第四章 化学反应与电能\n第三节 金属的腐蚀与防护\n学习目标核心素养1．了解金属发生电化学腐蚀的本质，知道金属腐蚀的危害。2．了解防止金属腐蚀的措施。1．通过实验科学探究金属腐蚀的本质及其原因，培养科学探究与创新意识。2．通过认识金属腐蚀产生的危害和影响，培养科学态度和社会责任意识。\n课前素能奠基课堂素能探究课堂达标验收新课情景呈现名师博客呈现\n新课情景呈现\n耸立于美国纽约港外一个海岛上15层楼高的自由女神铜像，历来被认为是美利坚合众国的象征。然而，经过近百年的风风雨雨，它和人一样，已经生“病”了。自由女神铜像近百年来一直受着一种“疾病”的折磨，那就是电化学腐蚀。“自由女神”的外壳材料是铜，而支撑整个雕像的内支架却是铁的，在它们之间仅用一层浸透油的毛毡隔开。随着时光的流逝，那一层毛毡失去\n了隔离作用，而大西洋夹带着盐分的潮湿空气不断地向自由女神进行攻击，无数的原电池便在“自由女神”的身上形成了。这种原电池以铁为负极，铜为正极，夹带盐分的湿空气正好在两极之间起着电解质溶液的作用，结果加速了铁的腐蚀。面对自由女神雕像的腐蚀问题，应采取什么措施和方法？\n秦始皇兵马俑一号坑在沉寂了24年后，考古学者对它进行了第三次大规模发掘，同前两次一样，这一次也出土了大量的青铜器，其中有的青铜兵器在地下埋藏两千多年，但出土后依然光亮如新，锋利无比。这些兵器为什么会保存的完整无损呢？在生产生活中如何保护金属制品不受腐蚀呢？\n课前素能奠基\n一、金属的电化学腐蚀1．金属腐蚀：新知预习氧化还原失去氧化化学腐蚀析氢吸氧\n2．化学腐蚀和电化学腐蚀：\n\n(2)析氢腐蚀和吸氧腐蚀。\n类别项目析氢腐蚀吸氧腐蚀电极反应负极_______________________正极_____________________________________________总反应________________________________________________联系通常两种腐蚀同时存在，但后者更普遍Fe－2e－===Fe2＋2H＋＋2e－===H2↑2H2O＋O2＋4e－===4OH－Fe＋2H＋===Fe2＋＋H2↑2Fe＋2H2O＋O2===2Fe(OH)2\n二、金属的电化学防护正极负极负极阴极正极阳极\n三、金属的其他防护方法1．加涂保护层：如采用喷油漆、涂油脂、电镀、喷镀或表面钝化等方法，使金属与____________等物质隔离，防止金属被氧化腐蚀。2．改变金属的内部结构：如把铬、镍等金属加入普通钢中制成耐腐蚀的__________。空气、水不锈钢\n预习自测1．下列有关金属腐蚀与防护的说法正确的是()A．钢铁析氢腐蚀和吸氧腐蚀的速率一样快B．当镀锡铁制品的镀层破损时，镀层仍能对铁制品起保护作用C．海轮外壳焊接锌块是采用了牺牲阳极的阴极保护法D．可将地下输油钢管与外加直流电源的正极相连以保护它不受腐蚀C\n解析：钢铁的腐蚀主要是析氢腐蚀和吸氧腐蚀，由于所处的溶液酸碱性不同，因此二者的腐蚀速率不同，故A错误；Fe、Sn形成原电池时，Fe为负极，负极失电子被腐蚀，所以当镀锡铁制品的镀层破损时，镀层不能对铁制品起保护作用，故B错误；Fe、Zn形成原电池时，Fe为正极，Zn为负极失电子，则Fe被保护，属于牺牲阳极的阴极保护法，故C正确；Fe与正极相连作阳极，活性电极作阳极时，电极失电子被腐蚀，则地下输油钢管与外加直流电源的负极相连以保护它不受腐蚀，故D错误。\n2．钢铁发生吸氧腐蚀时，正极上发生的电极反应式是()A．2H＋＋2e－===H2B．Fe2＋＋2e－===FeC．2H2O＋O2＋4e－===4OH－D．Fe3＋＋e－===Fe2＋解析：钢铁在接近中性或弱碱性的空气中发生的腐蚀为吸氧腐蚀。各电极反应式为负极：Fe－2e－===Fe2＋；正极：2H2O＋O2＋4e－===4OH－综上所述，C项正确。C\n3．下列关于金属腐蚀的说法正确的是()A．金属腐蚀的本质是金属原子失去电子而被还原B．金属的化学腐蚀必须在酸性条件下进行C．