专题1 第3单元 金属的腐蚀与防护（Word教参）-【优化指导】2024-2025学年新教材高中化学选择性必修1（苏教版2019）

第三单元　金属的腐蚀与防护 课程标准 核心素养目标 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。 3．能利用电化学原理解释金属腐蚀现象，选择并设计防腐措施。 1.宏观辨识与微观探析：能从宏观与微观结合的视角对金属的腐蚀和防护进行分类和表征。能运用电化学腐蚀等解释金属发生腐蚀的原因，能分析技术防护与金属腐蚀之间的关系。 2．证据推理与模型认知：运用电化学模型认识并分析金属腐蚀的原理及防护的方法。 [对应学生用书P34] 一、金属的电化学腐蚀 1．金属腐蚀的定义和分类 2．钢铁的吸氧腐蚀和析氢腐蚀 (1)根据环境不同，钢铁的电化学腐蚀又分为吸氧腐蚀和析氧腐蚀 (2)吸氧腐蚀和析氧腐蚀的图示 　 (3)吸氧腐蚀与析氢腐蚀的比较 类别 吸氧腐蚀 析氢腐蚀 电解质溶液 酸性不强 酸性较强 正极反应 O2＋2H2O＋4e－===4OH－ 2H＋＋2e－===H2↑ 负极反应 Fe－2e－===Fe2＋ Fe－2e－===Fe2＋ 铁锈形成过程 在空气中Fe(OH)2进一步被O2氧化生成Fe(OH)3，Fe(OH)3脱去一部分水生成Fe2O3·nH2O，它就是铁锈的主要成分 随着氢气的析出，水膜的pH上升，Fe2＋与OH－结合生成Fe(OH)2，Fe(OH)2继续与空气中的O2作用，生成Fe(OH)3，进而形成铁锈 二、金属的电化学防护 1．加保护层 (1)在钢铁表面涂油或油漆等，将金属与外界环境隔离开。 (2)电镀：一般电镀上一层耐腐蚀金属。 (3)覆盖塑料。 2．电化学防护 (1)牺牲阳极的阴极保护法 利用原电池原理，在被保护的金属上连接比其更活泼的金属，使被保护金属成为正极。此法常用于保护海轮外壳或石油管道等。 (2)外加电流的阴极保护法 利用电解原理，使被保护的金属连接电源的负极成为阴极。此法主要用于防止土壤、海水及河水中金属设备的腐蚀。 3．电化学腐蚀原理的应用 (1)铁腐蚀原理的应用 a.消耗空气中的氧气——测定空气中氧气的含量。 b．消耗空气中的氧气和水——食品包装袋中以铁粉为主要成分的双吸剂，延长食物的保质期。 c.腐蚀过程放热——制成一次性保暖贴。 (2)保暖贴 原理：铁与氧气的反应是放热反应，当空气中的氧气进入后，活性炭成为正极材料，食盐溶于水成为离子导体，氧气与铁粉通过无数个微小的原电池快速反应放出热量。 [对应学生用书P35] 探究一 金属的腐蚀 实验1.将经过酸洗除锈的铁钉，用饱和食盐水浸泡一下，放入如图所示的具支试管中。几分钟后，观察导管中水柱和铁钉的变化，如图1所示。 实验2.向100 mL烧杯中加入约50 mL稀醋酸后，插入两个玻璃筒(无底)；将一个无锈铁钉和一个碳棒分别用导线与电流计连接后，再分别插入两个玻璃筒中，如图2所示。 [问题设计] (1)图1实验导管中水柱和铁钉有什么变化？产生这种现象的原因是什么？ 提示：导管中的水面上升，铁钉表面生锈；产生这种现象的原因是钢铁在潮湿的空气中发生吸氧腐蚀。负极反应：2Fe－4e－===2Fe2＋；正极反应：2H2O＋O2＋4e－===4OH－，由于盛铁钉的具支试管中不断消耗O2而使具支试管中压强减小，从而引起水的倒吸。 (2)图2实验碳棒表面有什么现象？产生这种现象的原因是什么？ 提示：碳棒表面有气泡产生；原因是发生了析氢腐蚀，负极反应：Fe－2e－===Fe2＋，正极反应：2H＋＋2e－===H2↑。 (3)化学腐蚀与电化学腐蚀的相同点和不同点是什么？ 提示：相同点都是造成金属被氧化腐蚀。