4.3 金属的腐蚀与防护-【新课程能力培养】2024-2025学年高中化学选择性必修1学习手册（人教版）

学 高中化学选择性必修 1 （人教版） 学 习 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。 知 识 梳 理 知识点 1 金属的电化学腐蚀 1. 金属腐蚀 （ 1 ） 概念： 金属或合金与周围的气体或液体 物质发生氧化还原反应而引起损耗的 现象。 （ 2 ） 实质： 金属原子失去电子变成阳离子的 过程， 即金属发生了氧化反应。 （ 3 ） 类型： 根据与金属接触的介质不同， 可 分为化学腐蚀和电化学腐蚀。 2. 化学腐蚀 金属与接触到的干燥气体 （如 O 2 、 Cl 2 、 SO 2 等） 或非电解质液体 （石油） 等直接发 生化学反应而引起的腐蚀。 腐蚀的速率随温 度升高而加快。 3. 电化学腐蚀 （ 1 ） 概念： 不纯的金属与电解质溶液接触时， 会发生原电池反应， 比较活泼的金属失 去电子而被氧化。 （ ２ ） 钢铁的析氢腐蚀和吸氧腐蚀 在潮湿的空气里， 钢铁的表面形成了一 层电解质溶液的薄膜， 它跟钢铁里的铁和少 量的碳恰好构成了原电池。 其中， 铁是负 极， 碳是正极。 Ⅰ. 析氢腐蚀： 金属表面的电解质溶液 酸性较强， 腐蚀过程中有 H 2 放出 （如下图 所示）。 负极： Fe－2e － Fe 2＋ ； 正极： 2H ＋ ＋2e － H 2 ↑ ； 总反应： Fe＋2H ＋ Fe 2＋ ＋H 2 ↑ 。 Ⅱ. 吸氧腐蚀： 钢铁表面吸附的水膜酸 性很弱或呈中性、 碱性时， 氧气参加电极反 应， 发生吸氧腐蚀 （如下图所示）。 电极反应如下： 负极： Fe－2e － Fe 2＋ ； 正极： 2H 2 O＋O 2 ＋4e － 4OH － ； 总反应： 2Fe＋O 2 ＋2H 2 O 2Fe （ OH ） 2 。 最终生成铁锈 （主要成分为 Fe 2 O 3 · xH 2 O ）， 反应如下： 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 。 第三节 金属的腐蚀与防护 Fe 2+ H 2 电解质溶液 e - e - Fe C e - e - e - e - Fe 2+ 电解质溶液 O 2 OH - C 104 学 第四章 化学反应与电能 知识点 2 金属的防护 1. 改变金属材料的组成， 如把铬、 镍等加入 普通钢中制成不锈钢。 2. 在金属表面覆盖保护层， 如喷涂油漆、 涂 油脂、 覆盖搪瓷或塑料、 电镀、 形成钝化 膜等。 3. 电化学保护法 （ 1 ） 牺牲阳极法 应用原电池原理， 让被保护的金属作正 极， 另找一种活泼性较强的金属作负极。 【实验探究】 牺牲阳极法的实验探究 实验原理： Fe 2＋ 与［ Fe （ CN ） 6 ］ 3－ 反应生成 带有特征蓝色的铁氰化亚铁沉淀： K + +Fe 2＋ ＋ ［ Fe （ CN ） 6 ］ 3－ KFe ［ Fe （ CN ） 6 ］ ↓ 实验步骤： 按如 图所示连接好装置； 一段时间后， 用胶头 滴管从 Fe 电极区域 取少量溶液于试管 中， 再向试管中滴入 2 滴黄色 K 3 ［ Fe （ CN ） 6 ］ （铁氰化钾） 溶液， 观察实验现象。 实验现象： 可以看到电流表指针发生偏 转， Fe 电极上有气泡产生， 往试管中滴入 K 3 ［ Fe （ CN ） 6 ］溶液， 不产生蓝色沉淀。 实验结论： 实质上是 Zn 、 Fe 、 NaCl 溶 液 （酸化） 构成原电池， 发生下列电极反应： 负极： Zn－2e － Zn 2＋ ； 正极： 2H ＋ ＋2e － H 2 ↑ 。 