第1章化學(xué)反應(yīng)與能量轉(zhuǎn)化第4節(jié)金屬的腐蝕與防護(hù)素養(yǎng)目標(biāo)1.了解電化學(xué)腐蝕的本質(zhì),探究金屬腐蝕的實(shí)質(zhì),從而形成宏觀辨識(shí)與微觀探析的學(xué)科核心素養(yǎng)。2.能利用電化學(xué)原理解釋金屬腐蝕的現(xiàn)象并能設(shè)計(jì)防腐保護(hù)措施,體驗(yàn)科學(xué)探究與創(chuàng)新意識(shí)的學(xué)科核心素養(yǎng)?；A(chǔ)落實(shí)?必備知識(shí)全過(guò)關(guān)重難探究?能力素養(yǎng)全提升目錄索引

基礎(chǔ)落實(shí)?必備知識(shí)全過(guò)關(guān)必備知識(shí)一、金屬電化學(xué)腐蝕的原理1.金屬腐蝕(1)金屬腐蝕的定義及本質(zhì)。①定義:金屬表面因與周?chē)奈镔|(zhì)發(fā)生氧化還原反應(yīng)而遭到破壞的現(xiàn)象。②本質(zhì):金屬本身失去電子變成陽(yáng)離子的過(guò)程(發(fā)生氧化反應(yīng)):M-ne-==Mn+。(2)金屬腐蝕的分類(lèi)。

2.金屬腐蝕的電化學(xué)原理(1)實(shí)質(zhì)。不純的金屬或合金與電解質(zhì)溶液接觸時(shí)發(fā)生原電池反應(yīng),較活潑的金屬失去電子被氧化的過(guò)程。(2)分類(lèi)。金屬的電化學(xué)腐蝕分為析氫腐蝕和吸氧腐蝕。二、金屬腐蝕的防護(hù)1.原理阻止金屬發(fā)生氧化反應(yīng)。2.方法(1)改變金屬內(nèi)部結(jié)構(gòu),如制成合金等。(2)加防護(hù)層,如在金屬表面噴油漆、涂油脂、電鍍等。(3)電化學(xué)防護(hù),分為犧牲陽(yáng)極保護(hù)法和外加電流陰極保護(hù)法。3.金屬的防護(hù)措施圖示

三、電化學(xué)腐蝕原理的應(yīng)用1.鐵腐蝕能消耗空氣中的氧氣,利用這一原理可快速測(cè)定空氣中氧氣的含量。2.鐵腐蝕的反應(yīng)消耗氧氣和水,以鐵粉為主要成分制成雙吸劑放入食品包裝袋,可以延長(zhǎng)食物的保質(zhì)期。3.鐵腐蝕的過(guò)程放熱,利用這一特點(diǎn)可以制成一次性保暖貼。4.根據(jù)金屬電化學(xué)腐蝕的原理,利用微電解技術(shù)處理工業(yè)廢水。5.金屬電化學(xué)腐蝕原理在航空航天、精密儀器和生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域也具有廣闊的應(yīng)用前景。自我檢測(cè)判斷下列說(shuō)法是否正確,正確的打“√”,錯(cuò)誤的打“×”。(1)鋼鐵發(fā)生析氫腐蝕或吸氧腐蝕時(shí),負(fù)極反應(yīng)均是Fe-3e-==Fe3+。(

)(2)鋼鐵在潮濕的空氣中發(fā)生電化學(xué)腐蝕時(shí),正極發(fā)生的主要反應(yīng)是O2+2H2O+4e-==4OH-。(

)(3)發(fā)生吸氧腐蝕時(shí)正極放出O2,發(fā)生析氫腐蝕時(shí)正極放出H2。(

)(4)純鐵在稀硫酸中發(fā)生析氫腐蝕。(

)(5)現(xiàn)實(shí)生活中電化學(xué)腐蝕比化學(xué)腐蝕更普遍。(

)(6)金屬作為原電池的負(fù)極或電解池的陰極時(shí)均被保護(hù)。(

)√×××√×重難探究?能力素養(yǎng)全提升探究一金屬的腐蝕問(wèn)題探究據(jù)估計(jì),每年全世界被腐蝕損耗的鋼鐵材料約占全年鋼鐵產(chǎn)量的十分之一。那么,金屬的腐蝕都有哪些類(lèi)型?不同類(lèi)型的金屬腐蝕有何區(qū)別?提示

金屬的腐蝕可分為化學(xué)腐蝕和電化學(xué)腐蝕;化學(xué)腐蝕過(guò)程中沒(méi)有電流產(chǎn)生,電化學(xué)腐蝕過(guò)程中有電流產(chǎn)生。歸納拓展1.化學(xué)腐蝕與電化學(xué)腐蝕的比較

