1-4 金属的腐蚀与防护 同步练习 《化学（加工制造类）》同步教学 高教版

专题一 电化学基础与金属防护 第四节 金属的腐蚀与防护 同步作业 一、基础题（共70分） （一）选择题（每题3分，共33分） 1. 下列关于金属腐蚀的说法，正确的是（ ） A. 金属腐蚀的本质是金属原子失去电子被还原的过程 B. 金属腐蚀分为化学腐蚀和电化学腐蚀，其中电化学腐蚀更为普遍 C. 纯金属的腐蚀速率一定比合金快 D. 金属腐蚀只发生在潮湿环境中 2. 钢铁在潮湿空气中发生的腐蚀主要是（ ） A. 化学腐蚀 B. 析氢腐蚀 C. 吸氧腐蚀 D. 没有腐蚀 3. 下列因素中，不会加速金属电化学腐蚀的是（ ） A. 环境湿度增大 B. 存在电解质溶液 C. 金属表面有划痕 D. 金属表面涂覆防腐涂料 4. 关于金属电化学腐蚀的说法，错误的是（ ） A. 电化学腐蚀需要形成原电池 B. 负极发生氧化反应，正极发生还原反应 C. 析氢腐蚀发生在酸性较强的环境中 D. 吸氧腐蚀的正极反应式为2H⁺ + 2e⁻ = H₂↑ 5. 加工制造中，下列金属防护方法中，不属于电化学防护的是（ ） A. 牺牲阳极保护法 B. 外加电流阴极保护法 C. 金属表面电镀 D. 连接活泼金属作保护电极 6. 牺牲阳极保护法中，牺牲阳极的材料应选择（ ） A. 与被保护金属活泼性相同的金属 B. 比被保护金属更活泼的金属 C. 比被保护金属更不活泼的金属 D. 惰性电极（如石墨） 7. 下列金属防护措施中，利用隔绝原理的是（ ） A. 钢铁零件镀锌 B. 机械轴承涂润滑油 C. 地下管道连接镁块 D. 金属容器进行钝化处理 8. 关于钢铁析氢腐蚀和吸氧腐蚀的对比，说法正确的是（ ） A. 两者的负极反应不同 B. 两者的正极反应相同 C. 析氢腐蚀需要酸性环境，吸氧腐蚀需要中性或弱碱性环境 D. 析氢腐蚀的速率一定比吸氧腐蚀快 9. 加工制造车间中，为防止钢铁设备腐蚀，下列做法错误的是（ ） A. 保持车间干燥通风 B. 设备表面定期刷防锈漆 C. 将钢铁设备与铜质零件直接连接 D. 对设备进行定期除锈维护 10. 外加电流阴极保护法中，被保护的金属应连接外接电源的（ ） A. 正极 B. 负极 C. 正极或负极均可 D. 不需要连接外接电源 11. 下列关于金属腐蚀防护的说法，正确的是（ ） A. 金属防护的目的是完全阻止金属腐蚀 B. 电化学防护方法只适用于钢铁材料 C. 多种防护方法结合使用，防护效果更好 D. 成本越低的防护方法，效果越好 （二）填空题（每空2分，共28分） 1. 金属腐蚀是指金属或合金与周围环境中的______或______发生化学反应而被破坏的过程，本质是______反应。 2. 金属腐蚀的主要类型有______和______，其中______是最常见的腐蚀类型，其构成条件与______相同。 3. 钢铁吸氧腐蚀的负极反应式为______，正极反应式为______，总反应方程式为______；析氢腐蚀的正极反应式为______。 4. 金属防护的三大原理是______、______和______，据此衍生出多种防护方法。 5. 加工制造中常用的金属防护方法有：① 表面覆盖法（如______、______、______）；② 电化学防护法（如______、______）；③ 改变金属内部结构（如制成______）。 6. 牺牲阳极保护法中，______作负极被腐蚀，作正极被保护；外加电流阴极保护法中，被保护金属作______，外接电源的负极提供电子。 （三）判断题（每题1分，共9分，对的打“√”，错的打“×”） 1. 金属腐蚀都是有害的，会导致设备损坏、资源浪费。（ ） 2. 化学腐蚀和电化学腐蚀的本质都是金属失去电子被氧化。（ ） 3. 干燥环境中，金属不会发生腐蚀。（ ） 4. 电镀防护中，镀层金属必须比被保护金属更活泼。（ ） 5. 牺牲阳极保护法中，牺牲阳极的消耗速度越快，防护效果越好。（ ） 6. 钢铁在酸性雨水环境中主要发生析氢腐蚀。（ ） 7. 改变金属内部结构（如制成不锈钢）能从根本上防止金属腐蚀。（ ） 8. 外加电流阴极保护法适用于大型金属设备（如桥梁、管道）的防护。（ ） 9. 金属表面的油污会加速腐蚀，因此设备使用后应及时清洁。（ ） 二、提升题（共30分） 简答题（每题10分，共30分） 1. 结合金属腐蚀与防护原理及加工制造类专业分析：① 某机械厂的钢铁零件在潮湿车间长期使用后出现严重锈蚀，分析该腐蚀的类型（电化学腐蚀中的哪种）、构成条件及腐蚀过程（写出电极反应式和总反应方程式）；② 若需对该车间的钢铁设备进行全面防护，设计综合防护方案（至少3种不同原理的防护方法），说明每种方法的原理和操作；③ 防护后发现部分设备仍出现腐蚀，分析可能的原因（至少2点）；④ 简述金属腐蚀防护在加工制造中的应用意义（至少3点）。 2. 电化学防护法在大型金属设备、地下管道等防护中应用广泛：① 分别说明牺牲阳极保护法和外加电流阴极保护法的工作原理、适用场景，写出牺牲阳极保护法（以镁块保护钢铁管道为例）的电极反应式；② 加工制造中，船舶螺旋桨（钢铁材质）常用牺牲阳极保护法，选择锌块作为牺牲阳极而非铜块，分析原因；③ 若外加电流阴极保护法中，误将被保护金属连接外接电源的正极，会产生什么后果？分析原因；④ 简述电化学防护法的优势及使用时需注意的问题（至少2点）。 3. 结合加工制造类专业回答：① 某工厂需检测不同防护方法对钢铁零件的防护效果，设计实验方案（包括实验原理、仪器、步骤和判断标准）；② 对比表面覆盖法、电化学防护法、改变金属内部结构三种防护方法的优缺点，为加工制造企业选择防护方法提供决策建议（分场景说明）；③ 设计一个实验，验证电化学腐蚀的发生条件（以钢铁腐蚀为例），写出实验原理、仪器、步骤和结论，并说明该实验对加工制造中优化设备使用环境、避免腐蚀的指导意义。 参考答案 一、基础题 （一）选择题 1. B 2. C 3. D 4. D 5. C 6. B 7. B 8. C 9. C 10. B 11. C （二）填空题 1. 气体；液体；氧化还原 2. 化学腐蚀；电化学腐蚀；电化学腐蚀；原电池 3. 2Fe - 4e⁻ = 2Fe²⁺；O₂ + 2H₂O + 4e⁻ = 4OH⁻；2Fe + O₂ + 2H₂O = 2Fe(OH)₂；2H⁺ + 2e⁻ = H₂↑ 4. 隔绝环境；电化学保护；改变金属本性 5. 涂防锈漆；电镀；涂润滑油；牺牲阳极保护法；外加电流阴极保护法；不锈钢（或合金） 6. 牺牲阳极（活泼金属）；被保护金属；阴极 （三）判断题 1. √ 2. √ 3. × 4. × 5. × 6. √ 7. × 8. √ 9. √ 二、提升题 简答题 1. ① 钢铁零件腐蚀分析：a. 腐蚀类型：电化学腐蚀中的吸氧腐蚀（车间潮湿环境为中性/弱碱性，无强酸性条件）；b. 构成条件：钢铁中的铁（Fe）和碳（C，杂质）作为两极，潮湿空气形成的水膜作为电解质溶液，与氧气接触形成闭合回路；c. 