe(CN)6]可能将Fe氧化
C.验证Zn保护Fe时不能用①的方法
D.将Zn换成Cu,用①的方法可判断Fe比Cu活泼
解析:对比②③,②Fe附近的溶液中加入K3[Fe(CN)6]溶液无明显变化,说明②Fe附近的溶液中不含Fe2+,③Fe附近的溶液中加入K3[Fe(CN)6]溶液产生蓝色沉淀,说明③Fe附近的溶液中含Fe2+,则②中Fe被保护,A项正确;①加入K3[Fe(CN)6]溶液在Fe表面产生蓝色沉淀,Fe表面产生了Fe2+,对比①②的异同,①可能是K3[Fe(CN)6]将Fe氧化成Fe2+,B项正确;①加入K3[Fe(CN)6]溶液在Fe表面产生蓝色沉淀,①检验出Fe2+,不能用①的方法验证Zn保护Fe,C项正确;由实验可知,K3[Fe(CN)6]可能将Fe氧化成Fe2+,将Zn换成Cu不能用①的方法证明Fe比Cu活泼,D项错误。
6.(15分)铁、铜等金属在生产和生活中有着广泛的应用,研究金属腐蚀和防腐的原理很有现实意义。回答下列问题:
(1)某研究性学习小组设计了如图所示装置研究铁的腐蚀,U形管内为红墨水,a、b试管内分别盛有NH4Cl溶液(显酸性)和食盐水,各加入生铁块,放置一段时间均被腐蚀。
①红墨水液柱两边的液面变为左低右高,则b(填“a”或“b”)试管内盛有食盐水。
②a试管中铁发生的是析氢(填“析氢”或“吸氧”)腐蚀,正极电极反应式为2H++2e-H2↑。b试管中铁被腐蚀的总反应方程式为2Fe+O2+2H2O 2Fe(OH)2。
(2)用下图所示装置探究钢铁的腐蚀与防护,烧杯内液体均为饱和食盐水。
在相同条件下,四组装置中铁电极腐蚀最快的是装置④(填序号,下同);为防止金属被腐蚀,可以采用上述装置②③的原理进行防护。
(3)在浓NaCl溶液中及空气存在下,矿砂中的单质银会发生吸氧腐蚀生成[AgCl2]-,再加入锌粉生成[ZnCl4]2-和纯度较高的单质银。则生成[AgCl2]-总反应的离子方程式为4Ag+O2+8Cl-+2H2O 4[AgCl2]-+4OH-。
解析:(1)①生铁在中性、弱酸性溶液中发生吸氧腐蚀,气体减少,压强变小;在酸性溶液中发生析氢腐蚀,压强变大。红墨水液柱两边的液面变为左低右高,说明压强:a>b,则a发生析氢腐蚀,a中盛有NH4Cl溶液,b发生吸氧腐蚀,b中盛有食盐水。②a试管中铁在酸性溶液发生析氢腐蚀,负极:Fe-2e-Fe2+,正极:2H++2e-H2↑;b试管中铁发生吸氧腐蚀,负极:Fe-2e-Fe2+,正极:O2+4e-+2H2O4OH-,铁被腐蚀的总反应方程式为2Fe+O2+2H2O2Fe(OH)2。(2)装置①中活动性强于铜的铁作原电池的负极被损耗;装置②中活动性强于铁的锌作原电池的负极被损耗,铁作正极被保护;装置③中与直流电源的负极相连的铁作电解池的阴极被保护;装置④中与直流电源的正极相连的铁作阳极被损耗,则在相同条件下,四组装置中铁电极腐蚀最快的是④,为防止金属铁被腐蚀,可以采用上述②③装置原理进行防护。(3)NaCl溶液中,正极电极反应式为O2+2H2O+4e-4OH-,负极电极反应式为4Ag-4e-+8Cl-4[AgCl2]-,总反应的离子方程式为4Ag+O2+8Cl-+2H2O4[AgCl2]-+4OH-。
7.(15分)研究金属腐蚀和防护的原理很有现实意义。
(1)如图为探究钢铁的吸氧腐蚀的装置。某兴趣小组按该装置进行实验,发现导管中水柱上升缓慢,下列措施可以更快、更清晰地观察到水柱上升现象的有AC(填字母)。
A.用纯氧气代替具支试管内空气
B.用酒精灯加热具支试管提高温度
C.将铁钉换成铁粉和碳粉混合粉末
(2)该小组将上图装置改进成如图装置并进行实验,导管中红墨水液柱高度随时间的变化如表所示,根据数据可判断腐蚀的速率随时间变化逐渐减慢(填“加快”“减慢”或“不变”)。
时间/min 1 3 5 7 9
液柱高度/cm 0.8 2.1 3.0 3.7 4.2
(3)为探究(2)题图中铁钉上a、b两点所发生的反应,进行以下实验。
实验操作 实验现象
向NaCl溶液中滴加2~3滴酚酞溶液 a点附近溶液出现红色
一段时间后再滴加2~3滴K3[Fe(CN)6]溶液 b点周围出现蓝色沉淀
根据以上实验探究,试判断b(填“a”或“b”,下同)为负极,a铁锈更多。
(4)设计如下左图装置研究弱酸性环境中金属腐蚀的主要形式。测定锥形瓶内压强和空气中氧气的体积分数随时间变化如下右图所示,则t1~t2 s之间主要发生吸氧(填“吸氧”或“析氢”)腐蚀,依据是容器内氧气含量和压强都降低,所以主要发生吸氧腐蚀。
(5)如图所示,将金属M连接在钢铁设施表面,可减缓水体中钢铁设施的腐蚀。材料M可以选用金属Zn或Mg(写化学式),此方法叫做牺牲阳极法。
解析:(1)用纯氧气代替试管内空气,反应速率加快,O2的浓度减小快,容器内气体的压强减小快,液柱上升明显;用酒精灯加热试管提高温度,水中溶解的氧气量减少,氧气的消耗量反而减少,另外,气体的体积膨胀,液柱难以上升;将铁钉换成铁粉和炭粉混合粉末,铁粉与电解质的接触面积增大,反应速率加快,氧气的消耗量增多,液柱上升明显。(2)从题表中数据变化可以看出,相同时间内液柱高度变化越来越小,则表明腐蚀的速率随时间变化逐渐减慢。(3)该装置构成原电池,a点(正极)附近溶解氧量大,发生O2得电子生成OH-的反应,b处(负极)铁失电子生成Fe2+,由于a点附近溶解氧量大,容易将Fe(OH)2氧化为Fe(OH)3,进一步分解得到铁锈,故a点的铁锈更多。(4)t1~t2 s之间,锥形瓶内压强、氧气体积分数随时间变化而减小,说明氧气被消耗,发生的反应为吸氧腐蚀。(5)由题图可知,采用的是牺牲阳极法保护钢铁设备,M为电子的流出极,故M极为负极,钢铁设备为正极,负极采用比铁更活泼的金属,可以是Zn或Mg。

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