金属的腐蚀与防护(原卷版)

4.3金属的腐蚀与防护学习目标重难点1．认识金属腐蚀的危害，能利用原电池原理解释电化学腐蚀的原因。2．能正确书写析氢腐蚀和吸氧腐蚀的电极反应式和总反应式。3．了解金属腐蚀的防护方法。重点：金属的电化学腐蚀及金属的电化学防护。难点：金属发生吸氧腐蚀的电化学原理。知识01金属的腐蚀1．金属的腐蚀(1)概念：金属或合金与周围的气体或液体发生____________反应而引起损耗的现象。其实质是金属原子失去电子变为__________，金属发生__________。(2)根据与金属接触的气体或液体不同，金属腐蚀可分为两类：化学腐蚀：金属与其表面接触的一些物质(如O2、Cl2、SO2等)直接_____而引起的腐蚀。腐蚀的速率随温度升高而加快。电化学腐蚀：当不纯的金属与电解质溶液接触时会发生__________反应，比较活泼的金属发生氧化反应而被腐蚀。2．电化学腐蚀(1)钢铁的电化学腐蚀类别项目析氢腐蚀吸氧腐蚀图形描述条件水膜酸性较_____水膜酸性很_____或呈_____性负极Fe－2e－Fe2＋正极________________________________________总反应________________________________________后续反应最终生成铁锈(主要成分为Fe2O3·xH2O)，反应如下：4Fe(OH)2＋O2＋2H2O=4Fe(OH)3，2Fe(OH)3Fe2O3·xH2O＋(3－x)H2O联系通常两种腐蚀同时存在，但后者更普遍(2)实验探究：电化学腐蚀实验操作实验现象实验解释导管中液面_____装置中铁、碳和饱和食盐水构成原电池，铁钉发生_____腐蚀试管中产生气泡的速率_____Zn与CuSO4反应生成Cu，Zn、Cu和稀盐酸构成原电池，形成___________腐蚀，速率更快13金属腐蚀快慢比较(1)在同一电解质溶液中：电解池原理引起的腐蚀>原电池原理引起的腐蚀>化学腐蚀>有防护措施的腐蚀。(2)同一种金属在相同浓度不同介质中腐蚀由快到慢的顺序为强电解质溶液>弱电解质溶液>非电解质溶液。(3)有无保护措施的腐蚀快慢顺序：无保护措施的金属腐蚀>有一定保护措施的金属腐蚀>牺牲阳极的阴极保护法引起的金属腐蚀>有外加电流的阴极保护法引起的金属腐蚀。(4)对同一种电解质溶液来说，电解质溶液浓度越大，腐蚀速率越快。(1)化学腐蚀和电化学腐蚀往往同时发生，只是电化学腐蚀比化学腐蚀更普遍，速率也大得多危害更大。(2)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。(3)钢铁发生析氢腐蚀或吸氧腐蚀时，负极都是铁，失电子生成Fe2＋，而非Fe3＋。1．什么是金属的腐蚀？答：2．根据与金属接触的气体或液体不同，金属腐蚀可分哪两类？并加以分析比较。答：2．钢铁发生电化学腐蚀时，负极铁失去电子生成Fe2＋，而不是生成Fe3＋，如何检验？答：3．简述钢铁容易发生电化学腐蚀的原因？答：4．铁的腐蚀以哪种类型为主?为什么?答：5．Fe(OH)2最终生成铁锈(主要成分为Fe2O3·xH2O)，完成下列反应。Fe(OH)2→Fe(OH)3；Fe(OH)3→Fe2O3·xH2O。判断正误(正确的打“√”，错误的打“×”)。(1)金属的化学腐蚀的实质是：M－ne－Mn＋，电子直接转移给氧化剂()(2)铁的电化学腐蚀负极反应为Fe－3e－Fe3＋()(3)Al、Fe、Cu在潮湿的空气中腐蚀均生成氧化物()(4)铜既可以发生析氢腐蚀也可以发生吸氧腐蚀()(5)每生成1mol铁锈(Fe2O3·xH2O)，理论上消耗标准状况下的O233.6L()(6)一般情况下，金属主要发生吸氧腐蚀()(7)白铁(镀锌铁)镀层破损后不会导致铁迅速锈蚀()(8)金属Cu无论在酸性条件下，还是在碱性条件下发生的都是吸氧腐蚀()知识02金属的防护1．