類(lèi)型化學(xué)腐蝕電化學(xué)腐蝕條件金屬與非金屬等直接接觸不純的金屬或合金與電解質(zhì)溶液接觸形成原電池電流無(wú)電流產(chǎn)生有電流產(chǎn)生結(jié)果金屬被氧化較活潑金屬被氧化實(shí)質(zhì)M-ne-==Mn+關(guān)系①化學(xué)腐蝕與電化學(xué)腐蝕往往同時(shí)發(fā)生;②電化學(xué)腐蝕比化學(xué)腐蝕更普遍,危害更大2.鋼鐵的吸氧腐蝕與析氫腐蝕的比較

區(qū)別與聯(lián)系吸氧腐蝕析氫腐蝕相同點(diǎn)腐蝕的實(shí)質(zhì)金屬作為原電池負(fù)極,失電子被氧化負(fù)極電極反應(yīng)Fe-2e-==Fe2+不同點(diǎn)條件水膜呈很弱的酸性、中性或堿性水膜酸性較強(qiáng)正極電極反應(yīng)O2+2H2O+4e-==4OH-2H++2e-==H2↑總反應(yīng)2Fe+O2+2H2O==2Fe(OH)2Fe+2H+==Fe2++H2↑其他反應(yīng)Fe2++2OH-==Fe(OH)2↓4Fe(OH)2+2H2O+O2==4Fe(OH)3Fe(OH)3失

去部分水轉(zhuǎn)化為鐵銹鋼鐵發(fā)生電化學(xué)腐蝕時(shí),負(fù)極Fe失去電子生成Fe2+,而非Fe3+

Fe(OH)2轉(zhuǎn)變?yōu)镕e(OH)3的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象:白色沉淀迅速轉(zhuǎn)變?yōu)榛揖G色,最終變?yōu)榧t褐色

【微點(diǎn)撥】在通常情況下,潮濕的空氣中水膜酸性較弱,金屬在潮濕的空氣中主要發(fā)生的是吸氧腐蝕。應(yīng)用體驗(yàn)視角1金屬的化學(xué)腐蝕和電化學(xué)腐蝕比較1.如圖所示,將緊緊纏繞不同金屬的鐵釘放入培養(yǎng)皿中,再加入含有適量酚酞的NaCl溶液,一段時(shí)間后觀察發(fā)生的變化。下列敘述正確的是(

)A.a中鐵釘附近溶液呈現(xiàn)紅色B.b中鐵釘上發(fā)生還原反應(yīng)C.a中銅絲上發(fā)生氧化反應(yīng)D.b中鋁條附近有氣泡產(chǎn)生B解析

依據(jù)原電池原理分析可知:電極名稱(chēng)a中b中負(fù)極鐵釘:Fe-2e-==Fe2+(氧化反應(yīng))鋁條:Al-3e-==Al3+(氧化反應(yīng))正極銅絲:O2+2H2O+4e-==4OH-(還原反應(yīng))銅絲附近溶液變紅色鐵釘:O2+2H2O+4e-==4OH-(還原反應(yīng))鐵釘附近溶液變紅色a中鐵釘附近不變紅色,銅絲上發(fā)生還原反應(yīng);b中鐵釘上發(fā)生還原反應(yīng),鋁條附近沒(méi)有氣泡產(chǎn)生。2.下圖是燃?xì)庠畹牟考f(shuō)明圖,下列說(shuō)法正確的是(

)A.鍋支架生銹的主要原因是經(jīng)常沾上鹽水,鐵發(fā)生化學(xué)腐蝕B.爐頭易生銹,主要是由于高溫下鐵發(fā)生電化學(xué)腐蝕C.外殼是鋁合金材料,不易銹蝕是因?yàn)殇X不活潑D.灶腳由螺釘和外層電木(一種耐高溫塑料)組成,電木起到了防止金屬腐蝕的作用D解析

鍋支架生銹的主要原因是經(jīng)常沾上鹽水,鍋支架含有的鐵和碳形成原電池,發(fā)生電化學(xué)腐蝕,A錯(cuò)誤;高溫下鐵被氧氣氧化,發(fā)生化學(xué)腐蝕,B錯(cuò)誤;外殼是鋁合金材料,不易銹蝕是因?yàn)殇X生成的致密氧化膜阻止了鋁合金繼續(xù)與氧氣反應(yīng),C錯(cuò)誤;電木隔絕了螺釘與空氣的接觸,起到了防止金屬腐蝕的作用,D正確。歸納總結(jié)

