第三單元 金屬的腐蝕與防護(hù)
[目標(biāo)要求] 1.能解釋金屬發(fā)生電化學(xué)腐蝕的原因。2.認(rèn)識(shí)金屬腐蝕的危害，了解金屬防護(hù)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(jī)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(yáng)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(shí)驗(yàn)探究
a b
實(shí)驗(yàn)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(rùn)濕過的兩支具支試管(分別標(biāo)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(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)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(fù)極，碳為正極，溶有O2的水膜為溶液。
負(fù)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(shí)驗(yàn)a具支試管中O2減少，壓強(qiáng)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(qiáng)(如在某些化工廠附近的酸性氣氛中)，此時(shí)，正極就會(huì)析出氫氣。其電極反應(yīng)如下：
負(fù)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(jìn)而形成鐵銹，這種形成鐵銹的方式叫析氫腐蝕。
總之無(wú)論是吸氧腐蝕還是析氫腐蝕，作為負(fù)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(hù)
1．金屬防護(hù)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(hù)的方法。
2．金屬防護(hù)的措施
(1)表面覆蓋保護(hù)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(fù)極，被腐蝕，可以不斷補(bǔ)充鋅，保護(hù)鐵，延長(zhǎng)鋼鐵的使用期。而表層鍍錫的鍍錫鐵(俗稱馬口鐵)，價(jià)格雖比鍍鋅鐵低，但表層磨損后，錫為正極，鐵為負(fù)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(hù)法：
①犧牲陽(yáng)極的陰極保護(hù)法
這種方法通常是在被保護(hù)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(fù)極(陽(yáng)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(hù)了下。
②外加電流的陰極保護(hù)法
這種方法是將被保護(hù)的鋼鐵設(shè)備(如鋼閘門)作陰極，用惰性電極作輔助陽(yáng)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(qiáng)制流向被保護(hù)的鋼鐵設(shè)備，使鋼鐵表面產(chǎn)生負(fù)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(shí)點(diǎn)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(shí)，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(xiàng)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(huì)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(fù)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(fù)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(duì)B錯(cuò)；原電池是將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能的裝置，C錯(cuò)；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(cuò)。
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(fù)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(fù)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(qiáng)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(fù)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(qiáng)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(qiáng)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(shí)點(diǎn)二 金屬的防護(hù)
3．下列各種方法中，能對(duì)金屬起到防止或減緩腐蝕作用的是( )
①金屬表面涂抹油漆�、诟淖兘饘賰�(nèi)部結(jié)構(gòu) ③保持金屬表面清潔干燥�、芙饘俦砻孢M(jìn)行電鍍 ⑤使金屬表面形成致密的氧化物薄膜
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(hù)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(dāng)鍍錫鐵制品的鍍層破損時(shí)，鍍層不能對(duì)鐵制品起保護(hù)作用
C．在海輪外殼連接鋅塊保護(hù)外殼不受腐蝕是采用了犧牲陽(yáng)極的陰極保護(hù)法
D．可將地下輸油鋼管與外加直流電的正極相連以保護(hù)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(dāng)鍍錫鐵制品鍍層破損時(shí)，由于鐵比錫活潑，形成原電池時(shí)，鐵作原電池的負(fù)極，加快鐵的腐蝕；鋅比鐵活潑，當(dāng)在海輪外殼上連接鋅塊后，鋅失電子而海輪外殼被保護(hù)；要采用電解原理保護(hù)金屬，應(yīng)將金屬與電的負(fù)極相連，即作電解池的陰極。
練基礎(chǔ)落實(shí)
1．以下防腐措施中，屬于電化學(xué)保護(hù)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(hù)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(fù)極，被腐蝕，鐵被保護(hù)。
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(fù)極
B．形成原電池，銅作負(fù)極
C．形成原電池時(shí)，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(fù)極，電流的流動(dòng)方向與電子的流動(dòng)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(huì)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(fù)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(fù)極為Fe－2e－===Fe2＋，正極為2H2O＋O2＋4e－===4OH－，所以A對(duì)、B錯(cuò)；原電池是將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能的裝置，C錯(cuò)；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(cuò)。
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(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(shí)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(qiáng)減��；b中酸性較強(qiáng)，發(fā)生析氫腐蝕，有氫氣放出，氣體壓強(qiáng)增大，所以紅墨水柱兩邊的液面變?yōu)樽蟾哂业�，故B項(xiàng)錯(cuò)。
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(gè)裝置中，再放置于玻璃鐘罩里保存相同的一段時(shí)間。下列對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)束時(shí)現(xiàn)象的描述不正確的是( )
A．裝置Ⅰ左側(cè)的液面一定會(huì)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(yán)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(huì)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(wú)揮發(fā)性，使鐵釘處于一種較為干燥的空氣中，因而在短時(shí)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(diǎn)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(shí)驗(yàn)：
序號(hào)內(nèi)容實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象
1常溫下將鐵絲放在干燥空氣中一個(gè)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(shí)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(gè)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(shí)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(shí)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(shí)鐵絲表面灰暗程度比實(shí)驗(yàn)5嚴(yán)重
回答以下問題：
(1)上述實(shí)驗(yàn)中發(fā)生了電化學(xué)腐蝕的是(填實(shí)驗(yàn)序號(hào))________；在電化學(xué)腐蝕中，負(fù)極反應(yīng)是________；正極反應(yīng)是________；
(2)由該實(shí)驗(yàn)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(lán)等表面覆蓋保護(hù)層，犧牲陽(yáng)極的陰極保護(hù)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(shí)驗(yàn)可知，實(shí)驗(yàn)3、4、5、6發(fā)生了電化學(xué)腐蝕，其中負(fù)極反應(yīng)是Fe－2e－===Fe2＋，正極反應(yīng)是O2＋2H2O＋4e－===4OH－。
解答第(2)題時(shí)，對(duì)比實(shí)驗(yàn)1和3可得出濕度增大，可使鐵銹蝕速率加快；對(duì)比實(shí)驗(yàn)3、4可知增大O2濃度可加快鐵銹蝕的速率；對(duì)比實(shí)驗(yàn)4、5可知升高溫度可加快鐵銹蝕的速率；對(duì)比實(shí)驗(yàn)5、6可知電解質(zhì)的存在會(huì)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(yáng)極的陰極保護(hù)法、外加電流的陰極保護(hù)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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