内容正文:
第一章 化学反应与能量转化
第四节 金属的腐蚀与防护
第一章 化学反应的热效应
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目录
contents
Part 01 夯基固本 新知探究
Part 02 检测效果 素养提升
Part 03 课时作业
第一章 化学反应的热效应
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第一章 化学反应的热效应
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夯基固体 新知探究
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氧化还原
失去
氧化
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使金属不被氧化
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原电池
电解池
阴
正
负
阳
阴
阳
直流
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空气、水
不锈钢
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氧气
氧气
水
双吸剂
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检测效果 素养提升
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课时作业(七)
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学习目标
核心素养
1.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。2.知道防止金属腐蚀的常用方法和金属电化学腐蚀的应用。
1.科学探究与创新意识:通过对金属腐蚀与防腐实验探究,激发探究化学问题的兴趣和动机,培养科学探究与创新意识。2.科学态度与社会责任:关心金属腐蚀造成的巨大损失,增加关注国情的责任感和使命感,关注化学在生活中的应用,做到学以致用,形成节约资源,资源循环使用的可持续发展观念。
知识点一 电解食盐水制备烧碱、氢气和氯气
1.金属腐蚀的定义和分类
2.化学腐蚀和电化学腐蚀
3.钢铁的电化学腐蚀
(1)实质:金属失电子被氧化
(2)腐蚀条件 eq \b\lc\{\rc\ (\a\vs4\al\co1(铁:负极,水膜:电解质溶液,碳:正极))
(3)析氢腐蚀和吸氧腐蚀
析氢腐蚀
吸氧腐蚀
图形
描述
条件
水膜酸性较强
水膜酸性弱或呈中性
电
极
反
应
负极
正极
总反应
Fe+2H+===Fe2++H2↑
2Fe+O2+2H2O===2Fe(OH)2,
4Fe(OH)2+2H2O+O2===4Fe(OH)3
联系
通常两种腐蚀同时存在,但后者更普遍
2H++2e-===H2↑
Fe-2e-===Fe2+
O2+4e-+2H2O===4OH-
[思考探究]
[实验1] 将经过酸洗除锈的铁钉,用饱和食盐水浸泡一下,放入下图所示的具支试管中。一段时间后,观察导管中水柱和铁钉的变化。如图1。
[实验2] 向100 mL烧杯中加入约50 mL饱和食盐水后,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检流计连接后,再分别插入两个玻璃筒中。如图2。
2.实验2的检流计的指针是否偏转?说明什么问题?若向实验2的插入碳棒的玻璃筒内滴入酚酞溶液,将会看到什么现象?说明什么问题?请写出相关电极反应式。
提示:检流计指针偏转。说明有电流通过。向碳棒一端加入酚酞,显红色。说明该极的电极反应为O2+2H2O+4e-===4OH-。
1.实验1的实验现象是什么?铁钉为什么会生锈?说明什么问题?请分析变化的原因。
提示:实验1中导管中的水柱上升,铁钉生锈。说明该过程铁钉被腐蚀。铁钉发生的是吸氧腐蚀。
3.若将实验1和实验2的溶液换为盐酸(均足量)。实验1存在哪些形式的化学腐蚀?实验2中是否有电流通过?写出相关电极反应式。
提示:若换为盐酸,则实验1中会发生铁与盐酸的化学腐蚀,同时也有电化学腐蚀。实验2中则发生电化学腐蚀。正极:2H++2e-===H2↑,负极:Fe-2e-=Fe2+。
1.金属的电化学腐蚀及其注意事项
(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,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+。
