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第三节　金属的腐蚀与防护
素养·目标定位
目 标 素 养
1.知道金属腐蚀的危害,能利用电化学原理解释金属腐蚀的现象
2.能根据电化学原理选择并设计防止金属腐蚀的措施
知 识 概 览
课前·基础认知
一、金属的腐蚀
1.金属的腐蚀是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。
2.金属腐蚀的实质是金属原子失去电子变为金属阳离子,金属发生氧化反应。
3.金属腐蚀的类型。
(1)化学腐蚀与电化学腐蚀。
类型 化学腐蚀 电化学腐蚀
条件 金属与其表面接触到的物质①直接反应 不纯金属与电解质溶液接
触,发生②原电池反应
本质 金属发生③氧化反应,腐蚀速率随温度升高而④增大 比较活泼的金属发生⑤氧化反应
联系 两者往往同时发生,但绝大多数属于⑥电化学腐蚀
(2)析氢腐蚀与吸氧腐蚀(以钢铁腐蚀为例)。
类型 析氢腐蚀 吸氧腐蚀
条件 ①水膜酸性较强 ②水膜酸性很弱或呈中性,溶有一定量的氧气
电极
反应 负极 ③Fe-2e-===Fe2+
正极 ④2H++2e-===H2↑ ⑤2H2O+O2+4e-===4OH-
总反应式 ⑥Fe+2H+===Fe2++H2↑ ⑦2Fe+2H2O+O2===2Fe(OH)2
类型 析氢腐蚀 吸氧腐蚀
图形描述
微解读(1)化学腐蚀和电化学腐蚀往往同时发生,只是电化学腐蚀比化学腐蚀更普遍,危害更大。(2)析氢腐蚀和吸氧腐蚀取决于金属表面电解质溶液的酸碱性,实际情况中以吸氧腐蚀为主。(3)钢铁发生析氢腐蚀或吸氧腐蚀时,负极都是铁,失电子生成Fe2+,而非Fe3+。
微判断(1)细铜丝在氯气中燃烧属于化学腐蚀。(　　)
(2)Al、Fe、Cu在潮湿的空气中被腐蚀均生成氧化物。(　　)
(3)钢铁发生电化学腐蚀时,负极铁失去电子生成Fe3+。(　　)
(4)金属的电化学腐蚀和化学腐蚀本质相同,都是金属原子失电子被氧化。(　　)
√
×
×
√
二、金属的防护
1.改变金属材料的组成。如在普通钢中加入铬、镍等制成
不锈钢产品,以增强钢铁的抗腐蚀性能。
2.在金属表面覆盖保护层。在金属表面覆盖致密的保护层,将金属制品与周围物质隔开。
(1)在钢铁表面涂矿物性油脂、油漆或覆盖搪瓷、塑料等物质。
(2)用电镀的方法,在钢铁制品表面镀上一层不易被腐蚀的金属,如锌、锡、铬、镍等。
(3)工业上常利用一些溶液的氧化作用,在机器零件、精密仪器、枪炮等钢铁制件的表面上形成一层致密的黑色的四氧化三铁薄膜。
(4)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。
(5)采用离子注入、表面渗镀等方式在金属表面可以形成稳定的钝化膜。
3.电化学保护法。
(1)牺牲阳极法。如图,应用原电池原理,让活动性比铁强的金属锌作负极,钢铁设备作正极而被保护。
[实验探究一]
如图装置反应一段时间后,用胶头滴管从Fe电极区取少量溶液置于试管中,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,铁未被腐蚀
[实验探究二]
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a,缠有铜丝的铁钉放入b。
实验装置
a
b
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
(2)外加电流法。如图,应用电解原理,把被保护的钢铁设备作为阴极,用惰性电极作为辅助阳极,两者均放在电解质溶液里,外接直流电源。
微思考家用炒菜铁锅用水清洗放置后,出现的红棕色锈斑是如何形成的,其主要成分是什么