往试管中滴加 K 3 ［ Fe （ CN ） 6 ］溶液不产生 蓝色沉淀， 说明溶液中不含 Fe 2＋ ， 证明 Fe 未 被腐蚀 （即牺牲阳极金属保护阴极金属）。 （ 2 ） 外加电流法 利用电解池原理， 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。 要 点 精 析 要点 1 金属的化学腐蚀与电化学腐蚀 金属的化学腐蚀与电化学腐蚀比较如 下表： FeZn A NaCl 溶液 经过酸 化的 3% 钢闸门 （阴极） 海水 辅助阳极 （不溶性） - + e - e - 化学腐蚀 电化学腐蚀 （主要） 定义 金属跟接触到的物质 （一 般是活泼非金属单质及非 电解质） 直接发生化学反 应而引起的腐蚀 不纯金属 （或合金） 跟接触到的电解质溶液所发生的原电 池反应， 较活泼金属原子失去电子而被氧化引起的腐蚀 吸氧腐蚀 （主要） 析氢腐蚀 条件 金属与活泼非金属单质及 非电解质直接接触 水膜中溶有 O 2 ， 呈极弱酸性或 中性 水膜酸性较强 （ pH≤4.3 ） 现象 无电流产生 有微弱电流产生 反应式 （以铁腐蚀为例） 2Fe＋3Cl 2 2FeCl 3 负极： Fe－2e － Fe 2＋ 正极： 2H 2 O＋O 2 ＋4e － 4OH － 正极： 2H ＋ ＋2e - H 2 ↑ 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 105 学 高中化学选择性必修 1 （人教版） 典例 １ 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阳极， 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， 碳极反应式： O 2 ＋2H 2 O＋ 4e － 4OH － D. 具支试管中溶液 pH 逐渐减小 解析： 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， 即此 时发生吸氧腐蚀， 反应式是 2H 2 O＋O 2 ＋4e － 4OH － ， 故溶液的 pH 增大， A 、 B 、 D 错误； C 正确。 答案： C 要点 2 金属的防护 金属的防护方法主要有以下几种： 1. 改变金属的内部组织结构 例如： 把铬、 镍等加入普通钢里制成的 不锈钢， 就大大地增加了钢铁对各种侵蚀的 抵抗力。 2. 在金属表面覆盖保护层 在金属表面覆盖致密的保护层， 从而使 金属制品跟周围物质隔离开来， 这是一种普 遍采用的防护方法。 以钢铁的防护为例， 根据保护层成分的 不同， 可分为如下几种： （ 1 ） 在钢铁表面涂矿物性油脂、 油漆或覆盖 搪瓷、 塑料等物质。 例如， 船身 、 车 厢、 水桶等常涂油漆， 汽车外壳常喷 漆， 枪炮、 机器常涂矿物性油脂等。 （ 2 ） 用电镀、 热镀、 喷镀的方法， 在钢铁表 面镀上一层不易被腐蚀的金属， 如锌、 锡、 铬、 镍等。 例如， 常用的白铁皮就 是在薄钢板的表面热镀上一层锌； 自行 车钢圈就是用电镀的方法镀上一层既耐 腐蚀又耐磨的铬或镍。 （ 3 ） 用化学方法使钢铁表面生成一层致密而 稳定的氧化膜。 例如， 工业上常借一些 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。 3. 电化学保护法 （ 1 ） 牺牲阳极法。 将还原性较强的金属作为保护极与被保 温馨提示 只有在金属活动性顺序中位于氢前 面的金属才可能发生析氢腐蚀， 位于氢 之后的金属只能发生吸氧腐蚀。 析氢腐 蚀和吸氧腐蚀通常同时存在， 但因为酸 性较强的环境不多， 所以吸氧腐蚀较为 普遍。 