(4)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。
2.金属腐蚀的快慢比较
(1)在同一种电解质溶液中,金属腐蚀由快到慢的顺序是电解池的阳极>原电池的负极>化学腐蚀>原电池的正极>电解池的阴极。
(2)在不同溶液中,金属在电解质溶液中的腐蚀>金属在非电解质溶液中的腐蚀;金属在强电解质溶液中的腐蚀>金属在弱电解质溶液中的腐蚀。
(3)对同一种电解质溶液来说,电解质溶液浓度越大,腐蚀越快。
[典例1] 下列关于金属腐蚀的说法中正确的是( )
A.金属腐蚀指不纯金属与接触到的电解质溶液进行化学反应而损耗的过程
B.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,产物最终转化为铁锈
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
[解析] 金属腐蚀的本质是金属失去电子被氧化,腐蚀的内因是金属的化学性质比较活泼,外因是金属与空气、水或其他腐蚀性物质接触,腐蚀主要包括化学腐蚀和电化学腐蚀,A错误;化学腐蚀指不纯金属发生化学反应而损耗的过程,不需要外加电流,B错误;钢铁腐蚀最普遍的是吸氧腐蚀,正极吸收氧气,而不是负极吸收氧气,C错误。
[答案] D
1.如图表示钢铁在海水中的锈蚀过程,以下有关说法正确的是( )
A.该金属腐蚀过程为析氢腐蚀
B.正极为C,发生的反应为氧化反应
C.在酸性条件下发生的是吸氧腐蚀
D.正极反应为O2+2H2O+4e-===4OH-
解析:选D 钢铁中含有铁和碳,在潮湿的环境中构成原电池,铁作负极,碳作正极,从图中看出,空气中的O2参加反应,所以发生了吸氧腐蚀,A项错误;碳作正极,发生的反应为还原反应,B项错误;在酸性条件下,原电池的正极发生H+得电子的还原反应,析出H2,即在酸性条件下发生析氢腐蚀,C项错误;发生吸氧腐蚀时,O2在正极发生得电子的还原反应:O2+2H2O+4e-===4OH-,D项正确。
知识点二 金属腐蚀的防护
1.金属的防护实质就是防止金属的腐蚀,要解决的主要问题是 。
2.金属防护的方法
(1)常用保护法
①在钢铁表面涂矿物性油脂、油漆或覆盖搪瓷、塑料等物质。
②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。
③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。
④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。
(2)电化学防护法
电化学防护
牺牲阳极保护法
阴极电保护法
原理
原理
原理
措施
被保护的金属作 极( 极),用一种活动性较强的金属作 极( 极)
被保护的金属作 极,惰性电极作辅助 极,连上 电源
应用
如锅炉内壁、船舶外壳、铁塔、铁管道装上若干锌块,可保护钢铁设备
如钢闸门、输送酸性溶液的铁管道等
示
意
图
(3)活泼性不同的两种金属,活泼性差异越大,二者形成原电池时,较活泼的金属腐蚀越快。
(4)对同一种电解质溶液来说,电解质浓度越大,金属腐蚀越快。
(3)其他保护法
①加涂保护层:如采用喷油漆、涂油脂、电镀、喷镀或表面钝化等方法,使金属与 等物质隔离,防止金属被氧化腐蚀。
②改变金属的内部结构:如把铬、镍等金属加入普通钢里制成耐腐蚀的 。
3.金属腐蚀快慢的判断方法
(1)对同一电解质溶液来说,腐蚀由快到慢: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)对同一金属来说,腐蚀由快到慢:强电解质溶液中>弱电解质溶液中>非电解质溶液中(浓度相同)。
[思考探究]
按如图所示连接好装置:往Fe电极区滴入2滴黄色K3[Fe(CN)6](铁氰化钾)溶液。
已知Fe2+与[Fe(CN)6]3-反应生成带有特征蓝色的铁氰化亚铁沉淀:
3Fe2++2[Fe(CN)6]3-===Fe3[Fe(CN)6]2↓。
1.检流计指针有何变化?为什么?
提示:检流计指针发生偏转。Zn-Fe—酸化的NaCl溶液形成原电池。
提示:Zn电极:Zn-2e-===Zn2+,Fe电极:2H++2e-===H2↑。
2.Zn、Fe两个电极上发生了什么反应?
3.在这种装置中有没有Fe2+产生?说明了什么问题?
提示:没有。Fe被保护,Zn被腐蚀。
提示:正极;负极。
4.若用该方法对金属进行防护,则被保护金属作为原电池的哪个电极?若改用外加直流电源对金属进行防护,则被保护金属应与电源哪个电极连接?
