2020_2021学年新教材高中化学第1章化学反应与能量转化第4节金属的腐蚀与防护课件鲁科版选择性必修1 56页

第 4 节　金属的腐蚀与防护　 一、金属电化学腐蚀的原理 1. 金属腐蚀的定义和分类 必备知识 · 素养奠基 2. 化学腐蚀和电化学腐蚀 化学腐蚀 电化学腐蚀 条件 金属与接触到的物质 直接反应 不纯金属接触到电解质溶液 发生 _______ 反应 本质 M-ne - ====M n+ 现象 金属被腐蚀 较活泼金属被腐蚀 区别 ___ 电流产生 ___ 微弱电流产生 联系 普遍性 : 二者往往同时发生 , 只是 ___________ 更普遍 , 危害更大 原电池 无 有 电化学腐蚀 3. 钢铁的吸氧腐蚀和析氢腐蚀 分类 析氢腐蚀 吸氧腐蚀 图形描述 形成条件 水膜酸性较强 水膜酸性较弱 电极 反应 负极 ______________ 正极 _______________ __________________ Fe-2e - ====Fe 2+ 2H + +2e - ====H 2 ↑ O 2 +2H 2 O+4e - ====4OH - 分类 析氢腐蚀 吸氧腐蚀 总反应 __________________ 2Fe+O 2 +2H 2 O ==== 2Fe(OH) 2 4Fe(OH) 2 +O 2 +2H 2 O ==== 4Fe(OH) 3 2Fe(OH) 3 ==== Fe 2 O 3 ·xH 2 O+ (3-x)H 2 O 腐蚀速度 一般较快 一般较慢 相互关系 析氢腐蚀和吸氧腐蚀同时发生 , 金属的腐蚀以吸氧腐蚀为主 , 吸氧腐蚀比析氢腐蚀普遍 Fe+2H + ====Fe 2+ +H 2 ↑ 【 巧判断 】 (1) 金属腐蚀没有发生氧化还原反应。 ( 　　 ) 提示 : × 。金属腐蚀的本质是金属失电子被氧化的过程 , 因此金属的腐蚀均是氧化还原反应。 (2) 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。 ( 　　 ) 提示 : √ 。电化学腐蚀和化学腐蚀实质一样 , 两者都发生氧化还原反应 , 都是金属失电子 , 被氧化 , 但电化学腐蚀构成闭合回路 , 有电流产生 , 而化学腐蚀没有产生电流。 (3) 钢铁腐蚀最普遍的是吸氧腐蚀 , 负极吸收氧气 , 产物最终转化为铁锈。 ( 　　 ) 提示 : × 。钢铁腐蚀最普遍的是吸氧腐蚀 , 正极吸收氧气。 二、金属腐蚀的防护 1. 本质 : 阻止金属发生 _____ 反应。 2. 方法 (1) 改变金属内部结构 , 如制成合金等。 (2) 加防护层 , 如在金属表面喷油漆、涂油脂、电镀等。 氧化 (3) 电化学防护。 3. 金属的防护措施图示 【 巧判断 】 (1) 轮船的船壳水线以下常装有一些锌块 , 这是利用了牺牲阴极的阳极保护法。 ( 　　 ) 提示 : × 。这应为牺牲阳极的阴极保护法。 (2) 钢铁制造的暖气管道外常涂有一层沥青 , 这是钢铁的电化学保护法。 ( 　　 ) 提示 : × 。是用沥青作涂层的涂层保护法。 (3) 把铬、镍等加入普通钢里制成不锈钢 , 就大大地增加了钢铁对各种侵蚀的抵抗力。 ( 　　 ) 提示 : √ 。制成了不锈钢合金改变了金属的内部结构 , 增强了抗腐蚀能力。 【 情境 · 思考 】 下图是一只搪瓷缸。请思考 : (1) 这只搪瓷缸采用了怎样的防腐方法 ? (2) 搪瓷层破损后是否仍能起到防止铁生锈的作用 ? 提示 : 采用的是涂保护层的方式进行防腐的 , 搪瓷层破损后铁直接暴露在空气中 , 因而搪瓷层不能对破损部分进行保护。 三、电化学腐蚀原理的应用 1. 铁腐蚀的应用 (1) 消耗空气中的氧气 —— 快速测定空气中氧气的含量。 (2) 消耗氧气和水 —— 以铁粉为主的双吸收剂用以延长食物的保质期。 (3) 腐蚀过程放热 —— 制成一次性保暖贴。 