第四章 第三节 金属的腐蚀与防护-【金版新学案】2025-2026学年新教材高二化学选择性必修1同步课堂高效讲义配套课件(人教版 单选)
2025-12-10
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教辅
摘要:
该高中化学课件聚焦金属的腐蚀与防护,系统阐述化学腐蚀与电化学腐蚀的差异,详解析氢腐蚀和吸氧腐蚀的条件、电极反应及总反应,介绍改变金属结构、覆盖保护层、电化学保护等防护方法。以金属腐蚀危害导入,衔接原电池原理,搭建“现象-原理-应用”的学习支架,帮助学生构建知识脉络。
其亮点在于通过对比表格明晰两种电化学腐蚀差异,结合U形管实验、腐蚀速率比较题等设计,渗透科学思维与科学探究。如用实验现象推导电极反应,培养证据推理能力,助力学生形成结构化认知,提升解题与实践能力,也为教师提供梯度化教学资源,提高课堂效率。
内容正文:
第三节 金属的腐蚀与防护
第四章 化学反应与电能
1.了解金属腐蚀的危害,认识防止金属腐蚀的意义。
2.了解化学腐蚀与电化学腐蚀的意义,理解电化学腐蚀的条件。
3.理解析氢腐蚀与吸氧腐蚀的区别,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。
4.了解金属防护的一般方法和电化学防护原理。
学习目标
任务一 金属的腐蚀
1
任务二 金属的防护
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随堂演练
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内容索引
课时测评
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任务一 金属的腐蚀
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新知构建
一、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。
(2)实质:金属原子失去电子变为阳离子,金属发生______反应。
氧化还原
氧化
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
(1)化学腐蚀
①定义:金属与其表面接触的一些物质直接发生__________而引起的腐蚀。
②发生条件:干燥气体,如______________________等,__________液体,如石油。
化学反应
氧气、氯气、二氧化硫
非电解质
(2)电化学腐蚀
①定义: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发生条件:不纯的金属接触到________溶液。
原电池
电解质
二、钢铁的电化学腐蚀(析氢腐蚀和吸氧腐蚀)
类别
项目 析氢腐蚀 吸氧腐蚀
图形描述
条件 水膜酸性较强 水膜酸性很弱或呈中性,溶有氧气
负极 Fe-2e-Fe2+
正极 2H++2e-H2↑ O2+4e-+2H2O4OH-
类别
项目 析氢腐蚀 吸氧腐蚀
总反应 Fe+2H+Fe2++H2↑ 2Fe+O2+2H2O2Fe(OH)2、
4Fe(OH)2+O2+2H2O4Fe(OH)3
2Fe(OH)3Fe2O3·xH2O+(3-x)H2O
腐蚀速度 一般较快 一般较慢
联系 通常两种腐蚀同时存在,但后者更普遍
应用评价
1.判断正误
(1)无论化学腐蚀还是电化学腐蚀,金属的腐蚀都是金属失电子被氧化的过程。
提示:正确。
(2)因为CO2普遍存在,所以钢铁腐蚀以析氢腐蚀为主。
提示:错误;二氧化碳溶于水形成的溶液酸性太弱,所以钢铁腐蚀以吸氧腐蚀为主。
(3)铜在酸性条件下也可以发生析氢腐蚀。
提示:错误;铜不能置换出酸中的氢,所以铜只能发生吸氧腐蚀。
(4)纯铁不易腐蚀,生铁易腐蚀,是因为生铁中含碳,能形成原电池发生电化学腐蚀。
提示:正确。
(5)铁的电化学腐蚀的负极反应为Fe-3e-Fe3+。
提示:错误;铁的电化学腐蚀的负极反应为Fe-2e-Fe2+。
2.下图实验装置中,U形管内为红墨水,a、b试管中
分别盛有氯化铵溶液和食盐水,各加入生铁片,一段
时间后,红墨水柱两边的液面变为左低右高。
(1)猜测a试管中生铁发生 ______(填“析氢”或“吸氧”)腐蚀。
析氢