不同点是化学腐蚀是金属和氧化剂直接发生氧化还原反应，无电流产生；电化学腐蚀是发生原电池反应，有电流产生。 1．金属的化学腐蚀和电化学腐蚀的比较 2.金属腐蚀快慢的比较 (1)影响金属腐蚀的因素 影响金属腐蚀的因素包括金属的本性、纯度和介质三个方面： ①就金属本性来说，金属越活泼，就越容易失去电子而被腐蚀。 ②同一金属越纯，越难腐蚀。如纯铁即使在潮湿空气中反应也会很慢，而含杂质的生铁在潮湿的空气中会很快生锈而被腐蚀。 ③介质对金属腐蚀的影响也很大，如果金属在潮湿的空气中，接触腐蚀性气体或电解质溶液，都容易被腐蚀。 (2)不同条件下金属腐蚀快慢的判断 条件 快慢顺序 腐蚀类型不同 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 同种金属 强电解质溶液＞弱电解质溶液＞非电解质溶液 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 同种电解质溶液 电解质溶液浓度越大，腐蚀越快 【例1】 (2023·江苏徐州高二训练)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 C　解析：铁和活性炭构成原电池，铁作负极，失去电子生成Fe2＋，电极反应式为Fe－2e－===Fe2＋，A错误；电化学腐蚀的过程中，化学能转化为电能、热能等，B错误；Fe和活性炭构成原电池后，反应速率变快，C正确；以水代替NaCl 溶液，铁仍然能发生吸氧腐蚀，只是吸氧腐蚀的速率会减慢，D错误。 1．(2023·福建福州高二质检)《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同学的兴趣。“修旧如旧”是文物保护的主旨。 (1)查阅中学教材得知铜锈为Cu2(OH)2CO3，俗称铜绿，可溶于酸。参与形成铜绿的物质有Cu 和 。请写出铜在潮湿的空气中发生电化学腐蚀生成Cu2(OH)2CO3 的负极反应式： 。 (2)继续查阅资料，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，原因是 。 答案：(1)O2、CO2、H2O　Cu－2e－===Cu2＋ (2)结合题图可知，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 解析：(1)铜锈是Cu 与空气中O2、H2O 及CO2 反应形成的。发生电化学腐蚀时，Cu 为负极，被氧化，电极反应式为Cu－2e－===Cu2＋。 探究二 金属的防护 [实验]　探究牺牲阳极的阴极保护法保护铁 实验操作 (1)以Fe作被保护电极，以Zn作辅助电极，以经过酸化的3% NaCl溶液作电解质溶液，按如图所示连接装置。观察电流表指针的变化以及烧杯中两个电极附近发生的现象； (2)过一段时间，用胶头滴管从Fe电极区域取出少量溶液于试管中，再向试管中滴入2滴K3[Fe(CN)6](铁氰化钾)溶液，观察试管中溶液颜色的变化 实验装置 实验现象 (1)电流表指针发生偏转，Fe电极上有气泡产生； (2)试管中滴入K3[Fe(CN)6]溶液未出现特殊蓝色沉淀 [问题设计] (1)该实验装置是电化学装置中的原电池还是电解池？指出装置中的电极名称并写出电极反应式。 提示：Zn、Fe和经过酸化的NaCl溶液构成原电池；其中Zn作负极，电极反应式：Zn－2e－===Zn2＋；Fe作正极，电极反应式：2H＋＋2e－===H2↑。 (2)一段时间后，从Fe电极区域取出少量溶液于试管中，加入2滴K3[Fe(CN)6]溶液的目的是什么？若铁电极区域有Fe2＋存在，会出现什么现象？ 