人教版選修4 第4章第4節(jié) 金屬的電化學(xué)腐蝕與防護(hù) 學(xué)案 (3).doc

第4節(jié) 金屬的電化學(xué)腐蝕與防護(hù)目標(biāo)1.了解金屬電化學(xué)腐蝕的原理，體會(huì)金屬電化學(xué)腐蝕對(duì)生產(chǎn)、生活和社會(huì)的危害性，培養(yǎng)觀察、思考和探究實(shí)際問(wèn)題的能力。2.了解日常生產(chǎn)中通常采取的金屬防護(hù)的措施，了解金屬防腐的積極意義，結(jié)合日常生活和生產(chǎn)的實(shí)際，培養(yǎng)對(duì)生活的熱愛和興趣。3.區(qū)別比較犧牲陽(yáng)極的陰極保護(hù)法和外加電源的陰極保護(hù)法。思考輪船、鐵閘門等大型金屬設(shè)施采用的防護(hù)措施原理。體會(huì)基本理論在實(shí)踐上是如何體現(xiàn)的。培養(yǎng)解決問(wèn)題的能力。知識(shí)巧學(xué)升華一、金屬的腐蝕1.定義：金屬的腐蝕是指金屬與周圍的氣體或液體物質(zhì)發(fā)生氧化還原反應(yīng)而損耗的現(xiàn)象。2.分類：根據(jù)發(fā)生腐蝕的情況不同，分為化學(xué)腐蝕和電化學(xué)腐蝕。3.化學(xué)腐蝕：金屬跟接觸到的干燥氣體或非電解質(zhì)液體等直接發(fā)生化學(xué)反應(yīng)而引起的腐蝕。4.電化學(xué)腐蝕不純的金屬跟電解質(zhì)溶液接觸時(shí)，會(huì)發(fā)生原電池反應(yīng)，比較活潑的金屬失去電子而被氧化，這種腐蝕叫電化學(xué)腐蝕。（1）電化學(xué)腐蝕的原理電化學(xué)腐蝕，實(shí)際上是由大量的微小的電池構(gòu)成的微電池群自發(fā)放電的結(jié)果。是金屬與其自身中的雜質(zhì)(如fe中的c雜質(zhì))構(gòu)成的微電池。當(dāng)它們的表面與溶液接觸時(shí)，就會(huì)發(fā)生原電池反應(yīng)，導(dǎo)致金屬被氧化而腐蝕。（2）析氫腐蝕在金屬表面的水膜呈酸性時(shí)，電解質(zhì)溶液中的h+在陰極得到電子生成氫氣，發(fā)生析氫腐蝕。如鋼鐵的析氫腐蝕負(fù)極：fe-2e-fe2+正極：2h+2e-h2其他反應(yīng)：fe2+2oh-fe(oh)24fe(oh)2+o2+2h2o4fe(oh)32fe(oh)3fe2o3+3h2o（3）吸氧腐蝕金屬表面水膜酸性較弱或呈中性時(shí)，溶解在溶液中的氧氣與水結(jié)合，生成oh-，消耗了氧氣從而使得溶液不斷吸收空氣中的氧氣一般發(fā)生吸氧腐蝕。如鋼鐵的吸氧腐蝕負(fù)極：2fe-4e-2fe2+正極：o2+2h2o+4e-4oh-其他反應(yīng)：fe2+2oh-fe(oh)24fe(oh)2+o2+2h2o4fe(oh)32fe(oh)3fe2o3+3h2o要點(diǎn)提示 無(wú)論是析氫腐蝕還是吸氧腐蝕，陽(yáng)極上都是鐵失去電子被氧化變成亞鐵離子。發(fā)生電化學(xué)腐蝕，水膜的堿性均增強(qiáng)。（4）析氫腐蝕與吸氧腐蝕比較類型吸氧腐蝕析氫腐蝕條件水膜呈弱酸性或中性水膜呈酸性正極反應(yīng)(o2)o2+2h2o+4e-4oh-2h+2e-h2負(fù)極反應(yīng)(fe)fe-2e-fe2+fe-2e-fe2+其他反應(yīng)fe2+2oh-fe(oh)24fe(oh)2+2h2o+o24fe(oh)3失去部分水轉(zhuǎn)化為鐵銹5.化學(xué)腐蝕和電化學(xué)腐蝕類型化學(xué)腐蝕電化學(xué)腐蝕條件金屬接觸到腐蝕性物質(zhì)，如氯氣等不純的金屬或合金接觸到電解質(zhì)溶液有無(wú)電流產(chǎn)生無(wú)電流產(chǎn)生有微弱電流產(chǎn)生本質(zhì)金屬失去電子被氧化較活潑金屬失去電子被氧化聯(lián)系化學(xué)腐蝕和電化學(xué)腐蝕往往同時(shí)發(fā)生，電化學(xué)腐蝕更為普遍二、金屬的防護(hù)1.