腐蚀过程：电极反应式：负极（Fe）：2Fe - 4e⁻ = 2Fe²⁺；正极（C）：O₂ + 2H₂O + 4e⁻ = 4OH⁻；总反应方程式：2Fe + O₂ + 2H₂O = 2Fe(OH)₂；后续反应：4Fe(OH)₂ + O₂ + 2H₂O = 4Fe(OH)₃，Fe(OH)₃脱水后形成铁锈（Fe₂O₃·nH₂O）。 ② 综合防护方案：a. 表面覆盖法（隔绝原理）：对设备表面进行喷砂处理后，涂刷耐高温、耐潮湿的防锈漆（如环氧树脂漆），隔绝铁与氧气、水的接触；操作：先除锈除油，晾干后均匀涂刷2-3遍，每遍间隔24小时；b. 电化学防护法（牺牲阳极保护）：在设备关键部位（如焊接处、易腐蚀部位）固定镁块或锌块，与钢铁设备形成原电池，镁/锌作负极被腐蚀，保护钢铁；操作：将镁块用导线与钢铁设备连接，每1-2平方米固定一块，定期检查并更换消耗的镁块；c. 环境调控（辅助防护）：在车间安装除湿设备，将相对湿度控制在60%以下，减少电解质溶液（水膜）的形成；操作：安装工业除湿机，定期监测湿度，同时加强车间通风，及时排出冷凝水；d. 改变金属结构（长期防护）：将易腐蚀的普通钢铁零件更换为不锈钢（铁铬合金）零件，提高金属本身的抗腐蚀能力。 ③ 防护后仍腐蚀的原因：a. 表面覆盖层存在破损、漏涂，导致局部形成原电池，发生点蚀；b. 牺牲阳极（镁块/锌块）消耗完毕未及时更换，失去保护作用；c. 车间湿度控制不佳，局部区域仍形成水膜；d. 设备表面清洁不彻底，残留油污、盐分等电解质，加速腐蚀。 ④ 应用意义：a. 延长金属设备和零件的使用寿命，减少因腐蚀导致的设备报废和更换成本；b. 避免腐蚀产物影响设备精度和运行稳定性，保障加工产品质量（如精密机械零件腐蚀后尺寸偏差）；c. 降低因设备腐蚀引发的安全事故风险（如管道腐蚀泄漏、机械结构强度下降）；d. 减少金属资源浪费，符合绿色制造和可持续生产理念。 2. ① 电化学防护法原理、场景及反应式：a. 牺牲阳极保护法：工作原理：将比被保护金属更活泼的金属（牺牲阳极）与被保护金属连接，形成原电池，牺牲阳极作负极被腐蚀，被保护金属作正极避免腐蚀；适用场景：小型设备、地下管道、船舶等，无需外接电源；电极反应式（镁块保护钢铁管道）：负极（Mg）：Mg - 2e⁻ = Mg²⁺；正极（Fe）：O₂ + 2H₂O + 4e⁻ = 4OH⁻；b. 外加电流阴极保护法：工作原理：将被保护金属连接外接电源的负极，惰性电极（如石墨）连接正极，通电后被保护金属成为阴极，获得电子避免氧化；适用场景：大型设备（如桥梁、储罐、大型管道），需要持续供电；c. 总反应方程式（牺牲阳极法）：2Mg + O₂ + 2H₂O = 2Mg(OH)₂。 ② 选择锌块作为牺牲阳极的原因：锌的活泼性比铁强（金属活动性顺序：Zn＞Fe＞Cu），能与钢铁螺旋桨构成原电池，锌作负极被腐蚀，保护铁；若选择铜块，铜的活泼性比铁弱，会成为原电池的正极，钢铁作负极加速腐蚀，无法起到保护作用；同时锌的腐蚀速率适中，成本较低，适合长期使用。 ③ 误接外接电源正极的后果及原因：a. 后果：加速被保护金属的腐蚀，防护失效；b. 原因：被保护金属连接外接电源正极后，成为电解池的阳极，发生氧化反应（Fe - 2e⁻ = Fe²⁺），电子被强行夺走，腐蚀速率远快于自然腐蚀。 ④ 电化学防护法的优势及注意事项：a. 优势：防护效果持久稳定，能保护复杂形状的设备；牺牲阳极法无需外接电源，维护简单；外加电流法可通过调节电流控制防护强度；b. 注意事项：牺牲阳极需定期检查更换，避免消耗完毕；外加电流法需保证电源稳定，防止断电失效；电极连接必须正确，避免接反导致腐蚀加速；选择牺牲阳极材料时，需匹配被保护金属的活泼性，避免产生不良反应。 