pH=5 雨水 红墨水 生铁片 典例 1 图 思维点拨 抓住吸氧腐蚀和析氢腐蚀的主要区 别， 电解质溶液酸性较强时主要发生析 氢腐蚀， 产生氢气， 压强增大； 电解质 溶液酸性较弱时主要发生吸氧腐蚀， 消 耗氧气， 压强减小。 106 学 第四章 化学反应与电能 护金属相连构成原电池， 还原性较强的金属 将作为负极发生氧化反应而被损耗， 被保护 金属作为正极就可以避免被腐蚀。 这种保护 法牺牲了阳极保护了阴极。 （ 2 ） 外加电流法。 将被保护金属与外加直流电源的负极相 连， 让其成为阴极， 而将外加直流电源的正 极接到惰性电极上， 让其成为阳极。 典例 2 下列对如图所示 的实验装置的判断中错 误的是 （ ） A. 若 X 为碳棒， 开关 K 置于 A 处可减缓铁的 腐蚀 B. 若 X 为锌棒， 开关 K 置于 A 或 B 处均可 减缓铁的腐蚀 C. 若 X 为锌棒， 开关 K 置于 B 处时， 为牺 牲阳极法 D. 若 X 为碳棒， 开关 K 置于 B 处时， 铁电 极上发生的反应为 2H ＋ ＋2e － H 2 ↑ 解析： 若 X 为碳棒， 开关 K 置于 A 处可减 缓铁的腐蚀， 这是外加电流的阴极保护法， A 正确； 若 X 为锌棒， 开关 K 置于 A 处时 形成电解池， Fe 作阴极被保护， 置于 B 处 时形成原电池， 这是牺牲阳极的阴极保护 法， B 、 C 两项正确； 若 X 为碳棒， 开关 K 置于 B 处时， 铁电极上发生的反应为 Fe－2e － Fe 2＋ ， D 错误。 答案： D 要点 3 金属腐蚀快慢的判断 金属腐蚀快慢的判断主要有以下几种 方法： 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。 2. 同一种金属在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： 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 的阴极金属的腐蚀 > 有外接电源的阴极金 属腐蚀。 4. 对同一种电解质溶液来说， 电解质溶液浓 度越大， 一般腐蚀越快。 典例 3 如图所示， 各烧杯中盛有海水， 铁 在其中被腐蚀的速率由快到慢的顺序为 （ ） B X Fe A K 食盐水 典例 2 图 思维点拨 牺牲阳极法应用的是原电池的原理， 被保护的金属为电子流入的电极——正 极。 外加电流法应用的是电解池的原理， 被保护的金属为电子流入的电极—— 阴极。 温馨提示 对于活动性不同的两金属， 活动性 差别越大， 其氧化还原反应的速率越快， 活泼金属腐蚀越快； 纯度越高的金属， 腐蚀速率越慢。 Fe ① Sn Fe ② Zn Fe ③ 107 学 高中化学选择性必修 1 （人教版） A. ②①③④⑤⑥ B. ⑤④③①②⑥ C. ⑤④②①③⑥ D. ⑤③②④①⑥ 解析： ②③④ 均为原电池， ③ 中 Fe 为正极， 被保护； ②④ 中 Fe 为负极， 均被腐蚀， 但 Fe 和 Cu 的金属活动性差别大于 Fe 和 Sn 的， 故 Fe－Cu 原电池中 Fe 被腐蚀得较快。 ⑤ 是 Fe 接电源正极作阳极， Cu 接电源负极 作阴极的电解腐蚀， 加快了 Fe 的腐蚀。 ⑥ 是 Fe 接电源负极作阴极， Cu 接电源正极作阳 极的电解腐蚀， 防止了 Fe 的腐蚀。 根据以 上分析可知铁在其中被腐蚀的速率由快到慢 的顺序为 ⑤>④>②>①>③>⑥ 。 答案： C Fe Cu ④ FeCu ⑤ FeCu ⑥ 典例 3 图 思维点拨 在同一电解质溶液中金属腐蚀的速 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。 在原电池中， 两金属电极活动性差别越 大， 活泼金属腐蚀越快。 108