U型管内红墨水左低右高,则左边试管内气体的压强变大,右边试管内气体的压强减小,左边试管中是氯化铵溶液(显酸性),发生析氢腐蚀,右边试管中是中性溶液食盐水,发生吸氧腐蚀。
(2)b试管中正极上发生的电极反应为___________________________。
O2+2H2O+4e-4OH-
b试管中是中性溶液食盐水,铁作负极,发生失电子的氧化反应,碳作正极,正极上氧气得电子发生还原反应,电极反应为O2+2H2O+4e-4OH-。
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任务二 金属的防护
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新知构建
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。
1.金属的防护的本质
阻止金属发生化学反应,基本思路是防止金属与__________直接接触,防止金属作原电池的______。
化学物质
负极
2.金属防护的几种重要方法
(1)改变金属的内部组织结构。合金钢中含有其他元素,使组织结构发生变化,耐腐蚀。如:不锈钢。在钢铁中加入一定比例的铬和镍(17%~
19%Cr,8%~13%Ni),改变钢铁内部的组成和结构,可极大程度地提高钢铁抗腐蚀性能,这就是常见的“不锈钢”(合金)。
(2)在金属表面覆盖保护层。常见方式有:涂油脂、油漆或覆盖搪瓷、塑料等;用化学方法使金属表面钝化,形成致密氧化膜;在表面镀一层有保护作用的另一种金属。
(3)电化学保护法。金属在发生电化学腐蚀时,总是作为____________(阳极)的金属被腐蚀,作为______(阴极)的金属不被腐蚀,如果能使被保护的金属成为阴极,则该金属就不易被腐蚀。
①牺牲阳极法
a.原理:原电池原理,被保护的金属作______,
活泼性更强的金属作______。
b.应用:锅炉内壁、船舶外壳、钢闸门安装镁合金或锌块。
原电池负极
正极
正极
负极
②外加电流法
a.原理:电解池原理,被保护的金属作为阴极,与电源的负极相连。
b.应用:钢闸门、高压线铁架、地下管道连接直流电源的负极。
应用评价
1.判断正误
(1)牺牲阳极法利用的是电解池原理。
提示:错误;牺牲阳极法利用的是原电池原理。
(2)在铁制品表面镀锌,是为了防止铁制品的腐蚀,而且镀层有损坏仍可对铁制品起到保护作用。
提示:正确。
(3)铁制品涂油脂、喷油漆是为了隔绝铁与氧气的接触,起到保护铁制品的作用。
提示:正确。
(4)铁闸门可与外加电源的正极相连,起到保护作用。
提示:错误;铁闸门可与外加电源的负极相连,起到保护作用。
(5)原电池反应是导致金属腐蚀的主要原因,故不能用来减缓金属的
腐蚀。
提示:错误;原电池反应是导致金属腐蚀的主要原因,也能用来减缓金属的腐蚀。
2.利用如图装置,可以模拟铁的电化学防护。
(1)若X为铜,为减缓铁的腐蚀,开关K应置于____处,铁棒上发生的电极反应为___________________________,
该种防护方法称为_____________。
(2)若X为锌棒,开关K置于M处,铁棒上的电极反应为________________
_____________,
该电化学防护法称为_____________。
N
2H2O+2e-H2↑+2OH-
外加电流法
O2+4e-+2H2O
4OH-
牺牲阳极法
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随堂演练
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由装置图可知,②③④是原电池,装置②④中铁为负极,原电池中两个电极金属活动性相差越大,负极金属腐蚀的速度越快,因此④>②,装置③中铁作正极,被保护,所以④>②>③,装置⑤⑥是电解池,
1.如图所示,各烧杯中盛有海水,铁在其中被腐蚀的速度由快到慢的顺
序为
A.②①③④⑤⑥ B.⑤④③①②⑥
C.⑤④②①③⑥ D.⑤③②④①⑥
⑤中铁作阳极,⑥中铁作阴极,阳极金属腐蚀速度快,阴极被保护,因此⑤>⑥,又因电解池引起的腐蚀速度>原电池引起的腐蚀速度>化学腐蚀速度>有防护措施的腐蚀速度,因此可得铁被腐蚀的速度由快到慢
的顺序为⑤④②①③⑥。
√