金属的化学腐蚀实质是M－ne－===Mn＋，电子直接转移给氧化剂D．在潮湿环境中，金属的电化学腐蚀一定是析氢腐蚀C\n解析：金属腐蚀的本质是金属原子失去电子而被氧化的过程，A错误；金属的化学腐蚀在酸性或碱性环境中均有可能进行，如金属铝的化学腐蚀在碱性条件下进行，B错误；金属的化学腐蚀实质是金属原子失去电子变为金属阳离子，可表示为M－ne－===Mn＋，电子由金属原子直接转移给氧化剂，C正确；在潮湿环境中，金属的电化学腐蚀主要以吸氧腐蚀为主，D错误。\n课堂素能探究\n知识点问题探究：1．纯铁片放入稀硫酸中发生的是什么腐蚀？2．在铁的表面镀上一层其他金属是常见的防止铁生锈的方法，常见的有镀锡(马口铁)和镀锌(白铁皮)，为什么镀层破损后，镀锌钢板(白铁皮)比镀锡钢板(马口铁)耐腐蚀？金属的腐蚀\n探究提示：1．纯铁片放入稀硫酸中发生反应：Fe＋H2SO4(稀)===FeSO4＋H2↑，发生的是化学腐蚀。2．镀层破损后，白铁皮形成原电池，因锌比铁活泼，易失去电子，从而保护了铁；而马口铁破损后，因为形成原电池时，铁比锡活泼，铁被腐蚀。所以在镀层破损后，镀锌钢板比镀锡钢板耐腐蚀。\n知识归纳总结：1．金属的化学腐蚀和电化学腐蚀的联系和区别：化学腐蚀电化学腐蚀吸氧腐蚀析氢腐蚀条件金属与干燥气体或非电解质液体等直接接触水膜中溶有O2，酸性很弱或呈中性水膜酸性较强本质金属被氧化而腐蚀较活泼金属被氧化而腐蚀现象无电流产生有微弱电流产生\n化学腐蚀电化学腐蚀吸氧腐蚀析氢腐蚀反应式(以铁腐蚀为例)2Fe＋3Cl2===2FeCl3负极：2Fe－4e－===2Fe2＋正极：2H2O＋O2＋4e－===4OH－正极：4H＋＋4e－===2H2↑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\n2．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。发生原电池反应引起的腐蚀为电化学腐蚀，无原电池反应发生的腐蚀为化学腐蚀。(2)如果是电化学腐蚀，判断出正、负极，较活泼的金属为负极被腐蚀，较不活泼的金属为正极被保护。\n(3)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。潮湿的空气、中性溶液中发生吸氧腐蚀；NH4Cl溶液、稀H2SO4等酸性溶液中发生析氢腐蚀。(4)根据金属活动性顺序表分析析氢腐蚀和吸氧腐蚀。金属活动性顺序表中氢前面的金属，在酸性较强的电解质溶液中发生析氢腐蚀，在中性或酸性较弱的电解质溶液中发生吸氧腐蚀；金属活动性顺序在氢后面的金属只可能发生吸氧腐蚀。\n3．金属腐蚀受多种因素影响(1)就金属本性来说，金属越活泼，越易失电子被腐蚀。(2)金属越纯越难腐蚀，如纯铁即使在酸性溶液中反应也很慢，但生铁在潮湿空气中就会发生腐蚀而生锈。(3)介质对金属腐蚀的影响也很大，如金属在潮湿的空气中，接触腐蚀性气体或电解质溶液，都易被腐蚀。\n如图所示装置，若开始时a、b两端液面相平，放置一段时间后，下列有关叙述中正确的是()A．铁丝在两处的腐蚀速率：a＞bC典例1B．a、b两端相同的电极反应式为Fe－3e－===Fe3＋C．一段时间后，a端液面高于b端液面D．a处总反应为Fe＋2H2O===Fe(OH)2＋H2↑\n解析：左边试管中，生铁发生吸氧腐蚀，右边试管中，生铁发生析氢腐蚀。A项，生铁发生析氢腐蚀的速率比吸氧腐蚀的速率大，错误；B项，a处负极上铁失电子，正极上氧气得电子，b处负极上铁失电子，正极上氢离子得电子，所以a、b两处相同的电极反应式为Fe－2e－===Fe2＋，错误；C项，a处发生吸氧腐蚀，b处发生析氢腐蚀，一段时间后，a处气体压强减小，b处气体压强增大，导致溶液从b处向a处移动，所以a处液面高于b处液面，正确；D项，a处发生吸氧腐蚀，其总反应为2Fe＋O2＋2H2O===2Fe(OH)2，错误。\n〔变式训练1〕下列说法不正确的是()A．钢铁因含杂质而容易发生电化学腐蚀，所以合金都不耐腐蚀B．