2. 保暖贴 (1) 组成 : 铁粉、水、食盐、活性炭、蛭石和吸水树脂。 (2) 原理 ①铁与氧气的反应为放热反应 ; ② 铁粉、活性炭和离子导体 ( 食盐溶于水 ) 构成原电池 , 加快了反应的速率。 【 做一做 】 用化学用语表示保暖贴中发生的电化学过程。 电极 反应 正极 :_________________ 负极 :______________ 总反应 _______________________ 其他相 关反应 ___________________________ ______________________________ O 2 +4e - 2H 2 O====4OH - Fe-2e - ====Fe 2+ 2Fe+O 2 +2H 2 O====2Fe(OH) 2 4Fe(OH) 2 +O 2 +2H 2 O====4Fe(OH) 3 2Fe(OH) 3 ====Fe 2 O 3 ·xH 2 O+(3-x)H 2 O 3. 其他应用 (1) 微电解技术处理工业废水。 (2) 在航空航天、精密仪器和生物医学等领域也具有广阔的应用前景。 关键能力 · 素养形成 知识点　金属腐蚀的快慢与防护方法 【 重点释疑 】 1. 金属腐蚀的快慢比较 (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 > 牺牲阳极保护法引起的金属腐蚀 > 阴极电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。 (5) 由于金属表面一般不会遇到酸性较强的溶液 , 故吸氧腐蚀是金属腐蚀的主要形式 , 只有在金属活动性顺序中排在氢以前的金属才可能发生析氢腐蚀 , 而位于氢之后的金属只能发生吸氧腐蚀。 2. 金属腐蚀的防护方法 3. 电化学防护法比较 方法 牺牲阳极保护法 阴极电保护法 原理 原电池原理 电解原理 被保护金属 作正极 作阴极 构成 被保护金属、比被保护金属活泼的金属 被保护金属、惰性电极及直流电源 优、缺点 无需外加电源 , 但需要定期更换被腐蚀的金属 无需更换金属 , 但消耗电能 应用 一些钢铁设备如锅炉内壁、船体外壳等装上镁合金或锌块 土壤、海水及水中的金属设备 方法 牺牲阳极保护法 阴极电保护法 示意图 联系 被保护的金属都因为电子的流入而免遭腐蚀 【 思考 · 讨论 】 (1) 铁制品在潮湿的环境中比在干燥的环境中容易生锈 , 为什么 ? 提示 : 铁制品中含有杂质碳 , 在潮湿的环境中构成原电池 , 加快了铁被氧化的反应速率。 (2) 把生铁放在水中与放在食盐水中 , 哪个腐蚀快 ? 提示 : 食盐水中。因为在食盐水中电解质的浓度大 , 导致腐蚀的速率加快。 (3) 与铜质水龙头连接处的钢质水管易生锈 , 为什么 ? 提示 : 铁与铜及空气中的水蒸气构成原电池 , 造成电化学腐蚀 , 腐蚀速率加快 , 铁作负极 , 易失电子 , 所以易生锈。 【 案例示范 】 【 典例 】 (2019· 江苏高考 ) 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 - ====Fe 3+ 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 【 思维建模 】 解答金属腐蚀问题的一般思路如下 : 【 解析 】 选 C 。 A 项 , 铁和活性炭构成原电池 , 铁作负极 , 铁失去电子生成 Fe 2+ , 电极反应式为 Fe-2e - ====Fe 2+ , 错误 ;B 项 , 能量转化形式不是唯一的 , 化学能除了转化为电能外 , 还有热能等 , 错误 ;C 项 ,Fe 和活性炭构成原电池后 , 反应速率变快 , 正确 ;D 项 ,Fe 和 C 在水中也可以构成原电池 ,Fe 失去电子 , 空气中的 O 2 得电子 , 发生吸氧腐蚀 , 如果在 NaCl 溶液中 , 铁发生吸氧腐蚀更快 , 错误。 