犧性陽(yáng)極的陰極保護(hù)法將被保護(hù)的金屬與更活潑的金屬連接，構(gòu)成原電池。使活潑金屬作陽(yáng)極被氧化，被保護(hù)的金屬作陰極。例如在海上航行的輪船船體常鑲上鋅塊，在海水中形成原電池，以保護(hù)船體。負(fù)極：zn-2ezn2+正極：2h+2eh2要點(diǎn)提示 負(fù)極發(fā)生氧化反應(yīng)，有時(shí)也叫做陽(yáng)極，正極發(fā)生還原反應(yīng)，有時(shí)也叫做陰極。2.外加電流的陰極電保護(hù)法利用外加直流電，負(fù)極接在被保護(hù)的金屬上成為陰極，正極接其他金屬。一些裝酸性溶液的管道常用這種方法。3.非電化學(xué)防護(hù)法采用鍍層、噴油漆、涂油脂、電鍍、噴鍍或表面鈍化等方法使金屬與介質(zhì)（電解質(zhì)溶液和氧氣）隔離，防止金屬被腐蝕。（1）非金屬保護(hù)層使用某些非金屬材料如油漆、搪瓷、陶瓷、玻璃、瀝青，以及高分子材料涂在被保護(hù)的金屬表面上構(gòu)成一個(gè)保護(hù)層，使金屬與腐蝕介質(zhì)隔開，起保護(hù)作用。（2）金屬保護(hù)層在被保護(hù)的金屬上鍍另一種金屬或合金。例如在黑色金屬上可鍍鋅、錫、銅、鉻、鎳等。在銅制品上可鍍鎳、銀、金等。金屬的保護(hù)層分為兩種，即陽(yáng)極保護(hù)層和陰極保護(hù)層。前一種是鍍層金屬比被保護(hù)的金屬活潑。例如將鋅鍍于鐵上(鋅為陽(yáng)極、鐵為陰極)，后者是鍍層金屬不如被保護(hù)的金屬活潑，如把錫鍍?cè)阼F上(此時(shí)錫為陰極、鐵為陽(yáng)極)。當(dāng)保護(hù)層完整時(shí)，上述兩類保護(hù)層沒(méi)有原則性區(qū)別。但當(dāng)保護(hù)層受到損壞而變得不完整時(shí)，情況就不同了。陰極保護(hù)層失去了保護(hù)作用，它和被保護(hù)的金屬形成了原電池，由于被保護(hù)的金屬是陽(yáng)極，因?yàn)殛?yáng)極要氧化，所以保護(hù)層的存在反而加速了腐蝕。但陽(yáng)極保護(hù)層則不然，即使保護(hù)層被破壞，由于被保護(hù)的金屬是陰極，所以受腐蝕的是保護(hù)層本身，而被保護(hù)的金屬則不受腐蝕。（3）金屬的鈍化鐵易溶于稀硝酸，但不溶于濃硝酸。把鐵預(yù)先放在濃硝酸中浸過(guò)后，即使再把它放在稀硝酸中，其腐蝕速率也比原來(lái)未處理前有顯著的下降甚至不溶解。這種現(xiàn)象叫做化學(xué)鈍化。問(wèn)題思路探究問(wèn)題1 假如有人發(fā)明了一種既便宜，又簡(jiǎn)單的方法，生產(chǎn)出一種永不生銹的鋼鐵。顯然這一發(fā)明會(huì)帶來(lái)很大的益處，從科學(xué)、技術(shù)、社會(huì)發(fā)展多角度出發(fā)，你認(rèn)為它也可能帶來(lái)壞處嗎？ 導(dǎo)思:任何事物都具有兩面性。根據(jù)永不生銹的鋼鐵的成本低廉且不生銹，分析它的廣泛的用途，從大量使用的情況下分析廢棄物對(duì)環(huán)境造成的破壞。探究:事物都具有兩面性。便宜而簡(jiǎn)單的永不生銹的鋼鐵，必然造成大面積的推廣和應(yīng)用，也必然導(dǎo)致永不生銹的鋼鐵廢品大量污染環(huán)境。由于永不生銹的鋼鐵難以生銹，鋼鐵廢棄物的處理非常困難，環(huán)境污染不容樂(lè)觀。問(wèn)題2 試管中的鐵釘如果在酸性溶液或在食鹽溶液中的腐蝕的現(xiàn)象有何不同?