區(qū)分化學(xué)腐蝕和電化學(xué)腐蝕發(fā)生電化學(xué)腐蝕的一般是兩種金屬接觸或合金與電解質(zhì)溶液接觸(或接觸潮濕空氣等);發(fā)生化學(xué)腐蝕的金屬可以是純金屬,直接與一些氧化劑(如O2、Cl2等)接觸反應(yīng),常見(jiàn)的銀器在空氣中變黑,燃?xì)庠顮t頭生銹都屬于化學(xué)腐蝕。視角2吸氧腐蝕和析氫腐蝕3.研究小組利用圖1裝置探究鐵粉腐蝕原理。擠壓膠頭滴管將醋酸滴入鐵粉與碳粉的均勻混合物中,容器中的壓強(qiáng)隨時(shí)間的變化曲線(xiàn)如圖2。下列說(shuō)法正確的是(

)A.鐵粉發(fā)生反應(yīng):Fe-3e-═Fe3+B.鐵粉一定是先發(fā)生了析氫腐蝕,后發(fā)生了吸氧腐蝕C.由t2時(shí)容器中的壓強(qiáng)可判斷反應(yīng)后期鐵發(fā)生了吸氧腐蝕D.為確定0~t1時(shí)段的腐蝕類(lèi)型,可用N2代替圖1錐形瓶中的空氣,進(jìn)行對(duì)比實(shí)驗(yàn)圖1圖2C解析

Fe單質(zhì)發(fā)生腐蝕過(guò)程中,生成Fe2+,故A項(xiàng)錯(cuò)誤;將膠頭滴管內(nèi)醋酸滴入鐵粉與碳粉的均勻混合物中,0~t1裝置內(nèi)壓強(qiáng)逐漸增大,說(shuō)明鐵與醋酸反應(yīng)產(chǎn)生了H2,可能發(fā)生了化學(xué)腐蝕,也可能是析氫腐蝕,t1之后容器內(nèi)壓強(qiáng)減小,說(shuō)明裝置內(nèi)氣體分子數(shù)減少,氧氣被消耗,發(fā)生吸氧腐蝕,故B項(xiàng)錯(cuò)誤;影響定容容器內(nèi)壓強(qiáng)的因素有:氣體的物質(zhì)的量、溫度,由于原電池的反應(yīng)屬于放熱反應(yīng),能引起壓強(qiáng)增大,因此t2時(shí)容器內(nèi)壓強(qiáng)明顯小于起始?jí)簭?qiáng),說(shuō)明容器內(nèi)氣體分子數(shù)減少,即鐵發(fā)生了吸氧腐蝕,故C項(xiàng)正確;0~t1時(shí)間段的腐蝕類(lèi)型可能是鐵與醋酸直接接觸的化學(xué)腐蝕,也可能是醋酸與碳粉接觸從而引發(fā)的析氫腐蝕,兩種腐蝕均與錐形瓶?jī)?nèi)是否含有空氣無(wú)關(guān),因此使用N2替換題圖1錐形瓶中的空氣無(wú)法判斷其腐蝕類(lèi)型,故D項(xiàng)錯(cuò)誤。易錯(cuò)提醒

鋼鐵發(fā)生析氫腐蝕或吸氧腐蝕時(shí),負(fù)極都是鐵,失去電子生成Fe2+,而非Fe3+;活性炭、鐵和醋酸溶液可構(gòu)成原電池,發(fā)生析氫腐蝕,但應(yīng)注意反應(yīng)過(guò)程中也存在鐵與醋酸直接反應(yīng)的化學(xué)腐蝕,反應(yīng)過(guò)程中化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能、熱能等,錐形瓶中溫度升高也會(huì)導(dǎo)致瓶中壓強(qiáng)增大。4如圖裝置中,U形管內(nèi)為紅墨水,a、b試管內(nèi)分別盛有食鹽水和氯化銨溶液(呈酸性),各加入生鐵塊,放置一段時(shí)間。下列有關(guān)描述錯(cuò)誤的是(

)A.生鐵塊中的碳是原電池的正極B.紅墨水水柱兩邊的液面變?yōu)樽蟮陀腋逤.兩試管中相同的電極反應(yīng)是Fe-2e-==Fe2+D.a試管中發(fā)生了吸氧腐蝕,b試管中發(fā)生了析氫腐蝕B解析

a為中性環(huán)境,發(fā)生吸氧腐蝕,氧氣被消耗,試管中氣體壓強(qiáng)減小;b中溶液呈酸性,發(fā)生析氫腐蝕,有氫氣放出,試管中氣體壓強(qiáng)增大,所以紅墨水水柱兩邊的液面變化為左高右低,故B項(xiàng)錯(cuò)。探究二金屬腐蝕的快慢與金屬腐蝕的防護(hù)問(wèn)題探究根據(jù)金屬腐蝕的原理分析金屬腐蝕的防護(hù)措施都有哪些?提示