【 母题追问 】 (1) 通过哪些现象可以说明上述过程发生了腐蚀 ? 提示 : 盛有铁炭混合物的试管会感觉到发热 , 而盛水的试管内的导管内会上升一段水柱。 (2) 以水代替 NaCl 溶液后 , 仍然会发生腐蚀 , 请分析二者腐蚀速率的快慢。 提示 : 用水代替 NaCl 溶液后 , 由于水的导电能力很弱 , 因此腐蚀的速率会减慢。 【 规律方法 】 金属腐蚀类型的判断方法 (1) 根据是否发生原电池反应来判断。 发生原电池反应引起的金属腐蚀 , 属于电化学腐蚀 , 否则属于化学腐蚀。 (2) 根据金属的活动性及电解质溶液的酸性强弱判断 , 位于金属活动性顺序中氢前面的金属 , 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 ; 位于金属活动性顺序氢后面的金属只可能发生吸氧腐蚀。 【 迁移 · 应用 】 1.(2020· 深圳高二检测 ) 如图所示 , 各容器中盛有海水 , 铁在其中被腐蚀时 , 由快到慢的顺序是 ( 　　 ) 　　　　　　　　　　　　　　　　　　 A.④②①③ B.②①③④ C.④②③① D.③②④① 【 解析 】 选 A 。④中 Fe 作阳极 , 腐蚀最快 ,③ 中 Fe 作正极 , 被保护 , 腐蚀慢 ,② 中 Fe 作负极 , 被腐蚀。 2.(2020· 榆林高二检测 ) 下列事实与电化学腐蚀无关的是 ( 　　 ) A. 光亮的自行车钢圈不易生锈 B. 黄铜 (Cu-Zn 合金 ) 制的铜锣不易生锈 C. 铜、铝电线一般不连接起来作导线 D. 生铁比熟铁 ( 几乎是纯铁 ) 容易生锈 【 解析 】 选 A 。 B 、 C 、 D 项均与原电池有关 , 能用电化学知识来解释。 3.(2020· 福州高二检测 ) 研究电化学腐蚀及防护的装置如图所示。下列有关说法错误的是 ( 　　 ) A.d 为石墨 , 铁片腐蚀加快 B.d 为石墨 , 石墨上电极反应为 O 2 +2H 2 O+4e - ====4OH - C.d 为锌块 , 铁片不易被腐蚀 D.d 为锌块 , 铁片上电极反应为 2H + +2e - ====H 2 ↑ 【 解析 】 选 D 。由于活动性 :Fe> 石墨 , 所以铁、石墨及海水构成原电池 ,Fe 为负极 , 失去电子被氧化为 Fe 2+ 进入溶液 , 溶解在海水中的氧气在正极石墨上得到电子被还原 , 比没有形成原电池时的速率快 ,A 正确。 d 为石墨 , 由于海水呈弱碱性 , 所以发生的是吸氧腐蚀 , 石墨上氧气得到电子 , 发生还原反应 , 电极反应为 O 2 +2H 2 O+4e - ====4OH - ,B 正确。若 d 为锌块 , 则由于金属活动性 :Zn>Fe,Zn 为原电池的负极 ,Fe 为正极 , 首先被腐蚀的是 Zn, 铁得到保护 , 铁片不易被腐蚀 ,C 正确。 d 为锌块 , 由于海水呈弱碱性 , 发生的是吸氧腐蚀 , 在铁片上电极反应为 O 2 +2H 2 O+4e - ====4OH - ,D 错误。 【 素养提升 】 《 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 Cu 2 (OH) 2 CO 3 , 俗称铜绿 , 可溶于酸。铜绿在一定程 度上可以提升青铜器的艺术价值。参与形成铜绿的物质有 Cu 和 _____________ 　　　　　　　 。  铜器表面容易生成一层薄薄的铜绿 [ 主要成分是 Cu 2 (OH) 2 CO 3 ], 请写出铜在潮湿 的空气中发生电化学腐蚀时的负极反应式 　 。 提示 : O 2 、 CO 2 、 H 2 O 。 