原电池反应是导致金属腐蚀的主要原因，但人们可以利用原电池原理来减缓金属的腐蚀C．钢铁电化学腐蚀两种类型主要区别在于水膜的酸性不同，正极反应不同D．无论哪种类型的腐蚀，其实质都是金属被氧化A\n解析：不锈钢和铝合金等耐腐蚀，A项错误；金属作原电池正极时被保护，B项正确；水膜酸性较强时，铁主要发生析氢腐蚀，水膜中性或弱酸性时发生吸氧腐蚀，C项正确；金属被腐蚀的实质是金属失电子，被氧化，D项正确。\n知识点金属的防护问题探究：1．为保护地下钢管不被腐蚀，可采取的电化学保护措施有哪些？2．铁制品在潮湿的环境中和在干燥环境中哪种环境更易生锈？其原因是什么？探究提示：1．将钢管与锌板相连，或将钢管与直流电源负极相连。2．潮湿环境中更易生锈；铁制品中含有杂质碳，在潮湿环境下的电解质溶液中构成原电池，加快了铁被氧化的反应速率。\n\n2．金属腐蚀快慢的判断方法：(1)对同一种金属来说，腐蚀的快慢：强电解质溶液＞弱电解质溶液＞非电解质溶液。(2)活动性不同的两金属：活动性差别越大，活动性强的金属腐蚀越快。(3)对同一种电解质溶液来说：电解质溶液浓度越大，腐蚀越快，且氧化剂的浓度越高，氧化性越强，腐蚀越快。\n(4)不同原理引起的腐蚀的速率：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。(5)从防腐措施方面分析腐蚀的快慢：外加电流的保护法防腐＜牺牲阳极的保护法防腐＜有一般防护条件的防腐＜无防护条件的防腐。【易错提醒】不要因为“阳极”“阴极”而把牺牲阳极的保护法的工作原理当作电解原理。\n下列说法不正确的是()A．一般来说，不纯的金属与电解质溶液接触时，会发生原电池反应B．溶液中Fe2＋可以用K3[Fe(CN)6]溶液来检测C．铁锈覆盖在钢铁表面，阻止钢铁继续腐蚀D．在船身上装锌块来避免船体遭受腐蚀C典例2\n解析：不纯的金属，杂质和金属构成原电池的两个电极，与电解质溶液接触时，会发生原电池反应，故A正确；溶液中Fe2＋遇到K3[Fe(CN)6]溶液可以产生蓝色沉淀，故B正确；铁锈的结构比较疏松，无法隔绝空气中的水分和氧气，所以无法阻止钢铁继续腐蚀，故C错误；在船身上装锌块，锌比较活泼，先被腐蚀，是利用原电池原理来避免船体遭受腐蚀，故D正确。\n〔变式训练2〕据最近报道，中国生产的首艘国产航母已经下水。为保护航母、延长服役寿命可采用两种电化学方法。方法1：舰体镶嵌一些金属块；方法2：航母舰体与电源相连。下列有关说法正确的是()A．方法1叫外加电流的保护法B．方法2叫牺牲阳极的保护法C．方法1中金属块可能是锌、锡和铜D．方法2中舰体连接电源的负极D\n解析：舰体上镶嵌活泼性比铁强的金属，如锌，该方法为牺牲阳极保护法，A、C错误；舰体与直流电源的负极相连，该法为外加电流保护法，B错，D正确，故选D。\n名师博客呈现\n补牙剂与原电池常用的补牙剂中有一种汞合金，它含有几乎等质量的汞、银、锡、铜和锌。这种补牙剂十分坚固，耐腐蚀，不产生有毒物质或可溶性物质。但是，用了这种补牙剂的人可能会碰到一个麻烦，当他们享用口香糖或糖果时，如果补过的牙不小心咬到包装用的铝箔——啊！疼！据牙科医生说，两颗坏牙上的补牙剂接触时也会产生疼痛。这是为什么呢？\n补牙剂汞合金中含有组成大致为Ag2Hg3、Ag3Sn、SnxHg(x＝7～9)的物质，它们可能发生电极反应，如：3Hg2＋＋2Ag＋6e－===Ag2Hg3Sn2＋＋3Ag＋2e－===Ag3Sn铝比汞合金中任何一种金属都活泼，可能发生的电极反应为：Al－3e－===Al3＋当铝与这种补牙剂接触时，唾液充当电解液，铝电极发生氧化反应成为负极，补牙剂中的合金发生还原反应成为正极，形成一个微电池。微电池产生的微电流刺激牙神经，就产生了疼痛感。\n课堂达标验收\n1．如图所示是探究铁发生腐蚀的装置图。发现开始时U形管左端红墨水水柱下降，一段时间后U形管左端红墨水水柱又上升。下列说法中不正确的是()A．开始时发生的是析氢腐蚀B．一段时间后发生的是吸氧腐蚀C．