第三單元 金屬的腐蝕與防護
[目標要求] 1.能解釋金屬發(fā)生電化學(xué)腐蝕的原因。2.認識金屬腐蝕的危害，了解金屬防護的方法。
一、金屬的電化學(xué)腐蝕
1．金屬的腐蝕
(1)金屬腐蝕的概念：金屬的腐蝕指的是金屬或合金跟周圍環(huán)境中接觸到的物質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)被氧化而腐蝕損耗的現(xiàn)象。
(2)金屬腐蝕后的特征
金屬被腐蝕后，在外形、色澤以及機械性能等方面都發(fā)生一定的變化。
(3)金屬腐蝕的本質(zhì)
金屬腐蝕的本質(zhì)是金屬原子失去電子變成陽離子的過程。也就是說，金屬腐蝕的本質(zhì)是金屬發(fā)生了氧化反應(yīng)。
(4)金屬腐蝕的類型
由于與金屬接觸的介質(zhì)不同，發(fā)生腐蝕的情況也不同，一般可分為化學(xué)腐蝕和電化學(xué)腐蝕。
①化學(xué)腐蝕
金屬與其他物質(zhì)(如O2、Cl2、SO2等)直接接觸發(fā)生而引起的腐蝕。
②電化學(xué)腐蝕
不純的金屬或合金發(fā)生原電池反應(yīng)，使較活潑的金屬失去電子被氧化而引起的腐蝕。
2．電化學(xué)腐蝕
(1)實驗探究
a b
實驗步驟：向鐵粉中加入少量的炭粉，混合均勻后，撒入內(nèi)壁分別用氯化鈉溶液和稀醋酸潤濕過的兩支具支試管(分別標記為a、b)中。幾分鐘后，打開止水夾，觀察、比較導(dǎo)管中水柱(在水中滴加幾滴紅墨水)的變化和試管中的現(xiàn)象。
實驗現(xiàn)象：兩支具支試管中都有紅色鐵銹產(chǎn)生，a裝置導(dǎo)管內(nèi)水柱上升，b裝置導(dǎo)管內(nèi)水柱低于小試管液面。
實驗結(jié)論：裝置a的導(dǎo)管中水柱上升，說明大試管內(nèi)氣體體積減小，a裝置中有氣體參加反應(yīng)，由于是空氣中的氣體，故是氧氣，發(fā)生吸氧腐蝕；裝置b的導(dǎo)管中水柱下降，說明大試管內(nèi)有氣體生成，根據(jù)有鐵和醋酸存在，生成的氣體是氫氣，發(fā)生析氫腐蝕。a、b裝置構(gòu)成原電池，a中氧氣所發(fā)生的反應(yīng)類似于氫氧燃料電池的反應(yīng)。
(2)原理分析
①通常情況下，在潮濕的空氣中，鋼鐵表面凝結(jié)了一層溶解有氧氣的水膜，它與鋼鐵中的碳和鐵形成了原電池。這些微小的原電池遍布鋼鐵表面。
Fe為負極，碳為正極，溶有O2的水膜為溶液。
負極：2Fe－4e－===2Fe2＋(氧化反應(yīng))
正極：O2＋2H2O＋4e－===4OH－(還原反應(yīng))
總反應(yīng)：2Fe＋O2＋2H2O===2Fe(OH)2，4Fe(OH)2＋O2＋2H2O===4Fe(OH)3，
Fe(OH)3脫去一部分水生成的Fe2O3•nH2O就為鐵銹的主要成分。所以實驗a具支試管中O2減少，壓強減小，導(dǎo)管中水面上升。因此鐵在這種環(huán)境中被腐蝕稱為吸氧腐蝕，鋼鐵的這種腐蝕還是占主要的。
②如果鋼鐵表面水膜的酸性較強(如在某些化工廠附近的酸性氣氛中)，此時，正極就會析出氫氣。其電極反應(yīng)如下：
負極：Fe－2e－===Fe2＋(氧化反應(yīng))
正極：2H＋＋2e－===H2↑(還原反應(yīng))
總反應(yīng)：Fe＋2H＋===Fe2＋＋H2↑。