提示:铁锅中含有碳元素,在潮湿环境中生锈属于吸氧腐蚀,在腐蚀过程中,负极:Fe-2e-═Fe2+,正极(C):2H2O+O2+4e-═4OH-,总反应为2Fe+2H2O+O2═2Fe(OH)2,Fe(OH)2极易被氧化,发生反应4Fe(OH)2+O2+2H2O═4Fe(OH)3。Fe(OH)3进一步反应生成铁锈Fe2O3·xH2O。
微训练1.下列叙述正确的是(　　)。
A.原电池中阳离子向负极移动
B.用铝制铆钉接铁板,铁易被腐蚀
C.马口铁(镀锡)的表面一旦破损,铁腐蚀加快
D.白铁(镀锌)的表面一旦破损,铁腐蚀加快
C
解析:原电池工作时阳离子向正极移动,A项错误。铝制铆钉接铁板形成原电池,铝作为负极,铁作为正极,铁不容易被腐蚀,B项错误。马口铁(镀锡)的表面一旦破损,铁作为负极,铁腐蚀加快,C项正确。白铁(镀锌)的表面一旦破损,铁作为正极,受到保护,D项错误。
2.下列防止钢铁锈蚀的措施中,不合理的是(　　)。
A.车轮的钢圈表面镀镍
B.在地下钢铁管道上连接铜块
C.改变金属内部结构制成不锈钢
D.金属材料表面包上一层塑料层
解析:铁比铜活泼,在地下钢铁管道上连接铜块会加速铁的腐蚀,B项错误。
B
3.如图所示,水槽中试管内有一枚铁钉,放置数天观察:
(1)铁钉在逐渐生锈。
(2)若试管内液面上升,发生　　　腐蚀,电极反
应:负极　　　　　　　　　　　,
正极　　　　　　 　　　。
(3)若试管内液面下降,则原溶液呈　　 　　性,发生的正极反应为　 。
吸氧
Fe-2e-═Fe2+
O2+2H2O+4e-═4OH-
较强的酸　
2H++2e-═H2↑
解析:由题意可知,(2)试管内液面上升,说明试管内压强减小,发生吸氧腐蚀。(3)试管内液面下降,说明试管内气压增大,即发生析氢腐蚀。
课堂·重难突破
一、金属的化学腐蚀与电化学腐蚀的比较(以铁为例)
问题探究
将铁钉用NaCl溶液浸湿并露置于空气中,将发生哪种腐蚀 电极反应式如何书写
提示:NaCl溶液为中性溶液,所以发生吸氧腐蚀,电极反应式:负极Fe-2e-===Fe2+,正极O2+2H2O+4e-===4OH-。
归纳总结
比较项目 化学腐蚀 电化学腐蚀(主要)
定义 金属与其表面接触的物质直接发生化学反应引起的腐蚀 不纯金属与电解质溶液接触时发生的原电池反应,较活泼金属原子失去电子被氧化而引起的腐蚀
吸氧腐蚀
(主要) 析氢腐蚀
条件 金属与氧化性物质直接接触 水膜中溶有O2,呈极弱酸性或中性(吸氧腐蚀)或水膜酸性较强(析氢腐蚀)
比较项目 化学腐蚀 电化学腐蚀(主要)
本质 金属被氧化生成金属离子
区别 无电流产生 有微弱电流产生
2Fe+3Cl2===2FeCl3 负极:Fe-2e-===Fe2+
正极:2H2O+O2+4e-===4OH- 正极:2H++2e-===H2↑
联系 两种腐蚀往往同时发生,只是电化学腐蚀比化学腐蚀更普遍、危害更大;吸氧腐蚀比析氢腐蚀更普遍
典型例题
【例1】 下列关于如图所示金属腐蚀与防护的说法正确的是(　　)。
A.图①,在轮船外壳上镶嵌锌块,可减缓船体的腐蚀速率
B.图②,若将钢闸门与电源正极相连,可防止钢闸门被腐蚀
C.图③,运动器材表面刷油漆只是为了美观
D.图④,该装置用于深埋在潮湿的中性土壤中钢管的防腐
答案:A
解析:图①轮船外壳上镶嵌锌块,构成原电池,锌为负极,轮船外壳为正极被保护,可减缓船体的腐蚀速率,A项正确。图②为外加电源的阴极保护法,通电后电子从电源负极流向钢闸门,可防止钢闸门被腐蚀,B项错误。图③运动器材表面刷油漆可避免金属与空气直接接触,可防止金属腐蚀,C项错误。图④中Cu与Fe形成原电池,Cu为正极,Fe为负极,Fe被腐蚀,对钢管不起防腐作用,D项错误。
对金属腐蚀的理解 (1)析氢腐蚀和吸氧腐蚀取决于金属表面电解质溶液的酸碱性,实际情况中以吸氧腐蚀为主。 (2)钢铁发生析氢腐蚀或吸氧腐蚀时,负极均是Fe失电子生成Fe2+,而非Fe3+。 (3)一般情况下,只有在金属活动性顺序中排在氢之前的金属才有可能发生析氢腐蚀。
二、金属腐蚀快慢的一般规律
问题探究