2.实验是重要的学科实践。用如图装置进行实验,开始时,a、b两处液面相平,密封完好,放置一段时间。下列说法不正确的是
A.a处生铁丝发生吸氧腐蚀
B.a管液面高于b管
C.b处溶液的pH增大
D.b处生铁丝发生电极反应Fe-3eFe3+
a管是中性溶液,发生吸氧腐蚀,b管是酸性溶液,发生析氢腐蚀,A项正确;
a管发生吸氧腐蚀时,氧气和水反应导致气体压强减小,b管发生析氢腐蚀,生成氢气导致气体压强增大,则右边的液体向左边移动,一段时间后,a管液面高于b管液面,B项正确;b发生析氢腐蚀,氢离子放电生成氢气,所以溶液的pH变大,C项正确;生铁丝作负极,故b处电极反应式为Fe-2e-Fe2+,D项错误。
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3.港珠澳大桥设计使用寿命为120年,可以对桥体钢构件采用多种方法防腐。下列分析错误的是
A.防腐原理主要是避免发生电化学腐蚀
B.钢构件表面进行发蓝处理是为了隔绝空气、水等,防止形成原电池
C.在钢构件上绑上锌块的保护方法叫外加电流法
D.钢材中加入Cr、Ni形成不锈钢材料以减缓腐蚀速率
钢铁腐蚀主要是电化学腐蚀,防腐原理主要是避免发生电化学腐蚀,故A正确;钢构件表面进行发蓝处理,形成致密的四氧化三铁膜,可隔绝O2、H2O与Fe的接触,防止形成原电池,故B正确;采用外加电流法时,需将直流电源的负极接钢构件,使钢构件作为阴极,被保护,在钢构件上绑上锌块的保护方法叫牺牲阳极法,故C错误;不锈钢的耐腐蚀性较强,故D正确。
4.电化学在实际生活生产中十分常见,如金属的腐蚀及防护,利用电化学合成物质、处理废水等等。
(1)按图1进行实验,测得锥形瓶内气压和空气中氧气的体积分数随时间变化如图2所示,t1~t2 s之间主要发生_____(填“吸氧”或“析氢”)腐蚀,其正极反应式为_____________________________。
吸氧
O2+4e-+2H2O4OH-
t1~t2 s之间,压强和氧气体积分数都在下降,说明发生吸氧腐蚀;正极反应式:O2+4e-+2H2O4OH-。
(2)金属阳极钝化是一种电化学防护方法。将Fe作阳极置于一定浓度的H2SO4溶液中,一定条件下,Fe钝化形成致密Fe3O4氧化膜,试写出该阳极的电极反应:_____________________________________。
3Fe-8e-+4H2OFe3O4+8H+
Fe在一定浓度的H2SO4溶液中钝化形成致密Fe3O4氧化膜,反应方程式:3Fe-8e-+4H2OFe3O4+8H+。
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课时测评
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题点一 金属的腐蚀
1.下列与金属腐蚀有关的说法中,不正确的是
A.铝不易与氧气发生反应,具有很强的抗腐蚀能力
B.钢铁在潮湿空气中生锈属于电化学腐蚀
C.电化学腐蚀一般可分为吸氧腐蚀和析氢腐蚀
D.金属腐蚀的本质是金属原子失去电子被氧化的过程
铝的表面易形成致密的氧化膜,氧化膜能保护内部金属不被腐蚀,所以铝具有很强的抗腐蚀能力,故A错误;
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钢铁在潮湿的空气中易形成原电池,所以钢铁在潮湿空气中生锈属于电化学腐蚀,故B正确;中性或弱酸性条件下,金属发生吸氧腐蚀,酸性环境下,金属发生析氢腐蚀,则电化学腐蚀一般可分为吸氧腐蚀和析氢腐蚀,故C正确;金属腐蚀时金属原子失电子生成阳离子,则金属腐蚀的本质是金属原子失去电子被氧化的过程,故D正确。
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2.在日常生活中,我们经常看到铁制品生锈、铝制品表面出现白斑等众多的金属腐蚀现象。可以通过下列装置所示实验进行探究,下列说法正确的是
A.按图Ⅰ装置实验,为了更快更清晰地观察到液柱上升,可采用下列方法:用酒精灯加热左边的具支试管
B.图Ⅱ是图Ⅰ所示装置的原理示意图,图Ⅱ的正极材料是铁
C.铝制品表面出现白斑可以通过图Ⅲ装置进行探究,Cl-由铝箔表面区向活性炭区
迁移
D.图Ⅲ装置的总反应为4Al+3O2+6H2O4Al(OH)3,生成的Al(OH)3进一步脱水形成白斑