常見(jiàn)金屬腐蝕的防護(hù)措施有改變金屬內(nèi)部結(jié)構(gòu)(不銹鋼)、覆蓋防護(hù)層(電鍍、油漆等)、電化學(xué)防護(hù)、電化學(xué)使金屬表面“鈍化”等。歸納拓展1.金屬腐蝕的快慢規(guī)律(1)在同種電解質(zhì)溶液中,金屬腐蝕由快到慢的順序?yàn)?電解池的陽(yáng)極>原電池的負(fù)極>化學(xué)腐蝕>原電池的正極>電解池的陰極。(2)同一種金屬在不同介質(zhì)(濃度相等)中腐蝕由快到慢的順序?yàn)?強(qiáng)電解質(zhì)溶液>弱電解質(zhì)溶液>非電解質(zhì)溶液。(3)在同一種電解質(zhì)溶液中,電解質(zhì)溶液濃度越大,金屬腐蝕越快(鈍化除外)。(4)純度越高的金屬,腐蝕越慢。(5)不純的金屬或合金,在潮濕的空氣中,氧氣濃度越大,腐蝕越快。2.金屬的電化學(xué)防護(hù)

類(lèi)型犧牲陽(yáng)極保護(hù)法外加電流陰極保護(hù)法原理原電池原理電解池原理保護(hù)對(duì)象正極金屬得到保護(hù)陰極金屬得到保護(hù)應(yīng)用鋼鐵設(shè)備如鍋爐內(nèi)壁、船體外殼等裝上鎂合金或鋅片土壤、海水及水中的金屬設(shè)備應(yīng)用體驗(yàn)視角1金屬腐蝕的快慢1.下面各容器中盛有海水,鐵在其中被腐蝕時(shí)由快到慢的順序是(

)A.④>②>①>③

B.②>①>③>④C.④>②>③>① D.③>②>④>①A解析

鐵在海水中的腐蝕屬于電化學(xué)腐蝕,當(dāng)鐵與比它活潑性差的Sn相連時(shí),Fe被腐蝕的速率比①大,與活潑性比其強(qiáng)的鋅相連時(shí),鋅作為負(fù)極被腐蝕,鐵被保護(hù),其腐蝕的速率要比①小;④為電解裝置,Fe為陽(yáng)極,發(fā)生氧化反應(yīng),鐵腐蝕的速率最快。視角2金屬的防護(hù)方法2.下列方法不能減緩鋼鐵腐蝕速率的是(

)A.將鋼鐵制品與銅、錫等金屬疊放在一起保存B.將鋼鐵制品表面進(jìn)行烤藍(lán)處理C.采用外加電流法,將鋼鐵制品連接電源的負(fù)極A3.為了保護(hù)艦艇(主要是鋼合金材料),在艦體表面鑲嵌金屬塊(R)。下列有關(guān)說(shuō)法不正確的是(

)A.這種保護(hù)艦體的方法叫犧牲陽(yáng)極保護(hù)法B.金屬塊R可能是鎂或鋅C.海水呈弱堿性,艦艇在海水中易發(fā)生析氫腐蝕D.正極的電極反應(yīng)為O2+2H2O+4e-==4OH-C解析

在艦體表面鑲嵌金屬塊(R),這種保護(hù)方法利用原電池原理,需要金屬塊R比鐵活潑,R為負(fù)極,鋼鐵為正極,這種方法叫犧牲陽(yáng)極保護(hù)法,A正確;金屬塊R比鐵活潑,可能是鎂或鋅,B正確;鋼鐵材料在弱堿性海水中主要發(fā)生吸氧腐蝕,在酸性較強(qiáng)的溶液中才發(fā)生析氫腐蝕,C錯(cuò)誤;吸氧腐蝕過(guò)程中,正極上發(fā)生還原反應(yīng),電極反應(yīng)為O2+2H2O+4e-==4OH-,D正確?！咀兪皆O(shè)問(wèn)】(1)艦艇在海水和河水中航行,在哪種情況下腐蝕更快?提示

在海水中航行腐蝕更快。(2)艦艇在海水中航行時(shí),腐蝕最快的是與海水表面接觸的位置,而不是一直浸泡在海水中的艦艇的底部