如图所示,将紧紧缠绕不同金属的铁钉放入培养皿中,再加入含有适量酚酞和NaCl的琼脂热溶液,冷却后形成琼脂(离子在琼脂内可以移动)。
1.根据所学知识分析,在a中你能观察到什么现象 并解释其原因。
提示:铜丝附近呈现红色。因为a中铁比铜活泼,铁作负极,发生氧化反应,铜作正极,发生还原反应,电极反应式分别为负极2Fe-4e-═2Fe2+,正极O2+2H2O+4e-═4OH-,因此a中铜丝附近呈现红色。
2.根据所学知识分析,在b中你能观察到什么现象 并解释其原因。
提示:铁钉附近呈现红色。b中铝比铁活泼,铝作负极,发生氧化反应,铁作正极,发生还原反应,电极反应式分别为负极4Al-12e-═4Al3+,正极3O2+6H2O+12e-═12OH-,因此b中铁钉附近呈现红色。
3.a、b中铁钉的腐蚀速率大小是怎样的
提示:a中铁钉腐蚀速率更大。
归纳总结
1.在同一电解质溶液中:电解原理引起的腐蚀>原电池原理引起的腐蚀>化学腐蚀>有防护措施的腐蚀。
有防护措施的腐蚀发生的可能性很小或几乎不发生,包括原电池原理的防护(牺牲阳极法)和电解原理的防护(外加电流法)。
2.活动性不同的两种金属,活动性差别越大,活动性强的金属往往腐蚀越快。
3.对同一种电解质溶液而言,电解质溶液浓度越大,往往腐蚀越快。
4.温度升高,对化学腐蚀的速率影响很大。升高温度,电解质溶液中的离子运动速率增大,溶液的导电性增强,因此温度对电化学腐蚀的速率也有一定的影响。
典型例题
【例2】 钢铁工业是国家工业的基础,钢铁生锈现象却随处可见,为此每年国家损失大量资金。请回答钢铁腐蚀与防护过程中的有关问题。
(1)钢铁的电化学腐蚀原理如图所示,写出石墨电极的电极反应式:　　　　　　　　　　　　　　　。
O2+2H2O+4e-═4OH-
(2)在实际生产中,可在铁件的表面镀铜防止铁被腐蚀。装置示意图如图所示:
①A电极对应的金属是　　　　(写元素名
称),B电极的电极反应式是
　 　。
②镀层破损后,镀铜铁比镀锌铁更容易被
腐蚀,请简要说明原因:________________________________
　。
铜
Cu2++2e-═Cu　
铁比铜活泼,镀层破损后,铁与铜在潮湿环境中形成原电池,铁为负极,加速铁的腐蚀
解析:(1)在中性溶液中发生吸氧腐蚀,石墨作正极,发生反应:O2+2H2O+4e-===4OH-。
(2)在铁表面镀铜需将铁作阴极、铜作阳极,则A电极对应的金属为铜,B电极为铁,溶液中的Cu2+得电子生成铜在铁表面析出;镀层破损后,铁与铜在潮湿环境中形成原电池,铁为负极,加速铁的腐蚀。
【拓展延伸】 若电镀前铁、铜两片金属质量相同,电镀完成后将它们取出洗净、烘干、称量,两者质量差为5.12 g,则电镀时电路中通过的电子的物质的量是多少
成果验收站　
1.下列关于金属腐蚀的说法正确的是(　　)。
A.金属在潮湿空气中腐蚀的实质是M+nH2O===M(OH)n+
H2↑
B.金属化学腐蚀的实质是M-ne-===Mn+,电子直接转移给氧化剂
C.金属的化学腐蚀必须在酸性条件下进行
D.在潮湿的中性环境中,金属的电化学腐蚀主要是析氢腐蚀
B
解析:金属与接触的化学物质直接发生氧化还原反应的过程为化学腐蚀,金属失去的电子直接转移给氧化剂;金属的腐蚀以电化学腐蚀为主,在中性或弱酸性环境中,主要发生吸氧腐蚀,电子由金属转移到不活泼的正极材料上被氧化剂得到。
2.结合如图判断,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中分别加入少量K3[Fe(CN)6]溶液,均有蓝色沉淀
A
解析:两个装置均为原电池,负极都是活泼金属,根据原电池原理可知,原电池的正极金属受到保护,A项正确。Ⅰ中负极为活泼金属Zn,B项错误。Ⅱ中是酸性溶液,电极反应中不能有OH-生成,C项错误。Ⅰ中无Fe2+生成,不能生成KFe[Fe(CN)6]沉淀,D项错误。