金属的防护(1)改变金属材料的组成在金属中添加其他金属或非金属制成性能优异的_____。如普通钢加入镍、铬制成不锈钢，钛合金不仅具有优异的抗腐蚀性能且具有良好的生物相容性。(2)在金属表面覆盖保护层在金属表面覆盖致密的保护层，将金属制品与周围物质隔开是一种普遍采用的防护方法。在钢铁表面涂矿物性油脂、油漆或覆盖搪瓷、塑料等物质。用电镀的方法，在钢铁制品表面镀上一层不易被腐蚀的金属，如锌、锡、铬、镍等。工业上常利用一些溶液的氧化作用，在机器零件、精密仪器、枪炮等钢铁制件的表面上形成一层致密的黑色的四氧化三铁薄膜。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。采用离子注入、表面渗镀等方式在金属表面可以形成稳定的钝化膜。2．电化学保护法金属在发生电化学腐蚀时，总是作为原电池负极(阳极)的金属被腐蚀，作为正极(阴极)的金属不被腐蚀，如果能使被保护的金属成为阴极，就不易被腐蚀。(1)牺牲阳极法原理：_____原理要求：被保护的金属作_____极，活泼性更强的金属作_____极。应用：锅炉内壁、船舶外壳、钢铁闸门安装镁合金或锌块实验探究一：如图装置反应一段时间后，往Fe电极区滴入2滴黄色K3[Fe(CN)6](铁氰化钾)溶液，观察实验现象。已知Fe2＋与[Fe(CN)6]3－反应生成带有特征蓝色的KFe[Fe(CN)6]沉淀。实验装置电流表阳极(负极区)阴极(正极区)现象指针偏转Zn溶解有气泡产生，无蓝色沉淀生成有关反应—Zn－2e－Zn2＋2H＋＋2e－H2↑结论溶液中不含_____，铁作正极未被腐蚀实验探究二：培养皿中放入含有NaCl的琼脂，并注入5～6滴酚酞和K3[Fe(CN)6]溶液，取两个2～3cm的铁钉，用砂纸擦光，将裹有锌皮的铁钉放入a，缠有铜丝的铁钉放入b。实验装置现象铁钉周围变_____铁钉周围生成蓝色沉淀，铜丝周围变_____结论铁作为_____极时易腐蚀，作为_____极时未腐蚀(2)外加电流法原理：电解池原理要求：被保护的金属作为_____极，与电源的_____极相连应用：钢铁闸门，高压线铁架，地下管道连接直流电源的负极。1．人们在生产、生活中采取了哪些防止金属腐蚀的措施？简述其原理。答：2．金属的防护主要从金属、与金属接触的物质及两者反应的条件等方面来考虑，主要可采取哪些方法？答：3．金属电化学防护的方法有哪些？效果哪一个更好？答：4．钢铁的防腐通常采用下列两种阴极保护法，请加以分析比较。答：牺牲阳极法外加电流法示意图工作原理原电池原理电解池原理电极设计负极：活泼性更强的金属正极：被保护的金属阳极：惰性金属或石墨阴极：被保护的金属5．如何快速检验Fe2＋？答：判断正误(正确的打“√”，错误的打“×”)。(1)若在海轮外壳上附着一些铜块，则可以减缓海轮外壳的腐蚀()(2)镀锌铁和镀锡铁在保护层破损后，就失去了对金属的保护作用()(3)外加电流法是把被保护的钢闸门作为阳极，把惰性电极作为辅助阴极()(4)在轮船的船体上镶嵌锌块属于外加电流的阴极保护法()(5)家用菜刀切完咸菜后应冲洗干净并擦干水渍()(6)水库里钢闸门与电源负极相连的方法叫做外加电源的阴极保护法()(7)镀锌的目的是在钢管表面形成Fe—Zn合金，增强钢管的耐腐蚀能力()(8)钢管镀锌过程中，阴极的电极反应式为Zn2++2e=Zn()题型一金属的电化学腐蚀【典例1】如图所示的钢铁腐蚀中，下列说法正确的是()A．