Cu-2e - ====Cu 2+ , 铜锈是 Cu 表面与空气中 O 2 、 H 2 O 及 CO 2 反应 的结果。发生电化学腐蚀时 ,Cu 为负极 , 被氧化 , 电极反应式为 Cu-2e - ====Cu 2+ 。   (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 Cu 2 (OH) 2 CO 3 和 Cu 2 (OH) 3 Cl 。考古学家将铜锈分为无害锈和有害锈 , 结构如图所示 : Cu 2 (OH) 2 CO 3 和 Cu 2 (OH) 3 Cl 分别属于无害锈和有害锈 , 请解释原因。 提示 : 结合图象可知 ,Cu 2 (OH) 2 CO 3 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。 Cu 2 (OH) 3 Cl 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) 下图为青铜器在潮湿环境中发生电化学腐蚀生成有害锈 Cu 2 (OH) 3 Cl 的原理示意图 , ① 写出在发生电化学腐蚀的过程中正极的电极反应式。 提示 : 正极的电极反应式为 O 2 +4e - +2H 2 O====4OH - 。 ②若生成 2.145 g Cu 2 (OH) 3 Cl, 计算理论上消耗标准状况氧气体积。 提示 : n[Cu 2 (OH) 3 Cl]=2.145 g÷214.5 g·mol -1 =0.01 mol, 根据转移电子相等 可得 n(O 2 )=0.01 mol×2× =0.01 mol, 故在标准状况体积为 V=0.01 mol ×22.4 L·mol -1 =0.224 L 。 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。 提示 : 结合图象可知 , 过程 Ⅰ 中 Cu 作负极 , 电极反应式是 Cu-e - +Cl - ====CuCl 。 (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。 提示 : 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 - , 能够高效地除去有害锈 ; 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”。 【 课堂回眸 】 课堂检测 · 素养达标 1.(2020· 邯郸高二检测 ) 下列说法正确的是 ( 　　 ) 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 , 故不能用原电池原理来减缓金属的腐蚀 C. 钢铁电化学腐蚀的两种类型主要区别在于水膜的酸性不同 , 引起的正极反应不同 D. 无论哪种类型的腐蚀 , 其实质都是金属被还原 【 解析 】 选 C 。钢铁中因含杂质 , 容易形成原电池 , 发生电化学腐蚀 , 但并不是所有合金都不耐腐蚀 , 如不锈钢 , 故 A 错误 ; 当金属作正极时 , 可以避免腐蚀 , 故 B 错误 ; 钢铁电化学腐蚀分为吸氧腐蚀和析氢腐蚀 , 主要区别在于水膜的酸性不同 , 故 C 正确 ; 金属被腐蚀 , 化合价升高 , 被氧化 , 故 D 错误。 2.(2020· 怀柔区高二检测 ) 如图是研究铁钉腐蚀的装置图 , 下列说法不正确的是 ( 　　 ) A. 铁钉在两处的腐蚀速率 :aa, 正确 ;B 项 ,a 、 b 中都发生原电池反应 , 铁钉中的碳作正极 , 铁作负极 , 正确 ;C 项 ,a 、 b 中都发生原电池反应 , 铁作负极 , 发生氧化反应 , 正确 ;D 项 ,a 中发生吸氧腐蚀 , 正极反应为 O 2 +4e - +2H 2 O====4OH - ,b 中发生析氢腐蚀 , 正极反应为 2H + +2e - ====H 2 ↑, 错误。 