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用酒精灯加热左边的具支试管会使试管内气体压强增大,导致气体体积增大,不能观察到液柱上升,故A错误;铁钉发生吸氧腐蚀时,负极材料为铁,正极为碳棒,故B错误;由图Ⅲ可知,铝箔为原电池的负极,活性炭为正极,所以氯离子由活性炭区向铝箔表面区迁移,故C错误;由图Ⅲ可知,铝箔为原电池的负极,铝在负极失去电子发生氧化反应生成铝离子,活性炭为正极,水分子作用下氧气在正极得到电子发生还原反应生成氢氧根离子,铝离子与氢氧根离子反应生成氢氧化铝,总反应为4Al+3O2+6H2O4Al(OH)3,生成的氢氧化铝进一步脱水形成白斑,故D正确。
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3.歌曲《青花瓷》中有这样一句歌词:“帘外芭蕉惹骤雨门环惹铜绿”,其中铜绿即为铜锈,主要成分为碱式碳酸铜。下列关于金属的腐蚀与防护说法正确的是
A.若所下骤雨为酸雨,则铜环会发生析氢腐蚀
B.轮船的船壳吃水线以下常装有一些锌块,这是利用了外加电流法
C.民谚:青铜和铁器“干千年,湿万年,半干半湿就半年”:半干半湿条件下最易发生吸氧腐蚀
D.铜铁交接处,在潮湿的空气中直接发生反应:Fe-3e-Fe3+,继而形成铁锈
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铜是不活泼金属,不能与溶液中的氢离子反应生成氢气,所以铜环不能发生析氢腐蚀,故A错误;轮船的船壳吃水线以下常装有一些锌块的目的是活泼金属锌作原电池的负极被损耗,船壳作正极被保护,这种保护方法为牺牲阳极法,不是外加电流法,故B错误;半干半湿条件下,青铜和铁器在氧气浓度较大的环境中发生吸氧腐蚀的速率加快,导致受损严重,故C正确;铜铁交接处,铁铜在潮湿的空气中构成原电池,金属性强于铜的铁作负极,铁失去电子发生氧化反应生成亚铁离子被损耗,故D错误。
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题点二 金属的防护
4.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)。下列说法不正确的是
A.对比②③,可以判定Zn保护了Fe
B.将Zn换成Cu,用①的方法可判断Fe比Cu活泼
C.验证Zn保护Fe时不能用①的方法
D.对比①②,[K3Fe(CN)]6可能将Fe氧化
① 在Fe表面生成蓝色沉淀
② 试管内无明显变化
③ 试管内生成蓝色沉淀
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②中铁没有被腐蚀,而③中铁腐蚀,可说明铁连接锌后,锌保护了铁,故A正确;实验①②可说明K3[Fe(CN)6]提供具有强氧化性的Fe3+可将Fe氧化为Fe2+,方法①存在缺陷,不能比较金属的活泼性,故B错误;①中加入K3[Fe(CN)6]可在铁的表面生成蓝色沉淀,说明有Fe2+生成,则验证Zn保护Fe时不能用①的方法,应用②的方法,故C正确;①和②相比较,可知①中铁棒表面被氧化,但溶液中没有亚铁离子,可能的原因为K3[Fe(CN)6]将Fe氧化,故D正确。
① 在Fe表面生成蓝色沉淀
② 试管内无明显变化
③ 试管内生成蓝色沉淀
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5.下列有关金属腐蚀和防护的说法,正确的是
A.金属发生的化学腐蚀比电化学腐蚀要普遍得多
B.钢铁发生吸氧腐蚀时,负极反应是Fe-3e-Fe3+
C.可将地下输油钢管与外加直流电源的负极相连以保护它不受腐蚀
D.因为合金在潮湿的空气中易形成原电池,所以合金耐腐蚀性都比较差
金属中一般含有杂质,易形成原电池,发生电化学腐蚀,金属发生的电化学腐蚀比化学腐蚀要普遍得多,A错误;钢铁发生吸氧腐蚀时,Fe在负极失电子生成亚铁离子,则负极反应式是Fe-2e-Fe2+,B错误;防止金属被氧化,金属应连接电源的负极,此方法为外加电流法,C正确;不锈钢耐腐蚀,所以合金不一定耐腐蚀性都比较差,D错误。
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6.下列关于金属的腐蚀与防护说法正确的是
A.图①中往Fe电极区滴入2滴铁氰化钾溶液,溶液中产生蓝色沉淀