碳表面发生还原反应B．钢铁被腐蚀的最终产物为FeOC．生活中钢铁制品的腐蚀以图①所示为主D．图②中，正极反应式为O2+4e－+2H2O═4OH－【答案】D【解析】A项，碳是正极，表面发生还原反应，A正确；B项，钢铁被腐蚀的最终产物为氧化铁，B错误；C项，图①为析氢腐蚀，电解质溶液呈酸性，生活中钢铁制品的腐蚀以图②吸氧腐蚀为主，C错误；D项，图②为吸氧腐蚀，正极反应式为O2+4e－+2H2O＝4OH－，D正确。故选D。【变式1】某同学进行下列实验操作现象取一块打磨过的生铁片，在其表面滴一滴含酚酞和K3[Fe(CN)6]的食盐水放置一段时间后，生铁片上出现如图所示“斑痕”，其边缘为红色，中心区域为蓝色，在两色环交界处出现铁锈下列说法不合理的是()A．生铁片发生吸氧腐蚀B．中心区的电极反应式为Fe－2e－=Fe2＋C．边缘处的电极反应式为O2＋2H2O＋4e－=4OH－D．交界处发生的反应为4Fe2＋＋O2＋10H2O=4Fe(OH)3＋8H＋解金属腐蚀原理及类型题的步骤(1)根据题中信息或图示装置判断金属腐蚀的类型。(2)若为电化学腐蚀，可根据电解质溶液的酸碱性，判断是吸氧腐蚀还是析氢腐蚀。(3)根据腐蚀的类型，可写出相应的电极反应式，进一步分析判断。题型二金属腐蚀的防护【典例2】某城市为了减少钢管因锈蚀造成的损失，拟用如图方法保护埋在酸性土壤中的钢管。下列有关说法正确的是()A．在潮湿的酸性土壤中钢管主要发生化学腐蚀B．在潮湿的酸性土壤中金属棒M将电子通过导线流向钢管C．在潮湿的酸性土壤中H+向金属棒M移动，抑制H+与铁的反应D．钢管与金属棒M也可用导线分别连接直流电源正、负极以使钢管表面的腐蚀电流接近于零【答案】B【解析】A项，在酸性环境下，钢铁发生析氢腐蚀，故A错误；B项，为了减少钢管的损失，金属棒M、钢管应在酸性土壤中形成原电池，其中金属M做负极，失去电子，失去的电子通过导线流向钢管，钢管做正极被保护，故B正确；C项，在潮湿的酸性土壤中，存在大量氢离子，氢离子移动到正极上得电子被还原，即移动到钢管上得电子，故能抑制氢离子与铁的反应，故C错误；D项，钢管与金属棒M也可用导线分别连接直流电源正、负极，钢管作正极，腐蚀速率加快，故D错误。【变式2】验证牺牲阳极法，实验如下(烧杯内均为经过酸化的3%NaCl溶液)。①②③在Fe表面生成蓝色沉淀试管内无明显变化试管内生成蓝色沉淀下列说法不正确的是()A．对比②③，可以判定Zn保护了FeB．对比①②，K3[Fe(CN)6]可能将Fe氧化C．验证Zn保护Fe时不能用①的方法D．将Zn换成Cu，用①的方法可判断Fe比Cu活泼【基础巩固】1．化学与生活、生产有着密切关系，下列叙述中正确的是()A．钢铁发生析氢腐蚀时，H＋得电子释放出H2，钢铁被腐蚀B．钢铁发生吸氧腐蚀时，OH－失电子释放出O2，钢铁被腐蚀C．船底镶嵌锌块，锌发生还原反应而被消耗，以保护船体D．外加电源的正极连接在海水中的钢铁闸门上，可保护闸门2．某地下了一场酸雨，在这种环境中的铁制品极易被腐蚀。对该条件下铁制品发生电化学腐蚀的叙述正确的是()A．该电化学腐蚀是析氢腐蚀 B．正极反应式：O2+4e=2O2C．原电池反应减缓了铁制品的腐蚀 D．负极反应式：Fe3e=Fe3+3．铜板上铁铆钉的吸氧腐蚀原理如图所示。下列说法正确的是()A．正极电极反应式为2H＋＋2e－H2↑B．此过程中还涉及反应4Fe(OH)2＋2H2O＋O24Fe(OH)3C．此过程中Fe、Cu均被腐蚀D．