如果鋼鐵表面水膜的酸性較弱，隨著氫氣的析出，水膜的pH上升，F(xiàn)e2＋與OH－結(jié)合生成Fe(OH)2，F(xiàn)e(OH)2繼續(xù)與空氣中的O2作用，生成Fe(OH)3，進而形成鐵銹，這種形成鐵銹的方式叫析氫腐蝕。
總之無論是吸氧腐蝕還是析氫腐蝕，作為負極的鐵都不斷地被氧化，且金屬腐蝕主要是電化學(xué)腐蝕，而電化學(xué)腐蝕中吸氧腐蝕又是主要的。
二、金屬的電化學(xué)防護
1．金屬防護原理
金屬材料大多易被腐蝕，所以要從金屬腐蝕的化學(xué)反應(yīng)原理和金屬腐蝕的類型考慮金屬防護的方法。
2．金屬防護的措施
(1)表面覆蓋保護層
①將溶液改為非電解質(zhì)，如涂上油漆、礦物性油脂等；②鍍上一層純金屬(鋅、錫、鉻、鎳)以改變電極。如：表層鍍鋅的鍍鋅鐵(俗稱白鐵皮)破損后，鐵為正極，不腐蝕；鋅為負極，被腐蝕，可以不斷補充鋅，保護鐵，延長鋼鐵的使用期。而表層鍍錫的鍍錫鐵(俗稱馬口鐵)，價格雖比鍍鋅鐵低，但表層磨損后，錫為正極，鐵為負極，加快了鋼鐵的腐蝕。此外，還可將鐵鈍化使之表面形成一層致密的Fe3O4氧化膜。
(2)電化學(xué)保護法：
①犧牲陽極的陰極保護法
這種方法通常是在被保護的鋼鐵設(shè)備(如鍋爐的內(nèi)壁、船舶的外殼等)上裝上若干鋅塊，作原電池的負極(陽極)，不斷遭受腐蝕，定期拆換，而作為正極(陰極)的鋼鐵設(shè)備就被保護了下。
②外加電流的陰極保護法
這種方法是將被保護的鋼鐵設(shè)備(如鋼閘門)作陰極，用惰性電極作輔助陽極，兩者均存在于電解質(zhì)溶液中，接上外接直流電。通電后，電子被強制流向被保護的鋼鐵設(shè)備，使鋼鐵表面產(chǎn)生負電荷(電子)的積累，抑制了鋼鐵發(fā)生失去電子的作用(氧化反應(yīng))，從而防止了鋼鐵的腐蝕。
(3)用改變金屬組成和結(jié)構(gòu)的方法防止金屬腐蝕。如鐵與鉻、鎳形成不銹鋼。
知識點一 金屬的腐蝕
1．關(guān)于金屬腐蝕的敘述中，正確的是( )
A．金屬被腐蝕的本質(zhì)是＋nH2O===(OH)n＋n2H2↑
B．馬口鐵(鍍錫鐵)鍍層破損后被腐蝕時，首先是鍍層被氧化
C．金屬在一般情況下發(fā)生的電化學(xué)腐蝕主要是吸氧腐蝕
D．常溫下，置于空氣中的金屬主要發(fā)生化學(xué)腐蝕
答案 C
解析 金屬腐蝕的本質(zhì)主要是金屬原子失電子被氧化，腐蝕的內(nèi)因是金屬的化學(xué)性質(zhì)比較活潑，外因是金屬與空氣、水和其他腐蝕性的物質(zhì)相接觸，腐蝕主要有化學(xué)腐蝕和電化學(xué)腐蝕。A中金屬腐蝕的本質(zhì)應(yīng)包括化學(xué)腐蝕和電化學(xué)腐蝕，為－ne－===n＋；B選項中Sn、Fe構(gòu)成電化學(xué)腐蝕，主要是Fe－2e－===Fe2＋，鐵先被腐蝕。常溫下，空氣中的金屬主要發(fā)生電化學(xué)腐蝕中的吸氧腐蝕，難以和非金屬氧化劑(Cl2、S)等反應(yīng)，發(fā)生化學(xué)腐蝕。
2．鋼鐵在潮濕的空氣中會被腐蝕，發(fā)生的原電池反應(yīng)為 2Fe＋2H2O＋O2===2Fe(OH)2。以下說法正確的是( )
A．負極發(fā)生的反應(yīng)為 Fe－2e－===Fe2＋
B．正極發(fā)生的反應(yīng)為 2H2O＋O2＋2e－===4OH－
C．原電池是將電能轉(zhuǎn)變?yōu)榛瘜W(xué)能的裝置
D．鋼柱在水下部分比在空氣與水交界處更容易腐蝕
答案 A