两种腐蚀负极的电极反应式均为Fe－2e－===Fe2＋D．析氢腐蚀的总反应式为2Fe＋O2＋2H2O===2Fe(OH)2D\n解析：在酸性条件下发生析氢腐蚀：2H＋＋2e－===H2↑，产生的氢气使试管内压强增大，造成U形管左端红墨水水柱下降，A项正确；发生析氢腐蚀一段时间后，溶液中的c(H＋)逐渐减小，在酸性很弱或中性条件下则发生吸氧腐蚀：2H2O＋O2＋4e－===4OH－，反应中消耗氧气使试管内压强减小，造成U形管左端红墨水水柱上升，B项正确；无论是析氢腐蚀还是吸氧腐蚀，负极都是铁失去电子，即Fe－2e－===Fe2＋，C项正确；析氢腐蚀，负极：Fe－2e－===Fe2＋，正极：2H＋＋2e－===H2↑，总反应式为Fe＋2H＋===Fe2＋＋H2↑，D项错误。\n2．有关远洋轮船船壳腐蚀与防护叙述错误的是()A．可在船壳外刷油漆进行保护B．可将船壳与电源的负极相连进行保护C．可在船底安装锌块进行保护D．在海上航行时，船壳主要发生析氢腐蚀D\n解析：在船壳外刷油漆可以防止金属和海水、空气接触，所以在船壳外刷油漆可以对船壳进行保护，故A正确；将船壳与电源的负极相连，即船壳为阴极，阴极材料不易被腐蚀，电解池的阴极金属被保护，故B正确；在船底安装锌块，形成原电池，金属锌是负极，被腐蚀，正极材料Fe被保护，故C正确；海水是中性环境，金属会发生吸氧腐蚀，即在海上航行时，船壳主要发生吸氧腐蚀，故D错误。\n3．《我在故宫修文物》这部纪录片里关于古代青铜器的修复引起了某研学小组的兴趣。“修旧如旧”是文物保护的主旨。(1)查阅高中教材得知铜锈为Cu2(OH)2CO3，俗称铜绿，可溶于酸。请写出铜绿与盐酸反应的化学方程式。\n(2)继续查阅中国知网，了解到铜锈的成分非常复杂，主要成分有Cu2(OH)2CO3和Cu2(OH)3Cl。考古学家将铜锈分为无害锈和有害锈，结构如图所示：Cu2(OH)2CO3和Cu2(OH)3Cl分别属于无害锈和有害锈，请解释原因。\n(3)如图为青铜器在潮湿环境中发生电化学腐蚀生成有害锈Cu2(OH)3Cl的原理示意图\n①写出在发生电化学腐蚀的过程中正极的电极反应式。②若生成2.145gCu2(OH)3Cl，计算理论上消耗标准状况氧气体积。③文献显示有害锈的形成过程中会产生CuCl(白色不溶于水的固体)：写出过程Ⅰ中负极的电极反应式。\n(4)BTA保护法是青铜器的修复最常用的方法之一，原理如图所示：请分析BTA保护法可能的优点。\n答案：(1)Cu2(OH)2CO3＋4HCl===2CuCl2＋3H2O＋CO2↑(2)结合图像可知，Cu2(OH)2CO3为致密结构，可以阻止潮湿空气进入内部进一步腐蚀铜，属于无害锈。Cu2(OH)3Cl为疏松结构，潮湿空气可以进入空隙内将内部的铜进一步腐蚀，属于有害锈。(3)①O2＋4e－＋2H2O===4OH－②0.224L③Cu－e－＋Cl－===CuCl(4)在青铜器表面形成一层致密的透明保护膜；能够替换出锈层中的Cl－，能够高效除去有害锈；此法不破坏无害锈，可以保护青铜器的艺术价值，做到“修旧如旧”。\n解析：(1)铜锈为碱式盐，与盐酸反应方程式为Cu2(OH)2CO3＋4HCl===2CuCl2＋CO2↑＋3H2O。(2)由图象分析可知，Cu2(OH)2CO3为致密结构，为无害锈，Cu2(OH)3Cl为疏松结构，为有害锈。①正极的电极反应式为O2＋4e－＋2H2O===4OH－。②n[Cu2(OH)3Cl]＝2.145g÷214.5g·mol－1＝0.01mol，根据转移电子相等可得n(O2)＝0.01mol×2×2/4＝0.01mol，故在标准状况体积为V＝0.01mol×22.4L·mol－1＝0.224L。③结合图示可知，过程Ⅰ中Cu作负极，电极反应式是Cu－e－＋Cl－===CuCl。\n(4)由图示可知，BTA保护法是生成高聚物透明膜将产生的离子隔绝在外，替换出锈层中的Cl－，能高效去除有害锈，和酸浸法相比，不破坏无害锈，可以保护青铜器的艺术价值。