金属的防护措施
[典例2] 为使埋在地下的钢管不被腐蚀,所采取的下列措施错误的是( )
A.向钢管外填埋干燥土壤,避开电解质溶液
B.在钢管外镀上一层锌皮,此锌皮会作负极
C.将钢管连接在直流电源的负极上,作阴极
D.在钢管外涂上油漆、沥青等使与土壤隔绝
[解析] 土壤对材料的腐蚀主要源于土壤中的水、氧气和一些电解质,向钢管外填埋干燥土壤,避开电解质溶液,此措施并不能防止钢管被腐蚀,A错误;与锌皮相连,锌比铁活泼,为原电池的负极,失电子被腐蚀,钢管作正极被保护,B正确;外加电流阴极保护法:把金属连接在电源的负极上,这样就能消除引起金属腐蚀的原电池反应,C正确;在钢管外涂上油漆、沥青等使与土壤隔绝,防止腐蚀,D正确。
[答案] A
2.如图所示各烧杯中盛有海水,铁在其中被腐蚀,腐蚀的速率由快到慢的顺序为( )
A.⑤②①③④ B.③②⑤④①
C.⑤④③②① D.⑤②①④③
解析:选A ①中只有一种金属,所以不能构成原电池,正常被腐蚀;②符合原电池构成条件而构成原电池,铁易失电子而作负极,加速被腐蚀;③符合原电池构成条件而构成原电池,锌易失电子而作负极,铁作正极,所以铁被保护;④该装置是电解池,铁与电源负极相连而作阴极,被保护;⑤该装置是电解池,铁与电源正极相连而作阳极,加速被腐蚀,且腐蚀速率大于铁作负极;则铁被腐蚀的速率由快到慢的顺序是⑤②①③④。
知识点三 电化学腐蚀原理的应用
金属电化学腐蚀的原理不仅可用于保护金属不被腐蚀,还有其他重要应用。
1.铁腐蚀能消耗空气中的 ,利用这一原理可以快速测定空气中氧气的含量。
2.腐蚀的反应消耗 和 ,以铁粉为主要成分制成 放入食品包装袋,可以延长食物的保质期。
3.铁腐蚀的过程放热,利用这一特点可以制成一次性保暖贴。
4.利用微电解技术处理工业废水
该技术利用铁屑中的铁和碳组分分别作为微小电池的负极材料和正极材料,铁屑中的铁和废水中的H+或氧气分别作为负极反应物和正极反应物,废水作为离子导体,发生的电极反应如下
负极: ;
正极 (酸性条件);
(碱性或中性条件)。
2H++2e-===H2↑
Fe-2e-===Fe2+
O2+2H2O+4e-===4OH-
[思考探究]
1.某品牌的保暖贴使用说明
品 名:一次性保暖贴
主要成分:铁粉、水、食盐、活性炭、蛭石、吸水性树脂
产品性能:平均温度55℃,最高温度63℃,发热时间在12小时以上
使用说明:使用时将外包装袋撕开,取出内袋,将保护衬纸揭下,贴在需要取暖或热敷部位的内衣外侧;使用完后,从衣服上撕下即可[严禁直接接触皮肤]
(1)保暖贴在发热过程中,其主要成分分别起什么作用?
(2)为什么保暖贴能较持久而又稳定地提供热量?
(3)保暖贴使用的是双层包装。外层由不透气的明胶层制成,内层由微孔透气膜制成。为什么要这样设计?
(4)为什么保暖贴使用后会变得较硬?