3. ① 防护效果检测实验方案：a. 实验原理：通过模拟潮湿、腐蚀性环境，对比不同防护方法处理后的钢铁样品的腐蚀程度（如质量变化、表面锈蚀情况），判断防护效果；b. 实验仪器：烧杯、天平、砂纸、镊子、计时器、盐溶液（5% NaCl溶液，模拟腐蚀性环境）、不同防护处理的钢铁样品（未防护、涂漆、镀锌、连接镁块）；c. 实验步骤：第一步：取4块相同规格的钢铁样品，用砂纸打磨去除表面氧化层，洗净烘干后，用天平称量质量（m₁），分别标记为样品1（未防护）、样品2（涂漆）、样品3（镀锌）、样品4（连接镁块）；第二步：向4个烧杯中加入等量5% NaCl溶液，将样品1-3直接浸入溶液，样品4与镁块用导线连接后浸入溶液，确保所有样品浸入深度相同；第三步：将烧杯置于恒温环境（25℃），放置72小时，期间定期观察样品表面变化；第四步：取出样品，用蒸馏水冲洗干净，去除表面腐蚀产物（未防护样品），烘干后称量质量（m₂），计算质量损失（Δm = m₁ - m₂）；d. 判断标准：质量损失越小，表面锈蚀越轻，防护效果越好；对比Δm大小：样品1＞样品2＞样品3≈样品4，说明电化学防护法和优质电镀的防护效果更优。 ② 防护方法对比及决策建议：a. 表面覆盖法（涂漆、电镀）：优点：成本较低，操作简单，适合大批量零件防护；缺点：覆盖层易破损，需定期维护；决策建议：适用于中小型零件、室内设备，如机械外壳、标准件，优先选择电镀（镀锌、镀铬）用于户外或潮湿环境，涂漆用于干燥室内环境；b. 电化学防护法（牺牲阳极、外加电流）：优点：防护持久，适合复杂、大型设备；缺点：牺牲阳极需定期更换，外加电流需电源；决策建议：适用于大型设备、地下管道、船舶，如车间大型储罐、地下输水管道，户外设备优先选择牺牲阳极法；c. 改变金属内部结构（制合金）：优点：抗腐蚀能力强，无需额外维护；缺点：成本较高，加工难度大；决策建议：适用于高精度、高要求的关键零件，如精密仪器部件、化工设备配件，或长期处于强腐蚀环境的设备。 ③ 电化学腐蚀发生条件验证实验：a. 实验原理：电化学腐蚀需要“两极、电解质溶液、闭合回路、氧气”，通过控制变量法验证各条件的必要性；b. 实验仪器：试管、橡胶塞、砂纸、钢铁样品、碳棒、导线、蒸馏水、5% NaCl溶液、干燥剂；c. 实验步骤：对照组（满足所有条件）：取试管1，加入适量5% NaCl溶液，将钢铁样品与碳棒用导线连接后浸入溶液，塞紧橡胶塞（留少量空气），观察现象；变量1（无电解质溶液）：试管2，加入蒸馏水（无电解质），放入钢铁样品和碳棒，连接导线，观察现象；变量2（无闭合回路）：试管3，加入5% NaCl溶液，分别放入钢铁样品和碳棒（不连接导线），观察现象；变量3（无氧气）：试管4，加入5% NaCl溶液，放入钢铁样品和碳棒（连接导线），用氮气排出试管内空气，密封，观察现象；变量4（无两极差异）：试管5，加入5% NaCl溶液，放入两块钢铁样品（无碳棒，相同电极），连接导线，观察现象；d. 实验结论：只有试管1（满足所有条件）的钢铁样品出现明显锈蚀，其他变量组锈蚀极轻微或无锈蚀，证明电化学腐蚀的发生需要“活泼性不同的两极、电解质溶液、闭合回路、氧气”四个条件；e. 指导意义：该实验指导加工制造中通过破坏电化学腐蚀条件进行防护，如保持设备表面干燥（破坏电解质溶液）、避免不同活泼性金属直接接触（破坏两极）、涂覆防护层（破坏闭合回路和氧气接触）；优化车间环境，减少盐分、湿气积累，降低腐蚀风险；为设备设计和安装提供依据，避免因结构设计导致腐蚀条件形成。 学科网（北京）股份有限公司 $