3.某城市为了减少钢管因锈蚀而造成的损失,拟用如图所示方法保护埋在酸性土壤中的钢管。下列有关说法正确的是(　　)。
A.在潮湿的酸性土壤中,钢管主要发生吸氧
腐蚀
B.在潮湿的酸性土壤中,金属棒M中的电子通过导线流向钢管
C.在潮湿的酸性土壤中,H+向金属棒M移动,抑制H+与铁的反应
D.钢管与金属棒M也可用导线分别连接直流电源的正、负极
B
解析:在酸性环境下,钢铁主要发生析氢腐蚀,A项错误。金属棒M、钢管在酸性土壤中形成原电池,其中金属棒M作负极,失去电子,失去的电子通过导线流向钢管,钢管作正极被保护,B项正确。在潮湿的酸性土壤中,存在大量H+,H+移动到正极上得电子被还原,即移动到钢管上得电子,抑制H+与铁的反应,C项错误。若钢管与金属棒M用导线分别连接直流电源的正、负极,则钢管作阳极,腐蚀速率加快,D项错误。
4.A、B、C三个烧杯中分别盛有相同物质的量浓度的稀硫酸,如图所示:
(1)A中反应的离子方程式是　　　　　 　　　。
(2)B中Sn极的电极反应式为　　　　　　　　,Sn极附近溶液的pH　　　　(填“增大”“减小”或“不变”)。
(3)C中被腐蚀的金属是　　　　,总反应的离子方程式是　　　　　　　　　　　　　　,比较A、B、C中铁被腐蚀的速率由大到小的顺序是　　　　　　　。
Fe+2H+═Fe2++H2↑
2H++2e-═H2↑
增大
Zn
Zn+2H+═Zn2++H2↑　
B>A>C
解析:(1)A中发生Fe与稀硫酸的置换反应。
(2)B中Sn为正极,H+放电生成H2:2H++2e-═H2↑,导致Sn附近溶液中c(H+)减小,pH增大。
(3)C中Zn为负极被腐蚀。
5.电化学原理在防止金属腐蚀、能量转换等方面应用广泛。回答下列问题。
(1)如图1所示,将M连接在钢铁设施表面,可减缓水体中钢铁设施的腐蚀。为了减缓海水对钢闸门A的腐蚀,材料M可以选择　　　　　(填字母)。
A.石墨 B.锌板
C.铜板 D.镁块
图1
BD
电化学腐蚀　
CO2+H2O+Fe═FeCO3+H2↑
②腐蚀过程表明含有CO2的溶液腐蚀性比相同pH的HCl溶液腐蚀性　　(填“强”或“弱”)。
强
(3)两种金属接触时,接触部位会发生“电偶腐蚀”。金属铁和铜在自来水和海水中,相同时间发生的腐蚀情况如图2。
图2
图2中甲的介质为　　　　　,乙中正极电极反应式为
　 。
自来水
O2+2H2O+4e-═4OH-
(4)高压直流电线路的瓷绝缘子常常出现铁帽腐蚀现象,在铁帽上加锌环能有效防止铁帽的腐蚀,防护原理如图3所示。通电时,锌环作　　　　　极,断电时,锌环上的电极反应式为　 　。
图3
阳
Zn-2e-═Zn2+
解析:(1)要对钢闸门A的腐蚀起到保护作用,根据图形可知属于“牺牲阳极法”的保护法,则要求连接钢闸门的材料M的活泼性要比铁强,先被腐蚀来保护铁,石墨的活泼性比铁弱,腐蚀时先消耗铁,起不到保护作用,A项错误。锌的活泼性比铁强,腐蚀时先消耗锌,能起到保护作用,B项正确。铜的活泼性比铁弱,腐蚀时先消耗铁,起不到保护作用,C项错误。镁的活泼性比铁强,腐蚀时先消耗镁,能起到保护作用,D项正确。
(2)①在电化学腐蚀中,总反应一般可以用负极电极反应式和正极电极反应式相加得到,则钢铁在CO2水溶液中的腐蚀总反应可表示为CO2+H2O+Fe═FeCO3+H2↑(或Fe+H2CO3═FeCO3+H2↑)。根据腐蚀的主要过程可知深井中CO2对碳钢的腐蚀主要为电化学腐蚀。②电化学腐蚀比相同pH的HCl溶液只发生化学腐蚀的腐蚀速率更快,腐蚀性更强。
(3)在自来水和海水中,海水中离子浓度比自来水大,传递电流多,腐蚀速率快,则甲为自来水,乙为海水。根据电极材料和电解质溶液可知,甲和乙的腐蚀原理是相同的,都属于吸氧腐蚀,负极电极反应式为Fe-2e-═Fe2+,正极电极反应式为O2+2H2O+4e-═4OH-。

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