提示:(1)铁与氧气的反应是一个放热反应,这个反应在自然条件下进行得很慢,但当它以电池反应的形式发生时则会变得很快,并放出大量的热。
在保暖贴的内袋中,当空气中的氧气通过微孔透气膜进入后,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电池发生反应且进行得很快,反应放出的热量很快就将发热袋加热。矿物材料蛭石做保温材料。
(2)为了使温度能够保持一段时间,保暖贴使用了矿物材料蛭石做保温材料,其放热的时间和温度可以通过透气膜的透氧速率进行控制。
(3)在保暖贴的内袋中,当空气中的氧气通过微孔透气膜进入后,才开始反应,开始保存时不打开不透气的明胶层,就不会反应,这样可以保存很长时间。
(4)使用后,保暖贴内袋中的物质变为深褐色固体,其主要成分为炭粉、氯化钠固体、三氧化二铁固体以及含镁和铝的盐,因而变得较硬。
2.寒冷的冬天,经常使用暖宝宝,暖宝宝中装的是铁粉、活性炭、无机盐等物质。打开包装以后,可以连续12个小时释放热量,铁作负极,电极反应为:Fe-2e-===Fe2+,活性炭作正极,电极反应为:2H2O+O2+4e-===4OH-。能较持久而又稳定地提供热量的原因是?
提示:①使用了矿物材料蛭石做保温材料;②放热时间和温度可以通过透气膜的透氧速率进行控制。
[典例3] 用如图所示装置除去含CN-、Cl-废水中的CN-时,控制溶液pH为9~10,阳极产生的ClO-将CN-氧化为两种无污染的气体。下列说法不正确的是( )
A.用石墨作阳极,铁作阴极
B.阳极的电极反应为Cl-+2OH--2e-===ClO-+H2O
C.阴极的电极反应为2H2O+2e-===
H2↑+2OH-
D.除去CN-的反应:2CN-+5CIO-+2H+===N2↑+2CO2↑+5CI-+H2O
[解析] 根据电解的原理,铁作阳极时,铁失电子参与反应,但根据题中信息,铁不参与反应,因此铁作阴极,A正确;根据信息,溶液呈碱性,利用ClO-氧化CN-,因此,阳极反应为Cl-+2OH--2e-===ClO-+H2O,B正确;根据电解原理,阴极上是阳离子放电,即2H++2e-===H2↑,C正确, CN-被ClO-氧化成两种无毒的气体,即N2和CO2,溶液呈碱性,不能与H+反应,D错误。
[答案] D
3.如图所示装置可间接氧化工业废水中含氮离子(NH eq \o\al(+,4))。下列说法不正确的是( )
A.乙是电能转变为化学能的装置
B.含氮离子氧化时的离子方程式为
3Cl2+2NH eq \o\al(+,4)===N2+6Cl-+8H+
C.若生成H2和N2的物质的量之比为3∶1,则处理后废水的pH减小
D.电池工作时,甲池中的Na+移向Mg电极
解析:选D 甲中活泼金属镁作原电池的负极,石墨为正极形成原电池,乙是连接原电池的电解池,电解酸性工业废水时,电解池是将电能转变为化学能的装置,A正确;酸性条件下含氮离子氧化时转化为氮气,反应的离子方程式为3Cl2+2NH eq \o\al(+,4)===N2+6Cl-+8H+,B正确;若生成H2和N2的物质的量之比为3∶1,根据电极反应6H++6e-===3H2↑、3Cl2 +2NH eq \o\al(+,4)===N2+6Cl-+8H+,则处理后废水的H+浓度增大,pH减小,C正确;电池工作时,甲池是原电池,原电池中阳离子Na+移向正极石墨电极,D不正确。
[课堂检测]
1.下列有关金属腐蚀与防护的说法正确的是( )
A.纯银器表面在空气中因电化学腐蚀渐渐变暗
B.当镀锡铁制品的镀层破损时,镀层仍能对铁制品起保护作用
C.在海轮外壳连接锌块保护外壳不受腐蚀是采用了牺牲阳极的阴极保护法
D.可将地下输油钢管与外加直流电源的正极相连以保护它不受腐蚀
解析:选C 纯银器在空气中久置会被氧化变黑,不具备形成原电池的条件,所以为化学腐蚀,故A错误;当镀锡铁制品的镀层破损时,因为Fe比Sn更活泼,Sn、Fe形成原电池,Fe为负极,镀层不再起到保护作用,故B错误;在海轮外壳连接锌块保护外壳不受腐蚀,因为Fe与Zn形成原电池,Zn作负极(阳极)被消耗,从而保护了正极(阴极)Fe,该防护方法称为牺牲阳极的阴极保护法,故C正确;利用电解池原理进行金属防护的方法称为外加电流的阴极保护法,使被保护金属与直流电源的负极相连可防止金属被腐蚀,所以将地下输油钢管与外加直流电源的负极相连,可保护钢管不受腐蚀,故D错误。