B.图②中铁丝不易生成Fe2O3·xH2O
C.图③中金属M比铁活泼,防护过程中电子流入金属M
D.图④中钢铁闸门连接电源的正极可减缓其腐蚀速率
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因为锌比铁活泼,所以锌为负极,失去电子生成Zn2+,铁为正极,铁被保护,故图①中往Fe电极区滴入2滴铁氰化钾溶液,不能产生蓝色沉淀,A错误;图②试管内为干燥的空气,铁不易发生腐蚀,B正确;图③金属M比铁活泼为负极,钢铁输水管为正极,防护过程中电子由金属M流入钢铁输水管,C错误;图④钢铁闸门连接电源负极作阴极,可防止钢铁闸门失电子被腐蚀,减缓其腐蚀速率,D错误。
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7.(16分)研究金属腐蚀和防腐的原理很有现实意义。
(1)甲图为人教版教材中探究钢铁的吸氧腐蚀的装置。某兴趣小组按该装置实验,导管中液柱的上升缓慢,下列措施可以更快更清晰观察到水柱上升现象的有_______(填字母)。
A.用纯氧气代替试管内空气
B.用酒精灯加热试管提高温度
C.将铁钉换成铁粉和炭粉混合粉末
D.换成更细的导管,水中滴加红墨水
ACD
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用纯氧气代替试管内空气,氧气的浓度增大,反应速率加快,A正确;用酒精灯加热试管提高温度,试管内气体受热压强增大,不能更快更清晰地观察到液柱上升,B错误;将铁钉换成铁粉和炭粉混合粉末,构成原电池,反应速率加快,C正确;换成更细的导管,水中滴加红墨水,毛细尖嘴管上升的高度大于玻璃导管,且红墨水现象更明显,D
正确。
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(2)该小组将甲图装置改进成乙图装置并进行实验,导管中红墨水液柱高度随时间的变化如下表,根据数据判断腐蚀的速率随时间逐渐_____(填“加快”“不变”或“减慢”),你认为影响因素为____________。
时间/min 1 3 5 7 9
液柱高度/cm 0.8 2.1 3.0 3.7 4.2
减慢
氧气的浓度
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液柱高度变化值与铁腐蚀的速率成正比,分析2 min时间内液柱高度变化值即可判断腐蚀的速率变化,1 min~3 min、3 min~5 min、5 min~7 min、7~9 min时间段液柱上升高度分别为1.3 cm、0.9 cm、0.7 cm、0.5 cm,故铁腐蚀的速率逐渐减慢;由于铁的锈蚀是铁与氧气、水的反应,反应过程中不断消耗氧气,容器内氧气的浓度不断减小,反应速率逐渐减慢,相同时间内液柱上升的高度逐渐减小。
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(3)为探究铁钉腐蚀实验a、b两点所发生的反应,进行以下实验,请完成表格空白:
实验操作 实验现象
向NaCl溶液中滴加2~3滴酚酞指示剂 a点附近溶液出现红色
然后再滴加2~3滴①__________________ b点周围出现蓝色沉淀
铁氰化钾溶液
铁钉的吸氧腐蚀中,滴有酚酞的a点附近出现红色,说明产生氢氧根离子,b点则为Fe失电子生成Fe2+。①由分析知,b点周围出现蓝色沉淀说明加入了铁氰化钾验证Fe2+的存在;
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②根据以上实验探究,试判断_____(填“a”或“b”)为负极,该点腐蚀更严重。
b
铁钉的吸氧腐蚀中,滴有酚酞的a点附近出现红色,说明产生氢氧根离子,b点则为Fe失电子生成Fe2+。②由分析知,b点作电池的负极,腐蚀更严重。
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8.(20分)青铜是金属冶炼史上最早的合金,我国出土了大量青铜器,体现了古代中国对人类文明的巨大贡献。青铜器在埋藏过程中会逐渐生锈,其修复工作是文物保护的重要环节。
(1)查阅高中教材得知铜锈为Cu2(OH)2CO3,俗称铜绿。铜绿在一定程度上可以提升青铜器的艺术价值。铜绿难溶于水,可用稀盐酸除去,写出发生反应的离子方程式:_________________________________________。
