新教材2023年高中化学第四章化学反应与电能第三节金属的腐蚀与防护课件新人教版选择性必修1

第三节金属的腐蚀与防护目标素养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③

Fe-2e-====Fe2+

正极④

2H++2e-====H2↑

⑤2H2O+O2+4e-====4OH-

总反应式⑥

Fe+2H+====Fe2++H2↑

⑦

2Fe+2H2O+O2====2Fe(OH)2

类型析氢腐蚀吸氧腐蚀图形描述

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。例如,在钢铁制品的表面喷涂

油漆

、矿物性油脂或覆盖

搪瓷

、塑料等;用电镀等方法在钢铁表面镀上一层锌、锡、铬、镍等金属;用化学方法在钢铁部件表面进行

发蓝

处理(生成一层致密的四氧化三铁薄膜);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;等等。另外,采用离子注入、表面渗镀等方式在金属表面也可以形成稳定的

钝化膜

。

3.电化学保护法。(1)牺牲阳极法。如图1,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。

图1(2)外加电流法。如图2,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

。

图2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,铁腐蚀加快答案:C解析:A中原电池工作时阳离子向正极移动,错误;B中铝制铆钉接铁板形成原电池,铝作为负极,铁作为正极不容易被腐蚀,错误;C中马口铁(镀锡)的表面一旦破损,铁作为负极,加快腐蚀,正确;D中白铁(镀锌)的表面一旦破损,铁作为正极,受到保护,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答案:B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。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,则原溶液呈较强的

性,发生的正极反应为

。

答案:(2)吸氧Fe-2e-══Fe2+

O2+2H2O+4e-══4OH-(3)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。一、金属的化学腐蚀与电化学腐蚀的比较(以铁为例)重难归纳

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)析氢腐蚀比较项目化学腐蚀电化学腐蚀(主要)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)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反应式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-。典例剖析下列有关金属腐蚀的说法正确的是(

)。A.金属腐蚀指不纯金属接触到电解质溶液时进行化学反应而损耗的过程B.电化学腐蚀指在外加电流的作用下不纯金属发生化学反应而损耗的过程C.钢铁腐蚀最普遍的是吸氧腐蚀,负极吸收氧气最终转化为铁锈D.金属的电化学腐蚀和化学腐蚀本质相同,但电化学腐蚀伴有电流产生D解析:金属腐蚀既包括化学腐蚀又包括电化学腐蚀,A项错误;电化学腐蚀是指形成原电池反应引起的腐蚀,B项错误;吸氧腐蚀正极上O2得电子,C项错误;电化学腐蚀与化学腐蚀的本质都是金属被氧化成金属离子,本质相同,但电化学腐蚀过程中会产生微弱的电流,D项正确。方法归纳对金属腐蚀的理解。

(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。学以致用1.铁生锈是一种常见的自然现象,其主要反应的化学方程式为4Fe+3O2+xH2O══2Fe2O3·xH2O。如图为一放在水槽中的铁架,水位高度如图。最容易生锈的铁架横杆是(

)。A.① B.② C.③ D.④答案:C2.如图装置中,小试管内为红墨水,具支试管内盛有pH=5的雨水和生铁片。观察到开始时导管内液面下降,一段时间后导管内液面回升,略高于小试管液面。以下有关解释合理的是(

)。A.生铁片中的碳是原电池的负极,发生还原反应B.雨水酸性较强,生铁片仅发生析氢腐蚀C.红墨水回升时,正极反应式:O2+2H2O+4e-══4OH-D.具支试管中溶液pH逐渐减小C解析:生铁与其中的碳及电解质溶液构成原电池,负极是铁,铁失去电子发生氧化反应,碳是正极,正极发生还原反应。开始时,因酸性较强发生析氢腐蚀,一段时间后导管内液面回升且略高于小试管液面,说明具支试管中气体压强减小,此时发生吸氧腐蚀,正极反应式是2H2O+O2+4e-══4OH-,故溶液的pH增大,A、B、D三项错误;C项正确。二、金属腐蚀快慢的一般规律重难归纳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。结合金属腐蚀的本质,分析如何进行金属防护。提示:金属腐蚀的本质是被氧化剂氧化变成金属阳离子。金属防护的基本思路是:①防止金属与氧化性介质直接接触;②防止金属表面形成电解质溶液;③改善金属的内部结构;④利用电化学原理进行防护。典例剖析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:

。

(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:

。

答案:(1)O2+2H2O+4e-══4OH-(2)①铜Cu2++2e-══Cu

②铁比铜活泼,镀层铜破损后,铁与铜在潮湿环境中形成原电池,铁为负极,加速铁的腐蚀(其他答案合理也可)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5.12g,则电镀时电路中通过的电子的物质的量是多少?答案:0.08mol。析出1mol铜时两电极的质量差为64g+64g=128g,转移2mol电子,当质量差为5.12g,电路中通过的电子为×2mol=0.08mol。学以致用1.相同材质的铁在图中的四种情况下最不易被腐蚀的是(

)。答案:C解析:在A中,食醋提供电解质溶液环境,铁勺和铜盆是相互接触的两个金属极,形成原电池,铁是活泼金属作负极;在B中,食盐水提供电解质溶液环境,铁炒锅和铁铲都是铁碳合金,符合原电池形成的条件,铁是活泼金属作负极,碳作正极;在C中,铜镀层将铁球覆盖,使铁被保护,所以铁不易被腐蚀;在D中,酸雨提供电解质溶液环境,铁铆钉和铜板分别作负、正极,形成原电池。2.如图所示,各烧杯中盛有海水,铁在其中被腐蚀由快到慢的顺序为(

)。A.②①③④⑤⑥B.⑤④③①②⑥C.⑤④②①③⑥D.⑤③②④①⑥答案:C解析:先判断装置是形成原电池还是电解池,再分析金属活动性的差别。①中Fe为负极,杂质C为正极,属于钢铁的吸氧腐蚀,腐蚀速率较慢。②③④实质均为原电池装置,③中Fe为正极,被保护;②④中Fe为负极,均被腐蚀,但相对来说Fe与Cu的金属活动性差别较Fe与Sn的大,故铁铜原电池中Fe的腐蚀速率较快;⑤中Fe接电源正极作阳极,Cu接电源负极作阴极,加快了Fe的腐蚀;⑥中Fe接电源负极作阴极,Cu接电源正极作阳极,防止了Fe的腐蚀。根据以上分析可知:铁在其中被腐蚀由快到慢的顺序为⑤>④>②>①>③>⑥。1.下列关于金属腐蚀的说法正确的是(

)。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答案: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.为保护地下钢管不受腐蚀,下列方法中属于牺牲阳极法的是(

)。A.与石墨棒相连

B.与铜板相连C.埋在潮湿、疏松的土壤中 D.与锌板相连答案:D解析:A项,石墨棒与铁构成原电池,铁活泼,失电子作负极,被腐蚀;B项,铜板与铁构成原电池,铁比铜活泼,失电子作负极,被腐蚀;C项,在潮湿、疏松的土壤中,铁与水、空气构成原电池,氧气得电子,铁失电子,被腐蚀;D项,锌板与铁构成原电池,锌比铁活泼,锌失电子作负极,锌被腐蚀,铁被保护。3.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