2.如图是金属牺牲阳极法的实验装置,下列有关说法正确的是( )
A.该装置为电解池
B.本实验牺牲了金属Fe来保护金属Zn
C.若加入K3[Fe(CN)6]溶液,Fe电极附近不会产生特征蓝色的沉淀
D.远洋货轮上镶嵌的金属Zn不需要更换
解析:选C 该装置没有外接电源,所以是原电池而不是电解池,故A项错误;锌比铁活泼,失电子作负极,铁作正极,所以牺牲了锌保护了铁,故B项错误;铁被保护,所以溶液中不会产生亚铁离子,加入K3[Fe(CN)6]溶液后,Fe电极附近不会产生特征蓝色的沉淀,故C项正确;远洋货轮船底镶嵌锌块,其中锌与铁构成原电池,锌作负极,失电子发生氧化反应,锌被腐蚀,为保护货轮需定期更换,故D项错误。
3.相同材料的铁在图中的四种情况下最不易被腐蚀的是( )
A. B.
C. D.
解析:选C 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电极,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,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,易形成原电池发生电化学腐蚀。
4.研究电化学腐蚀及防护的装置如图所示。下列有关说法正确的是( )
A.d为石墨,铁片腐蚀减慢
B.d为石墨,石墨上电极反应为O2+2H2O+4e-===4OH-
C.d为锌块,铁片易被腐蚀
D.d为锌块,铁片上电极反应为
2H++2e-===H2↑
解析:选B 电极d为石墨,腐蚀时形成原电池,铁片作负极,则铁片腐蚀加快,A错误;d为石墨,形成原电池,铁片作负极,海水呈弱碱性,发生铁的吸氧腐蚀,则石墨上电极反应为O2+2H2O+4e-===4OH-,B正确;d为锌块,形成原电池时,锌块作负极,铁片作正极而受到保护,C错误;d为锌块,形成原电池,铁片作正极,海水呈弱碱性,发生吸氧腐蚀,则铁片上电极反应为O2+2H2O+4e-===4OH-,D错误。
5.支撑海港码头基础的钢管桩,常用外加电流的阴极保护法进行防腐,工作原理如图所示,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.通入保护电流使钢管桩表面腐蚀电流接近于零
B.通电后外电路电子被强制从高硅铸铁流向钢管桩
C.高硅铸铁的作用是作为损耗阳极材料和传递电流
D.通入的保护电流应该根据环境条件变化进行调整
解析:选C 钢管桩接电源的负极,高硅铸铁接电源的正极,通电后,外电路中的电子从高硅铸铁(阳极)流向正极,从负极流向钢管桩(阴极),A、B正确;题给信息高硅铸铁为“惰性辅助阳极”不损耗,C错误。
6.某同学进行下列实验。已知Fe2+与K3[Fe(CN)6]反应生成蓝色的铁氰化亚铁沉淀。
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
请回答:
(1)生铁片发生________腐蚀,中心区的电极反应式为__________________________
(2)边缘处的电极反应式为________________________,交界处发生的反应为__________________。
解析:生铁片发生吸氧腐蚀,其中Fe作负极,电极反应式为Fe-2e-===Fe2+,Fe2+与K3[Fe(CN)6]反应生成蓝色的铁氰化亚铁沉淀,故中心区域为蓝色;边缘处发生电极反应:2H2O+O2+4e-===4OH-,碱能使酚酞变红,交界处Fe(OH)2被空气中的O2氧化成Fe(OH)3,最终变为铁锈(Fe2O3·xH2O)。
答案:(1)吸氧 Fe-2e-===Fe2+
(2)2H2O+O2+4e-===4OH-
4Fe(OH)2+O2+2H2O===4Fe(OH)3、2Fe(OH)3===Fe2O3·xH2O+(3-x)H2O
$$