3.(2020· 哈尔滨高二检测 ) 下列与金属腐蚀有关的说法正确的是 世纪金榜导学号 ( 　　 ) A. 图 a 中 , 插入海水中的铁棒 , 越靠近底端腐蚀越严重 B. 图 b 中 , 开关由 M 改置于 N 时 ,Cu-Zn 合金的腐蚀速率减小 C. 图 c 中 , 接通开关时 Zn 腐蚀速率增大 ,Zn 上放出气体的速率也增大 D. 图 d 中 ,Zn-MnO 2 干电池自放电腐蚀主要是由 MnO 2 的氧化作用引起的 【 解析 】 选 B 。 A 项 , 因液面处氧气的浓度大且与海水接触 , 故在液面处铁棒腐蚀最严重 ;C 项 , 接通开关后形成原电池 ,Zn 的腐蚀速率增大 ,H + 在 Pt 电极上放电产生 H 2 ;D 项 , 该干电池自放电腐蚀是 NH 4 Cl 产生的 H + 的氧化作用引起的。 4.( 教材改编题 ) 埋在地下的钢管常用如图所示方法加以保护 , 使其免受腐蚀。关于此方法 , 下列说法正确的是 ( 　　 ) A. 金属棒 X 的材料可能为铜 B. 金属棒 X 的材料可能为钠 C. 钢管附近土壤的 pH 增大 D. 这种方法称为阴极电保护法 【 解析 】 选 C 。 A 项 , 构成的原电池中 , 金属棒 X 作负极 , 故 X 的活动性应该强于铁 ,A 项错误 ;B 项 , 金属钠性质很活泼 , 极易与空气、水反应 , 不能作电极材料 ,B 项错误 ;C 项 , 该装置发生吸氧腐蚀 , 正极钢管上氧气得电子生成氢氧根离子 , 导致钢管附近土壤的 pH 增大 ,C 项正确 ;D 项 , 该装置没有外接电源 , 不属于阴极电保护法 ,D 项错误。 5.(2020· 银川高二检测 ) 为了探究金属腐蚀的条件和快慢 , 某课外学习小组用不同的细金属丝将三根大小相同的普通铁钉分别固定在如图所示的三个装置内 , 并将这些装置在相同的环境中放置相同的一段时间。下列对实验结果的描述不正确的是 ( 　　 ) A. 实验结束时 , 装置 Ⅰ 左侧的液面一定会下降 B. 实验结束时 , 装置 Ⅰ 一定比装置 Ⅱ 左侧的液面低 C. 实验结束时 , 铁钉 b 腐蚀最严重 D. 实验结束时 , 铁钉 c 几乎没有被腐蚀 【 解析 】 选 B 。装置 Ⅰ 中铁钉 a 处于盐酸蒸气中 , 被腐蚀而释放出 H 2 , 使左侧液面下降右侧液面上升 ; 装置 Ⅱ 中铁钉 b 同样处于盐酸蒸气中 , 所不同的是悬挂铁钉的金属丝是铜丝 , 由于 Fe 比 Cu 活泼 , 在这种氛围中构成的原电池会加速铁钉的腐蚀 , 相同时间内会放出更多的 H 2 , 使左侧液面下降更多 , 右侧液面上升更多 ; 装置 Ⅲ 中虽然悬挂铁钉的还是铜丝 , 但由于浓硫酸有吸水性而无挥发性 , 使铁钉 c 处于较为干燥的空气中 , 因而在短时间内几乎没有被腐蚀。 6.( 新思维 · 新考向 ) 如图所示的是某校研究性学习小组探究金属腐蚀条件的实验装置图。试分析实验并回答下列问题 : (1) 通过甲、乙装置的实验想说明什么问题 ? 提示 : 甲、乙装置的区别在于碳的量不同 , 甲装置中 Fe 的含碳量很少 , 因此通过两个实验可以对比说明钢铁中碳的含量对腐蚀速率的影响。 (2) 若起始时甲、乙、丙三套装置的导管中液面高度相同 , 判断过一段时间后三者液面的高度顺序。 提示 : 乙 > 甲 > 丙。 Fe 粉、 C 粉、食盐水构成原电池 , 发生吸氧腐蚀 , 故乙中液面最高 ; 甲中 Fe 粉中的少量碳也能发生吸氧腐蚀 , 但由于 C 的含量少 , 故不如乙中 Fe 腐蚀快 , 丙中乙醇为非电解质 ,Fe 粉、炭粉不形成原电池 ,Fe 受到保护。 (3) 通过上述实验 , 分析在日常生活中可以采取什么措施防止金属的腐蚀 ? 提示 : 把钢铁放在油脂或有机溶剂中进行保护。