解析 由原電池反應(yīng)式知負極的電極反應(yīng)式為Fe－2e－===Fe2＋，正極的電極反應(yīng)式為2H2O＋O2＋4e－===4OH－，所以A對B錯；原電池是將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能的裝置，C錯；根據(jù)原電池原理，鋼柱在空氣與水交界處更容易腐蝕，D錯。
2．如圖所示水槽中試管內(nèi)有一枚鐵釘，放置數(shù)天觀察：
(1)鐵釘在逐漸生銹，則鐵釘?shù)母g屬于________腐蝕。
(2)若試管內(nèi)液面上升，則原溶液呈________________性，發(fā)生________腐蝕，電極反應(yīng)式：負極：___________________________________________________________________，
正極：___________________________________________________________________。
(3)若試管內(nèi)液面下降，則原溶液呈______性，發(fā)生________腐蝕。電極反應(yīng)式：負極________________________________________________________________________，
正極：___________________________________________________________________。
答案 (1)電化學(xué) (2)弱酸性或中 吸氧 2Fe－4e－===2Fe2＋ O2＋2H2O＋4e－===4OH－
(3)較強的酸 析氫 Fe－2e－===Fe2＋ 2H＋＋2e－===H2↑
解析 根據(jù)原電池的構(gòu)成條：有兩種不同的材料(Fe為負極，碳為正極)，有電解質(zhì)溶液，形成閉合回路，可知鐵釘?shù)母g屬于電化學(xué)腐蝕。根據(jù)金屬腐蝕的條、原理及結(jié)果可知：試管內(nèi)液面上升，說明試管內(nèi)壓強減小，試管內(nèi)氣體被吸收所致，是鐵釘吸氧腐蝕的結(jié)果，據(jù)此寫出電極反應(yīng)式；試管內(nèi)液面下降，說明試管內(nèi)氣體壓強變大，試管內(nèi)產(chǎn)生了新氣體所致，是鐵釘?shù)奈鰵涓g的結(jié)果，據(jù)此寫出電極反應(yīng)式。
知識點二 金屬的防護
3．下列各種方法中，能對金屬起到防止或減緩腐蝕作用的是( )
①金屬表面涂抹油漆 ②改變金屬內(nèi)部結(jié)構(gòu)�、郾３纸饘俦砻媲鍧嵏稍铩、芙饘俦砻孢M行電鍍�、菔菇饘俦砻嫘纬芍旅艿难趸锉∧�
A．①②③④ B．①③④⑤
C．①②④⑤ D．全部
答案 D
解析 金屬的腐蝕主要是電化學(xué)腐蝕，題目中①③④⑤中的方法都可以起到避免金屬和電解質(zhì)溶液接觸形成原電池的目的；②中如在金屬中加入某些其他元素改變金屬內(nèi)部結(jié)構(gòu)也可以起到防腐蝕的效果。
4．下列有關(guān)金屬腐蝕與防護的說法不正確的是( )
A．純銀器的表面在空氣中因化學(xué)腐蝕漸漸變暗
B．當鍍錫鐵制品的鍍層破損時，鍍層不能對鐵制品起保護作用
C．在海輪外殼連接鋅塊保護外殼不受腐蝕是采用了犧牲陽極的陰極保護法
D．可將地下輸油鋼管與外加直流電的正極相連以保護它不受腐蝕
答案 D
