1-4 金属的腐蚀与防护 同步作业 《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60分） （一）选择题（每题3分，共30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单质被还原的过程 B. 金属腐蚀仅发生在潮湿环境中 C. 金属腐蚀的本质是金属原子失去电子变成阳离子 D. 化学腐蚀比电化学腐蚀更普遍 2. 下列腐蚀类型中，属于电化学腐蚀的是（ ） A. 铁与氯气直接反应生成氯化铁 B. 铜在空气中生成铜绿 C. 锌在稀硫酸中溶解 D. 铝在空气中形成氧化膜 3. 钢铁在潮湿的空气中发生电化学腐蚀时，负极的电极反应式是（ ） A. Fe 2e⁻ = Fe²⁺ B. 2H⁺ + 2e⁻ = H₂↑ C. O₂ + 2H₂O + 4e⁻ = 4OH⁻ D. Fe³⁺ + e⁻ = Fe²⁺ 4. 下列环境中，钢铁最易发生析氢腐蚀的是（ ） A. 潮湿的中性土壤 B. 潮湿的酸性土壤 C. 干燥的空气中 D. 海水环境 5. 下列关于电化学腐蚀与化学腐蚀的区别，说法错误的是（ ） A. 电化学腐蚀存在电流产生，化学腐蚀无电流 B. 电化学腐蚀速率通常慢于化学腐蚀 C. 电化学腐蚀需要电解质溶液，化学腐蚀不需要 D. 两者的本质都是氧化还原反应 6. 工业上常采用镀锌的方法保护钢铁工件，其防护原理是（ ） A. 隔绝空气和水 B. 锌比铁活泼，优先被腐蚀 C. 改变钢铁的内部结构 D. 降低钢铁的活泼性 7. 下列防护措施中，不属于电化学保护法的是（ ） A. 牺牲阳极保护法 B. 外加电流保护法 C. 镀锌防护 D. 涂油漆防护 8. 钢铁发生吸氧腐蚀时，正极的电极反应式是（ ） A. Fe 2e⁻ = Fe²⁺ B. 2H⁺ + 2e⁻ = H₂↑ C. O₂ + 2H₂O + 4e⁻ = 4OH⁻ D. 2H₂O 4e⁻ = O₂↑ + 4H⁺ 9. 下列金属中，耐腐蚀性最强的是（ ） A. 铁 B. 铜 C. 铝 D. 锌 10. 化学加工中，金属防护的目的不包括（ ） A. 延长设备使用寿命 B. 提高工件加工精度 C. 降低生产成本 D. 防止环境污染 （二）填空题（共20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，其本质是______反应；根据腐蚀原理，可分为______腐蚀和______腐蚀两大类。 2. 电化学腐蚀的必要条件是：金属表面存在______（如杂质碳）、______溶液、形成______回路；钢铁在潮湿空气中发生的电化学腐蚀主要是______腐蚀，在酸性较强环境中发生______腐蚀。 3. 牺牲阳极保护法的原理是：选择______比被保护金属更活泼的金属作为阳极，阳极______（填“被腐蚀”或“不被腐蚀”），被保护金属作为______，从而避免腐蚀。 4. 金属防护的常用措施有：______保护（如涂油漆、镀金属）、______保护（如牺牲阳极法）、金属的组成______（如制成不锈钢）、改善______（如干燥存储）。 5. 钢铁发生吸氧腐蚀时，总反应式为______；发生析氢腐蚀时，总反应式为______。 （三）判断题（每题1分，共10分） 1. 金属在干燥环境中不会发生腐蚀。（ ） 2. 电化学腐蚀的速率与环境湿度、电解质浓度有关。（ ） 3. 不锈钢的耐腐蚀性强是因为改变了金属的内部结构，加入了铬、镍等元素。（ ） 4. 涂油漆防护的原理是隔绝金属与外界的接触，属于电化学保护法。（ ） 5. 牺牲阳极保护法中，阳极材料的活泼性必须强于被保护金属。（ ） 6. 钢铁发生析氢腐蚀时，会产生氢气，使金属表面出现气泡。（ ） 7. 铜在空气中生成铜绿（Cu₂(OH)₂CO₃）属于化学腐蚀。（ ） 8. 外加电流保护法需要外接电源，被保护金属作为阴极。（ ） 9. 金属腐蚀会导致设备失效，增加工业生产成本。（ ） 10. 镀锌铁（白铁）破损后，铁比锌更易被腐蚀。（ ） 二、提升题（共40分） （一）简答题（每题10分，共20分） 1. 