此过程中电流从Fe流向Cu4．“雪龙2号”从深圳启航，执行中国第36次南极科考任务。下列有关科考船的说法正确的是()A．外壳镶嵌一些铅块可提高科考船的抗腐蚀能力B．停靠期间可将电源正极与船体相连保护船体C．利用牺牲阳极的阴极保护法保护船体时，正极反应式为O2+4e+2H2O=4OHD．科考船只采用电化学保护法提高船体抗腐蚀能力5．将铁粉和活性炭的混合物用NaCl溶液湿润后，置于如图所示装置中，进行铁的电化学腐蚀实验。下列有关该实验的说法正确的是()A．铁被氧化的电极反应式为Fe−3e−=Fe3+B．铁腐蚀过程中化学能全部转化为电能C．以水代替NaCl溶液，铁不能发生吸氧腐蚀D．活性炭的存在会加速铁的腐蚀6．下列各图所示装置能达到实验目的的是()A．图甲，验证铁的吸氧腐蚀B．图乙，牺牲阳极的阴极保护法C．图丙，在铁制品表面镀锌D．图丁，测定盐酸的pH7．港珠澳大桥设计使用寿命120年，需对桥体钢构件采取防腐措施。下列说法错误的是()A．采用外加电流保护钢构件时，需在钢构件上焊接锌块B．防腐主要避免发生的反应是：2Fe+O2+2H2O=2Fe(OH)2C．钢构件表面喷涂环氧树脂涂层是为了隔绝空气、海水等D．钢构件可多采用不锈钢材料以减缓腐蚀速率8．(2019年江苏卷)将铁粉和活性炭的混合物用NaCl溶液湿润后，置于如图所示装置中，进行铁的电化学腐蚀实验。下列有关该实验的说法正确的是()A．铁被氧化的电极反应式为Fe−3e−=Fe3+B．铁腐蚀过程中化学能全部转化为电能C．活性炭的存在会加速铁的腐蚀D．以水代替NaCl溶液，铁不能发生吸氧腐蚀9．在一块表面无锈的铁片上滴食盐水，放置一段时间后看到铁片上有铁锈出现，铁片腐蚀过程中发生的总化学方程式：2Fe＋2H2O＋O2===2Fe(OH)2，Fe(OH)2进一步被氧气氧化为Fe(OH)3，再在一定条件下脱水生成铁锈，其原理如图。下列说法正确的是()A．铁片发生还原反应而被腐蚀B．铁片腐蚀最严重区域应该是生锈最多的区域C．铁片腐蚀中负极发生的电极反应：2H2O＋O2＋4e－===4OH－D．铁片里的铁和碳与食盐水形成无数微小原电池，发生了电化学腐蚀10．(2020年江苏卷)将金属M连接在钢铁设施表面，可减缓水体中钢铁设施的腐蚀。在题图所示的情境中，下列有关说法正确的是()A．阴极的电极反应式为Fe−2e−=Fe2+B．金属M的活动性比Fe的活动性弱C．钢铁设施表面因积累大量电子而被保护D．钢铁设施在河水中的腐蚀速率比在海水中的快11．全世界每年因生锈损失的钢铁，约占世界年产量的十分之一。一种钢铁锈蚀原理示意图如右，下列说法不正确的是()A．缺氧区：Fe－2e－===Fe2+B．富氧区：O2+2H2O+4e－===4OH－C．Fe失去的电子通过电解质溶液传递给O2D．隔绝氧气或电解质溶液均可有效防止铁生锈12．城市地下潮湿的土壤中常埋有纵横交错的管道和输电线路，当有电流泄漏并与金属管道形成回路时，就会引起金属管道的腐蚀。原理如图所示，但若电压等条件适宜，钢铁管道也可能减缓腐蚀，此现象被称为“阳极保护”。下列有关说法不正确的是()A．该装置能够将电能转化为化学能B．管道右端腐蚀比左端快，右端电极反应式为Fe2eFe2+C．如果没有外加电源，潮湿的土壤中的钢铁管道比较容易发生吸氧腐蚀D．钢铁“阳极保护”的实质是在阳极金属表面形成一层耐腐蚀的钝化膜13．(2023·河北省邢台市九师联盟高三联考)利用烧结的铁碳混合材料可除去废水中的污染物，在有、无溶解氧的条件下均可在溶液中生成絮凝剂，实现高效转化，其工作原理如图所示。下列说法正确的是A．