提示：加入K3[Fe(CN)6]溶液的目的是检验铁电极是否发生反应生成Fe2＋；若铁电极区域有Fe2＋生成，加入K3[Fe(CN)6]后会产生蓝色沉淀。 (3)通过上述实验得出的实验结论是什么？为什么要向船体上镶嵌锌块？该保护船体的方法的名称是什么？ 提示：Zn­Fe­电解质溶液构成的装置中，铁未被腐蚀，即受到了保护。向船体上镶嵌锌块的目的是在Zn­Fe­海水构成的原电池装置中，牺牲锌块而保护船体不受腐蚀；该保护船体的方法的名称是牺牲阳极的阴极保护法。 (4)常见的白铁皮是在薄钢板表面镀上一层锌，罐装食品用的马口铁是在薄钢板表面镀上一层锡，若上述两种钢铁制品的表面出现破损时，白铁皮和马口铁中哪一种更容易受到腐蚀？其原因是什么？ 提示：马口铁中的铁更容易被腐蚀。原因是马口铁中的铁比锡活泼，形成原电池时，铁作负极而被腐蚀；白铁皮中锌比铁活泼，形成原电池时，铁作正极而受到保护。 (5)你还能想出哪些防止金属Fe发生腐蚀的措施？能防止金属腐蚀的原理是什么？ 提示：在金属制品表面覆盖保护层，原理：避免金属与潮湿的环境接触构成原电池而发生腐蚀。 让被保护的金属与外接直流电源的负极相连，充当电解池的阴极而被保护。 1．金属腐蚀的防护措施 2．电化学防护法比较 方法 牺牲阳极的阴极保护法 外加电流的阴极保护法 依据 原电池原理 电解原理 原理 形成原电池时，被保护的金属作正极(阴极)，不反应受到保护；活泼金属作负极(阳极)，发生反应受到腐蚀。负极(阳极)要定期予以更换 将被保护的金属与另一附加电极作为电解池的两个极，使被保护的金属作阴极，在外加直流电的作用下使阴极得到保护 应用 保护一些钢铁设备，如锅炉内壁、船体外壳等装上镁合金或锌块 保护土壤、海水及水中的金属设备 实例示意图 【例2】 金属铝易与空气中的氧气发生反应生成一层氧化膜，使铝件有耐腐蚀性，但氧化膜很薄，易被摩擦损坏。为了增厚氧化膜，人们常将铝和铝的合金做进一步的氧化处理。电化学氧化法是将铝件和另一种材料作电极，在特定的电解质溶液中通电电解。在铝与电解质溶液的接触面上形成一层Al(OH)3薄膜，薄膜的某些部位存在着小孔，电流从小孔通过并产生热量，从而形成一层较厚的氧化膜。 试回答下列问题： (1)铝件在电解的过程中作 (填“阳”或“阴”)极。 (2)写出铝件所发生的电极反应式以及形成氧化膜的化学方程式： 。 (3)在海洋工程上，通常用铝合金(Al­Zn­Cd)保护海底设施，其原理如图所示： 其中负极发生的电极反应式为 ；在实际应用中，用铝合金而不选用纯铝，纯铝不能很好地起到保护作用，其原因是 。 答案：(1)阳 (2)Al＋3OH－－3e－===Al(OH)3、2Al(OH)3Al2O3＋3H2O (3)Al－3e－===Al3＋　铝合金表面易被氧化，生成一层致密而坚固的氧化物薄膜，使金属铝呈现“惰性” 解析：(1)Al2O3是由铝单质失去电子后生成的，所以铝件应作阳极。 (2)发生的电极反应式为Al＋3OH－－3e－===Al(OH)3，生成的Al(OH)3疏松地覆盖在铝件的表面，使电阻增大，温度升高。Al(OH)3分解生成Al2O3，化学方程式为2Al(OH)3Al2O3＋3H2O，生成的Al2O3沉积在铝件表面，逐渐增厚。 (3)金属Al作负极，电极反应式为Al－3e－===Al3＋。 2．(2023·广西八校高二联考)随着全球经济的不断发展汽车的使用越来越普及，已经成为现代社会重要的交通工具。但是汽车腐蚀已经成为当今社会不可避免的问题，汽车腐蚀不仅造成巨大的经济损失，物质和能源浪费，而且还会造成环境污染和交通事故。汽车腐蚀主要是构成汽车的钢材的腐蚀。 