请简述金属腐蚀的两种主要类型（化学腐蚀、电化学腐蚀）的定义、发生条件及本质差异，结合钢铁在干燥空气中的氧化、潮湿酸性土壤中的析氢腐蚀实例，分析环境因素（湿度、酸度、电解质）对腐蚀速率的影响，说明电化学腐蚀中析氢腐蚀与吸氧腐蚀的区别，列举化学加工中三种常见的金属腐蚀现象。 2. 结合化学加工制造类专业，分析金属防护措施在工业生产中的应用与优化，以机械零件的镀锌防护、埋地钢铁管道的牺牲阳极保护、化工设备的不锈钢材质选择为例，说明不同防护措施的工作原理，解释环境因素对防护效果的影响，分析防护过程中可能出现的问题及解决措施，举例说明一种新型金属防护技术（如纳米涂层防护）及其优势。 （二）综合分析题（每题10分，共20分） 1. 某工厂的钢铁管道在输送酸性工业废水时发生严重腐蚀，分析该腐蚀的类型（析氢腐蚀）、原理，写出负极、正极的电极反应式及总反应式，提出三种针对性的防护措施，说明每种措施的工作原理及适用场景。 2. 镀锌铁（白铁）和镀锡铁（马口铁）是两种常见的镀金属防护工件，分析两种镀层破损后防护效果的差异及原因，设计实验验证两种镀层破损后的腐蚀速率，写出实验步骤、现象与结论，结合化学加工场景说明两种工件的适用范围及选择依据。 参考答案 一、基础题 （一）选择题 1. C 2. B 3. A 4. B 5. B 6. B 7. D 8. C 9. C 10. D （二）填空题 1. 气体；液体；氧化还原；化学；电化学 2. 杂质；电解质；闭合；吸氧；析氢 3. 活泼性；被腐蚀；阴极 4. 涂层；电化学；改变；环境条件 5. 2Fe + O₂ + 2H₂O = 2Fe(OH)₂；Fe + 2H⁺ = Fe²⁺ + H₂↑ （三）判断题 1. × 2. √ 3. √ 4. × 5. √ 6. √ 7. × 8. √ 9. √ 10. × 二、提升题 （一）简答题 1. 答案： ① 金属腐蚀的两种主要类型： 化学腐蚀：金属与周围环境中的气体（如O₂、Cl₂）或非电解质液体（如石油）直接发生化学反应而引起的腐蚀，发生条件是无电解质溶液参与，本质是金属原子失电子被氧化，无电流产生； 电化学腐蚀：金属表面形成原电池，较活泼金属作为负极被氧化的腐蚀，发生条件是金属表面有杂质、存在电解质溶液、形成闭合回路，本质是氧化还原反应，有微弱电流产生。 ② 环境因素对腐蚀速率的影响： 湿度：湿度越大，越易形成电解质溶液膜，电化学腐蚀速率越快（如钢铁在潮湿环境中生锈速率远快于干燥环境）； 酸度：酸性越强，析氢腐蚀速率越快（如钢铁在酸性工业废水中腐蚀比中性土壤中更快）； 电解质浓度：电解质浓度越高，离子导电性越强，电化学腐蚀速率越快（如海水环境中金属腐蚀比淡水环境更快）。 ③ 析氢腐蚀与吸氧腐蚀的区别： 发生环境：析氢腐蚀发生在酸性较强的环境（如酸性废水、潮湿酸性土壤）；吸氧腐蚀发生在中性或弱酸性环境（如潮湿空气、中性土壤、海水）； 电极反应：析氢腐蚀正极反应为2H⁺ + 2e⁻ = H₂↑，吸氧腐蚀正极反应为O₂ + 2H₂O + 4e⁻ = 4OH⁻； 产物：析氢腐蚀产物有H₂，吸氧腐蚀产物初期为Fe(OH)₂，后续氧化为Fe(OH)₃（铁锈主要成分）。 ④ 化学加工中常见金属腐蚀现象：钢铁设备表面生锈、铜制阀门生成铜绿、铝制工件在碱性介质中溶解、锌合金零件在潮湿环境中发白腐蚀。 2. 答案： ① 工业生产中常见防护措施及原理： 机械零件镀锌防护：通过电镀在零件表面形成锌镀层，原理包括两方面：一是锌镀层隔绝空气和水，避免零件直接接触腐蚀介质；二是锌活泼性强于铁，即使镀层破损，锌优先被腐蚀（牺牲阳极），保护内部铁零件； 埋地钢铁管道牺牲阳极保护：选择锌块或镁块作为牺牲阳极，与管道相连，土壤作为电解质溶液，阳极（锌/镁）活泼性强于钢铁，优先失电子被腐蚀，管道作为阴极避免氧化，实现防护； 化工设备不锈钢材质选择：在普通钢铁中加入铬、镍等元素，改变金属内部结构，形成致密的Cr₂O₃氧化膜，隔绝腐蚀介质，提高耐腐蚀性，适用于酸性、碱性等恶劣化工环境。 ② 环境因素对防护效果的影响： 工业废气（如SO₂、Cl₂）：会形成酸性雨水或腐蚀性气体膜，加速涂层老化、破坏钝化膜，降低防护效果； 海水环境：高盐浓度电解质溶液，导电性强，会加速电化学腐蚀，对镀层和牺牲阳极的消耗更快； 酸性介质（如盐酸、硫酸）：会直接腐蚀金属和镀层，破坏电化学保护的电极反应平衡，需选择耐酸材质或强化防护措施。 ③ 防护过程中常见问题及解决措施： 镀层破损：原因包括加工过程中磕碰、使用过程中磨损；措施是定期检查，对破损处进行补镀或涂覆防腐涂料； 牺牲阳极消耗过快：原因是环境电解质浓度过高、阳极面积过小；措施是增大阳极面积、定期更换阳极、优化阳极布置位置； 不锈钢钝化膜破坏：原因是接触强氧化性介质或机械划伤；措施是避免与强腐蚀介质直接接触，划伤后进行钝化处理（如用硝酸溶液浸泡）。 ④ 新型金属防护技术及优势：纳米涂层防护技术，通过沉积纳米级薄膜（如纳米TiO₂、纳米SiC）在金属表面，优势包括：一是涂层致密性高，隔绝腐蚀介质效果好；二是硬度高、耐磨性强，不易破损；三是耐高温、耐酸碱，适应恶劣工业环境；四是涂层厚度薄，不影响零件尺寸精度，适用于精密机械零件和化工设备的防护。 （二）综合分析题 1. 答案： ① 腐蚀类型与原理：该腐蚀为电化学腐蚀中的析氢腐蚀，钢铁管道（Fe）作为负极，管道表面的杂质（如C）作为正极，酸性工业废水作为电解质溶液，形成原电池，Fe在负极失电子被氧化，H⁺在正极得电子生成H₂，导致管道腐蚀。 ② 电极反应式与总反应式： 负极（Fe）：Fe 2e⁻ = Fe²⁺； 正极（杂质C）：2H⁺ + 2e⁻ = H₂↑； 总反应式：Fe + 2H⁺ = Fe²⁺ + H₂↑。 ③ 针对性防护措施： 措施一：管道内壁涂覆耐酸防腐涂层（如聚四氟乙烯涂层），工作原理是隔绝管道与酸性废水的接触，避免形成原电池和化学腐蚀，适用场景：管道输送酸性浓度较低、压力较小的废水，成本较低，施工简便； 措施二：采用牺牲阳极保护法，在管道上连接镁块（活泼性强于Fe），工作原理是镁块作为阳极优先被腐蚀，管道作为阴极被保护，适用场景：长距离埋地或水下酸性废水输送管道，防护范围广，无需外接电源； 措施三：将管道材质更换为耐酸合金（如哈氏合金、钛合金），工作原理是通过改变金属组成，提高其在酸性介质中的耐腐蚀性，适用场景：输送高浓度、高温酸性废水的化工管道，腐蚀环境恶劣，对防护要求高。 2. 答案： ① 两种镀层破损后防护效果差异及原因： 镀锌铁（白铁）：镀层破损后，锌（活泼性Zn>Fe）作为负极优先被腐蚀，铁作为阴极被保护，防护效果依然存在； 镀锡铁（马口铁）：镀层破损后，锡（活泼性Sn<Fe）作为正极，铁作为负极被腐蚀，且形成的原电池会加速铁的腐蚀，防护效果失效，甚至腐蚀速率快于无镀层铁。 原因：镀层金属与被保护金属的活泼性差异决定了破损后的腐蚀方向，活泼性强的镀层金属会优先牺牲，保护内部金属；活泼性弱的镀层金属会成为正极，加速内部金属腐蚀。 ② 实验验证两种镀层破损后的腐蚀速率： 实验步骤： 1. 取两块规格相同的钢铁片，分别进行镀锌和镀锡处理，确保镀层厚度一致（约5μm）； 2. 用砂纸在两块铁片的镀层上划十字形划痕（露出内部铁基体），作为腐蚀起点； 3. 将两块铁片同时放入相同浓度的NaCl溶液（模拟潮湿电解质环境）中，静置72小时，保持环境温度25℃； 4. 取出铁片，观察划痕处的腐蚀情况（生锈程度、腐蚀面积），并测量腐蚀深度（用游标卡尺）。 实验现象： 镀锌铁（白铁）：划痕处仅有少量白色锌腐蚀产物，铁基体无明显生锈，腐蚀面积小，腐蚀深度约0.01mm； 镀锡铁（马口铁）：划痕处出现明显红棕色铁锈，腐蚀面积大，且向周围扩散，腐蚀深度约0.05mm。 实验结论：镀锌铁镀层破损后仍能保护内部铁，腐蚀速率慢；镀锡铁镀层破损后加速铁的腐蚀，腐蚀速率快。 ③ 适用范围及选择依据： 镀锌铁（白铁）：适用场景包括户外机械零件、农业机械、建筑用钢铁构件、输送淡水或海水的管道，选择依据是环境潮湿、易接触电解质，需要长期防护，即使镀层破损也能维持防护效果，成本适中； 镀锡铁（马口铁）：适用场景包括食品包装（如罐头盒）、干燥环境下的小型零件，选择依据是环境干燥、不易接触电解质，镀层破损风险低，锡无毒且延展性好，适合食品接触和精密零件防护，但若用于潮湿或腐蚀性环境，易导致内部铁快速腐蚀，不适用。 学科网（北京）股份有限公司 $