Cu2(OH)2CO3+4H+2Cu2++3H2O+CO2↑
铜锈为Cu2(OH)2CO3,和稀盐酸反应生成CuCl2、CO2和H2O,离子方程式为Cu2(OH)2CO3+4H+2Cu2++3H2O+CO2↑。
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(2)继续查阅资料,了解到铜锈的成分很复杂,主要成分有Cu2(OH)2CO3和Cu2(OH)3Cl。结构如图所示:
考古学家将铜锈分为“无害锈”和“有害锈”,“无害锈”形成后可阻止内部金属继续腐蚀,而“有害锈”则无法阻止腐蚀的深入。结合两种铜锈的结构推测,“有害锈”的主要成分为______________。
Cu2(OH)3Cl
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由题干信息可知,碱式碳酸铜为致密结构,可以阻止潮湿空气进入内部进一步腐蚀铜;而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,故Cu2(OH)3Cl是有害锈。
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(3)Cu2(OH)3Cl的形成过程中会通过原电池反应产生CuCl(难溶于水的固体),请结合下图回答:
①过程Ⅰ正极上得电子的物质是____ (填化学式)。
O2
有害锈的形成过程中会产生CuCl(白色不溶于水的固体),分析图示得到铜作负极失电子生成CuCl,正极上是氧气得到电子发生还原反应,①过程Ⅰ正极上得电子的物质是O2;
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有害锈的形成过程中会产生CuCl(白色不溶于水的固体),分析图示得到铜作负极失电子生成CuCl,正极上是氧气得到电子发生还原反应,
②过程Ⅰ负极上Cu失去电子生成CuCl,电极反应式是Cu-e-+Cl-CuCl。
②过程Ⅰ负极的电极反应式为____________________________。
Cu-e-+Cl-CuCl
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(4)青铜器的修复追求“修旧如旧”,即在尽量不破坏“无害锈”的情况下阻止青铜器继续被腐蚀,保护青铜器的艺术价值。青铜器除锈有以下三种常见方法:
ⅰ.柠檬酸浸法:将腐蚀文物直接放在2%~3%的柠檬酸溶液中浸泡除锈(柠檬酸的结构如图所示):
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ⅱ.碳酸钠法:将文物置于含Na2CO3的溶液中浸泡,使CuCl转化为Cu2(OH)2CO3;
ⅲ.BTA保护法:利用BTA(一种有机成膜剂)与CuCl反应,形成一层透明的高聚物薄膜(将产生的Cl-隔绝在外)。
①柠檬酸浸法利用了其结构中______(填官能团名称)的性质。
羧基
由题干柠檬酸的结构简式可知,分子中的羧基能与铜锈反应而用于除锈,故柠檬酸浸法利用了其结构中羧基的性质;
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②向Na2CO3溶液中滴加稀盐酸,开始无气泡产生,此时发生反应的离子方程式为________________________。
C+H+HC
向Na2CO3溶液中滴加稀盐酸,开始无气泡产生,说明Na2CO3和HCl反应生成了NaHCO3,离子方程式为C+H+HC;
③相比于酸浸法,BTA保护法的优点是______________________________
____________________________。
不破坏无害锈,可以保护青铜器的
艺术价值,做到“修旧如旧”
相比于酸浸法,BTA保护法的优点是酸浸法会和无害锈发生反应,而BTA不破坏无害锈,可以保护青铜器的艺术价值,做到“修旧如旧”。
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第三节 金属的腐蚀与防护
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