工作过程中，铁极为正极B．在强酸性污水中处理效果更好C．富氧时，碳极电极反应式主要为O2＋2H2O＋4e－=4OH－D．工作过程中电子从铁极流出，通过溶液被运输至碳极表面14．表面皿都中装有混合了饱和食盐水、酚酞和铁氰化钾溶液的琼脂，分别将缠有铜丝的铁钉(图A)和缠有锌片的铁钉(图B)放置其中，如图所示，一段时间后b处和c处出现变红现象已知：Fe2+和铁氰化钾溶液会生成蓝色沉淀。下列说法不正确的是A．发生氧化反应的是a处和d处B．图A中a处出现蓝色沉淀C．b处和c处电极反应式为2H2O+2e=2OH+H2↑D．对铁钉腐蚀起防护作用的是图B15．全世界每年因钢铁锈蚀造成巨大损失，钢铁吸氧腐蚀原理如图所示。下列说法正确的是()A．钢铁腐蚀过程不只发生化学能与电能的转化B．钢铁腐蚀的正极反应为：Fe2e=Fe2+C．电解质溶液浓度可影响钢铁腐蚀的速率D．将地下铁管与铜块连接，可保护铁管16．支撑海港码头基础的钢管桩，常用采用如图所示的方法进行防腐，其中高硅铸铁为惰性辅助阳极。下列有关表述不正确的是()A．该保护方法叫做外加电流保护法，高硅铸铁的作用是传递电流B．钢管桩被迫成为阴极而受到保护，其表面的腐蚀电流接近于零C．通电后，调整外加电压，外电路中的电子被强制从钢管桩流向高硅铸铁D．石墨能导电且化学性质不活泼，可用石墨代替高硅铸铁作辅助阳极17．如图是实验室研究海水对铁闸不同部位腐蚀情况的剖面示意图。下列说法正确的是()A．铁闸主要发生的是吸氢腐蚀B．将铁闸与石墨相连可保护铁闸C．铁腐蚀时的电极反应式：Fe3e−=Fe3+D．图中生成铁锈最多的是乙区域18．(2023·辽宁省名校联盟高考模拟调研卷)“北溪”天然气管道至少泄漏8万吨天然气，近20年间甲烷的温室效应率是CO2的84倍。已知管道接口处有钢铁材料等，海水的pH约为。设NA为阿伏伽德罗常数的值。下列有关叙述不正确的是()A．损坏的钢铁材料在海水中主要发生吸氧腐蚀B．制造管道时表面涂层能起到抗腐蚀作用C．wg铁在海水中完全发生电化学腐蚀时转移电子数一定为D．修复管道时在钢管表面镶嵌锌块，这种方法叫牺牲阳极法19．金属腐蚀现象在生产生活中普遍存在，依据下列2种腐蚀现象回答下列问题：(1)图1，被腐蚀的金属为____，其腐蚀类型属于____(填字母)。图2，金属腐蚀类型属于____(填字母)。A．化学腐蚀B．电化学腐蚀C．析氢腐蚀D．吸氧腐蚀(2)图1中Cu的作用是______，结合电极反应、电子移动、离子移动等，分析金属被腐蚀的原理______。(3)图2中铁的生锈过程：Fe→Fe(OH)2→Fe(OH)3→Fe2O3·nH2O，将Fe转变为Fe(OH)2的反应补充完整：正极反应为_______，负极反应为______，总反应为____。(4)下列防止铁制品生锈的措施合理的是__________。A．在铁闸门表面涂油漆B．在地下铁管道上安装若干镁合金C．将铁罐与浓硫酸等强氧化剂接触，使之发生钝化20．将NaCl溶液滴在一块光亮清洁的铁板表面上，一段时间后发现液滴覆盖的圆圈中心区(a)已被腐蚀而变暗，在液滴外沿形成棕色铁锈环(b)，如图所示。导致该现象的主要原因是液滴之下氧气含量比边缘少。回答下列问题：(1)液滴边缘是_______(填“正”或“负”)极区，发生的电极反应为____________________________

。(2)液滴中的Cl由_______区向_______区迁移(填“b”或“a”)。(3)在b区出现铁锈环的原因是液滴下的Fe因发生氧化反应而被腐蚀，生成的Fe2+