在空气中，如图所示的四种情况里，铁的腐蚀速率最快的是(　　) D　解析：A是原电池，铁是负极；B也是原电池，锌是负极，铁被保护；C是电解池，铁是阴极，被保护；D也是电解池，铁是阳极。根据防腐效果由好到差的顺序为外加电流的阴极保护法防腐>牺牲阳极的阴极保护法防腐>有一般防护条件的防腐>无防护条件的防腐可知，D符合题意。 [对应学生用书P38] 1．下列金属防腐的措施中，使用外加电流的阴极保护法的是(　　) A．水中的钢闸门连接电源的负极 B．金属护栏表面涂漆 C．汽车底盘喷涂高分子膜 D．地下钢管连接镁块 A　解析：水中的钢闸门连接电源的负极之后，作电解池的阴极，被保护起来，所以采用的是外加电流的阴极保护法；金属护栏表面涂漆、汽车底盘喷涂高分子膜均使用的是覆盖保护层法的保护措施；地下钢管连接镁块，镁作负极，被腐蚀，从而起到保护钢管的作用，所以使用的是牺牲阳极的阴极保护法。 2．如图各容器中盛有海水，铁在其中被腐蚀的快慢顺序是(　　) A．④＞②＞①＞③＞⑤ B．②＞①＞⑤＞③＞④ C．⑤＞④＞②＞③＞① D．③＞⑤＞②＞④＞① A　解析：①中Fe 放置在海水中，发生化学腐蚀；②③均构成了原电池，②中Fe 的金属活动性强于Sn，Fe 作负极被腐蚀；③中Zn 的金属活动性强于Fe，Zn 作负极被腐蚀，Fe 被保护；④⑤形成电解池，④中Fe 作阳极被腐蚀，而⑤中Fe 作阴极，被保护。因此Fe 被腐蚀的快慢顺序为④＞②＞①＞③＞⑤。 3．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(Cu­Zn 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 A　解析：B、C、D项均能形成原电池，与电化学腐蚀有关。 4．研究电化学腐蚀及防护的装置如图所示。下列说法错误的是(　　) A.若d为石墨，铁片腐蚀加快 B．若d为石墨，石墨上电极反应式为O2＋2H2O＋4e－===4OH－ C．若d为锌块，铁片不易被腐蚀 D．若d为锌块，铁片上电极反应式为2H＋＋2e－===H2↑ D　解析：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，铁片腐蚀加快，A正确；若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，电极反应式为O2＋2H2O＋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；若d为锌块，由于海水呈弱碱性，发生的是吸氧腐蚀，铁片上电极反应式为O2＋2H2O＋4e－===4OH－，D 错误。 5．如图所示，烧杯中的试管内有一枚铁钉，放置数天后观察现象。 (1)铁钉在逐渐生锈，则铁钉的腐蚀属于 (填“化学”或“电化学”)腐蚀。 (2)若试管内液面上升，则原溶液呈 性，发生 (填“析氢”或“吸氧”)腐蚀，负极电极反应式为 ， 正极电极反应式为 。 (3)若试管内液面下降，则原溶液呈 性，发生 (填“析氢”或“吸氧”)腐蚀。负极电极反应式为 ， 正极电极反应式为 。 答案：(1)电化学 (2)弱酸(或中或碱)　吸氧　2Fe－4e－===2Fe2＋　O2＋2H2O＋4e－===4OH－ (3)较强的酸　析氢　Fe－2e－===Fe2＋　2H＋＋2e－===H2↑ 解析：根据原电池的构成条件可知，铁钉的腐蚀属于电化学腐蚀。若试管内液面上升，说明试管内压强减小，试管内气体被吸收，是铁钉发生吸氧腐蚀的结果；若试管内液面下降，说明试管内气体压强变大，试管内产生了新气体，是铁钉发生析氢腐蚀的结果。 学科网（北京）股份有限公司 $$