解析 純銀器的表面在空氣中易生成硫化物失去光澤；當鍍錫鐵制品鍍層破損時，由于鐵比錫活潑，形成原電池時，鐵作原電池的負極，加快鐵的腐蝕；鋅比鐵活潑，當在海輪外殼上連接鋅塊后，鋅失電子而海輪外殼被保護；要采用電解原理保護金屬，應(yīng)將金屬與電的負極相連，即作電解池的陰極。
練基礎(chǔ)落實
1．以下防腐措施中，屬于電化學(xué)保護法的是( )
A．用氧化劑使金屬表面生成致密穩(wěn)定的氧化物保護膜
B．在金屬中加入一些鉻或者鎳制成合金
C．在輪船的船殼水線以下部分，裝上一鋅錠
D．在金屬表面噴漆
答案 C
解析 在輪船的船殼水線以下部分，裝上鋅能形成鐵鋅原電池，鋅為負極，被腐蝕，鐵被保護。
2．銅制品上的鋁質(zhì)鉚釘，在潮濕空氣中易發(fā)生腐蝕的主要原因可描述為( )
A．形成原電池，鋁作負極
B．形成原電池，銅作負極
C．形成原電池時，電流由鋁經(jīng)導(dǎo)線流向銅
D．鋁質(zhì)鉚釘發(fā)生了化學(xué)腐蝕
答案 A
解析 金屬鋁發(fā)生的是電化學(xué)腐蝕，鋁比銅活潑，故金屬鋁是負極，電流的流動方向與電子的流動方向恰好相反，應(yīng)是由銅經(jīng)導(dǎo)線流向鋁。
3．鋼鐵在潮濕的空氣中會被腐蝕，發(fā)生的原電池反應(yīng)為2Fe＋2H2O＋O2===2Fe(OH)2。以下說法正確的是( )
A．負極發(fā)生的反應(yīng)為Fe－2e－===Fe2＋
B．正極發(fā)生的反應(yīng)為2H2O＋O2＋2e－===4OH－
C．原電池是將電能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能的裝置
D．鋼柱在水下部分比在空氣與水交界處更容易腐蝕
答案 A
解析 由原電池反應(yīng)式知：負極為Fe－2e－===Fe2＋，正極為2H2O＋O2＋4e－===4OH－，所以A對、B錯；原電池是將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能的裝置，C錯；根據(jù)原電池原理，鋼柱在空氣與水交界處更容易腐蝕，D錯。
練方法技巧
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，各加入生鐵塊，放置一段時間。下列有關(guān)描述錯誤的是( )
A．生鐵塊中的碳是原電池的正極
B．紅墨水柱兩邊的液面變?yōu)樽蟮陀腋?br />C．兩試管中相同的電極反應(yīng)式是 Fe－2e－===Fe2＋
D．a(chǎn)試管中發(fā)生了吸氧腐蝕，b試管中發(fā)生了析氫腐蝕
答案 B
解析 本題考查了電化學(xué)腐蝕中的析氫腐蝕和吸氧腐蝕，解答時注意電解質(zhì)的酸堿性。a為中性環(huán)境，發(fā)生吸氧腐蝕，氧氣被消耗，氣體壓強減��；b中酸性較強，發(fā)生析氫腐蝕，有氫氣放出，氣體壓強增大，所以紅墨水柱兩邊的液面變?yōu)樽蟾哂业停蔅項錯。
5．為研究金屬腐蝕的條和速率，某外小組學(xué)生用金屬絲將三根大小相同的鐵釘分別固定在圖示的三個裝置中，再放置于玻璃鐘罩里保存相同的一段時間。下列對實驗結(jié)束時現(xiàn)象的描述不正確的是( )
A．裝置Ⅰ左側(cè)的液面一定會下降
B．左側(cè)液面裝置Ⅰ比裝置Ⅱ的低
C．裝置Ⅱ中的鐵釘腐蝕最嚴重
D．裝置Ⅲ中的鐵釘幾乎沒被腐蝕
答案 B