_____________________进一步氧化、脱水形成铁锈。(4)若改用嵌有一铜螺丝钉的铁板，在铜铁接触处滴加NaCl溶液，则负极发生的电极反应为

___________________________。【培优竞赛】21．(2022•广东选择性考试，11)为检验牺牲阳极的阴极保护法对钢铁防腐的效果，将镀层有破损的镀锌铁片放入酸化的3%NaCl溶液中。一段时间后，取溶液分别实验，能说明铁片没有被腐蚀的是()A．加入AgNO3溶液产生沉淀 B．加入淀粉碘化钾溶液无蓝色出现C．加入KSCN溶液无红色出现 D．加入K3[Fe(CN)6]溶液无蓝色沉淀生成22．硫酸盐还原菌SRB在地球上分布很广泛，通过多种相互作用发挥诸多潜力。但在水体中，会促使许多金属及合金发生腐蚀。某种Fe合金在硫酸盐还原菌存在条件下腐蚀的机理如图所示。对于该反应机理相关信息分析错误的是

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①升高温度有利于硫酸盐还原菌(SRB)对金属的腐蚀；②硫酸盐还原菌(SRB)对金属的腐蚀作用是在有氧环境下进行的；③在硫酸盐还原菌(SRB)作用下，Fe腐蚀后最终会生成Fe2O3·xH2O；④电化学腐蚀中负极电极反应为Fe2e=Fe2+；⑤当1molSO42在SRB的作用下转化为硫离子时，理论上正极反应会消耗8mol水A．①②③ B．①②⑤ C．②③④ D．②③⑤23．(2021•全国乙卷，6)沿海电厂采用海水为冷却水，但在排水管中生物的附着和滋生会阻碍冷却水排放并降低冷却效率，为解决这一问题，通常在管道口设置一对惰性电极(如图所示)，通入一定的电流。下列叙述错误的是()A．阳极发生将海水中的Cl氧化生成Cl2的反应B．管道中可以生成氧化灭杀附着生物的NaClOC．阴极生成的H2应及时通风稀释安全地排入大气D．阳极表面形成的Mg(OH)2等积垢需要定期清理24．多年来，国家对北洋水师的考古调查从来没有停止过，北洋水师的“经远舰”在沉没124年后被打捞出来。已知：正常海水呈弱碱性。(1)经远舰在海底“沉睡”124年后，钢铁制成的舰体腐蚀严重。舰体发生电化学腐蚀时，负极的电极反应式为_______。(2)为了保护文物，考古队员采用“牺牲阳极的阴极保护法”对舰船进行了处理。①下列说法不正确的是________。A．锌块发生氧化反应：Zn2e=Zn2+B．舰体有电子流入，可以有效减缓腐蚀C．若通过外加电源保护舰体，应将舰体与电源正极相连D．地下钢铁管道用导线连接锌块与该种舰体保护法原理相同②采用“牺牲阳极的阴极保护法”后，舰体上正极的电极反应式为_________。(3)船上有些器皿是铜制品，表面有铜锈。①据了解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(形成了保护层)和有害锈(使器物损坏程度逐步加剧，并不断扩散)，结构如图所示。下列说法正确的是________A．疏松的Cu2(OH)3Cl属于有害锈B．Cu2(OH)2CO3既能溶于盐酸也能溶于氢氧化钠溶液C．青铜器表面涂一层食盐水可以做保护层D．用HNO3溶液除锈可以保护青铜器的艺术价值，做到“修旧如旧”②文献显示Cu2(OH)3Cl的形成过程中会产生CuCl(白色不溶于水的固体)，将腐蚀文物置于含Na2CO3的缓冲溶液中浸泡，可以使CuCl转化为难溶的Cu2(OH)2CO3反应的离子方程式为______。(4)考古队员将舰船上的部分文物打捞出水后，采取脱盐、干燥等措施保护文物。从电化学原理的角度分析“脱盐、干燥”的防腐原理：______