解析 裝置Ⅰ中鐵釘處于鹽酸的蒸氣中，被侵蝕而釋放出H2，使左側(cè)液面下降，右側(cè)液面上升；裝置Ⅱ中鐵釘同樣處于鹽酸的蒸氣中，不同的是懸掛鐵的金屬絲由鐵絲換成了銅絲，由于Fe比Cu活潑，在這種氛圍中構(gòu)成的原電池會加速鐵釘?shù)那治g而放出更多的H2，使左側(cè)液面下降得更多，右側(cè)液面上升得更多；裝置Ⅲ中雖然懸掛鐵釘?shù)倪�是銅絲，但由于濃硫酸有吸水性而無揮發(fā)性，使鐵釘處于一種較為干燥的空氣中，因而在短時間內(nèi)幾乎沒有被侵蝕。
練綜合拓展
6．如何防止鐵的銹蝕是工業(yè)上研究的重點內(nèi)容。為研究鐵銹蝕的影響因素，某同學(xué)做了如下探究實驗：
序號內(nèi)容實驗現(xiàn)象
1常溫下將鐵絲放在干燥空氣中一個月干燥的鐵絲表面依然光亮
2常溫下將鐵絲放在潮濕空氣中一小時鐵絲表面依然光亮
3常溫下將鐵絲放在潮濕的空氣中一個月鐵絲表面已變得灰暗
4將潮濕的鐵絲放在常溫的氧氣流中一小時鐵絲表面略顯灰暗
5將潮濕的鐵絲放在高于常溫的氧氣流中一小時鐵絲表面已變得灰暗
6將浸過氯化鈉溶液的鐵絲放在高于常溫的氧氣流中一小時鐵絲表面灰暗程度比實驗5嚴重
回答以下問題：
(1)上述實驗中發(fā)生了電化學(xué)腐蝕的是(填實驗序號)________；在電化學(xué)腐蝕中，負極反應(yīng)是________；正極反應(yīng)是________；
(2)由該實驗可知，可以影響鐵銹蝕速率的因素是
________________________________________________________________________
________________________________________________________________________；
(3)為防止鐵的銹蝕，工業(yè)上普遍采用的方法是
________________________________________________________________________
______________________________________________________________(答兩種方法)。
答案 (1)3、4、5、6
Fe－2e－===Fe2＋(或2Fe－4e－===2Fe2＋)
2H2O＋O2＋4e－===4OH－
(2)濕度、溫度、O2的濃度、電解質(zhì)的存在
(3)電鍍、發(fā)藍等表面覆蓋保護層，犧牲陽極的陰極保護法等
解析 解答第(1)題應(yīng)注意聯(lián)系金屬的化學(xué)腐蝕與電化學(xué)腐蝕的區(qū)別，不純的金屬與電解質(zhì)溶液接觸，因發(fā)生原電池反應(yīng)，較活潑的金屬失電子而被氧化，分析題中實驗可知，實驗3、4、5、6發(fā)生了電化學(xué)腐蝕，其中負極反應(yīng)是Fe－2e－===Fe2＋，正極反應(yīng)是O2＋2H2O＋4e－===4OH－。
解答第(2)題時，對比實驗1和3可得出濕度增大，可使鐵銹蝕速率加快；對比實驗3、4可知增大O2濃度可加快鐵銹蝕的速率；對比實驗4、5可知升高溫度可加快鐵銹蝕的速率；對比實驗5、6可知電解質(zhì)的存在會使鐵銹蝕的速率加快。
第(3)題，為防止鐵的銹蝕，根據(jù)鐵銹蝕的類型，可采用犧牲陽極的陰極保護法、外加電流的陰極保護法，還可把鐵制成不銹鋼(合金)、亦可采用噴油漆、涂油脂、電鍍、表面鈍化等方法使鐵與空氣、水等物質(zhì)隔離，以防止金屬腐蝕。
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