導(dǎo)思:根據(jù)介質(zhì)的不同，分析在不同的介質(zhì)中，鐵腐蝕時(shí)作氧化劑的分別是哪種物質(zhì)。探究:比較兩種介質(zhì)的區(qū)別：酸性介質(zhì)中存在大量h+，與金屬鐵發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生氫氣，有氣泡產(chǎn)生，液面下降；食鹽介質(zhì)為中性，則不能與金屬鐵發(fā)生電化學(xué)腐蝕產(chǎn)生氫氣，但溶解在食鹽水中的氧氣可以得到鐵失去的電子，加快腐蝕，吸收氧氣，液面上升。問(wèn)題3 電化學(xué)腐蝕形成的條件和特征是什么？導(dǎo)思:電化學(xué)腐蝕就是依據(jù)原電池原理，根據(jù)原電池原理結(jié)合金屬的活潑性，分析構(gòu)成原電池的基本要素。探究:(1)電化學(xué)腐蝕形成的條件：不純金屬或合金、電解質(zhì)溶液環(huán)境。(2)特征：原電池反應(yīng)，并伴有電流的產(chǎn)生。問(wèn)題4 金屬鋁為什么不易腐蝕？導(dǎo)思:分析比較金屬鋁與其他金屬如鐵等的本質(zhì)區(qū)別，特別是基本結(jié)構(gòu)的區(qū)別。探究:常溫下，金屬鋁可與空氣反應(yīng)，生成一層致密的氧化鋁保護(hù)膜，阻礙了金屬鋁繼續(xù)被腐蝕；而金屬鐵中含有單質(zhì)碳等雜質(zhì)，在潮濕的空氣中反應(yīng)生成鐵銹，鐵銹很疏松，不能隔絕空氣繼續(xù)與內(nèi)部的單質(zhì)鐵反應(yīng)，因此無(wú)法有效保護(hù)金屬鐵不被腐蝕。二者的本質(zhì)區(qū)別在于氧化物保護(hù)膜是否致密，能否有效保護(hù)內(nèi)部金屬。典題熱題新題一、重點(diǎn)：金屬電化學(xué)腐蝕的原理例1 取6根鐵釘，6支干凈的試管及其他材料，準(zhǔn)備如下圖試管（1）放入一根鐵釘，再注入蒸餾水，使鐵釘和空氣及水接觸；試管（2）的試管底放入硅膠（是一種干燥劑），再放入鐵釘，用棉花團(tuán)堵住試管口，使鐵釘和干燥空氣接觸。試管（3）先放入一根鐵釘，趁熱倒入煮沸的蒸餾水（趕出原先溶解在蒸餾水中的空氣）浸沒(méi)鐵釘，再加上一層植物油，使鐵釘不能跟空氣接觸。試管（4）中放入鐵釘注入食鹽水，使鐵釘和空氣及食鹽水接觸。試管（5）放入相連的鐵釘和鋅片，注入自來(lái)水，浸沒(méi)鐵釘和鋅片。試管（6）放入相連的鐵釘和銅絲，注入自來(lái)水浸沒(méi)鐵釘和銅絲。把6支試管放在試管架上，幾天后觀察鐵釘被腐蝕的情況。其中 試管內(nèi)的鐵釘未被腐蝕。從鐵釘被腐蝕的情況可知引起和促進(jìn)鐵釘腐蝕的條件是 。解析：此題實(shí)際是利用原電池形成的條件及原理解釋金屬腐蝕速率問(wèn)題。由于（2）（3）兩個(gè)試管不具備構(gòu)成原電池的條件，不能發(fā)生電化學(xué)腐蝕，所以暫未被腐蝕。而試管（5）盡管具備構(gòu)成原電池的條件，但zn比鐵活潑，在原電池中作負(fù)極，使鐵變成鐵離子的反應(yīng)難以發(fā)生，所以鐵也暫未被腐蝕。引起和促進(jìn)鐵釘被腐蝕的條件是：水、空氣、電解質(zhì)溶液和不活潑金屬雜質(zhì)的存在。答案：（2）（3）（5）水、空氣、電解質(zhì)溶液、不活潑金屬雜質(zhì)的存在深化升華 在實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的過(guò)程中，如果有多種因素影響實(shí)驗(yàn)時(shí)，要確定某一條件對(duì)實(shí)驗(yàn)的影響，我們通常采用設(shè)置對(duì)比實(shí)驗(yàn)組，根據(jù)對(duì)比實(shí)驗(yàn)組，分析比較實(shí)驗(yàn)結(jié)果與外界環(huán)境的關(guān)系，從而確定哪些條件的改變影響金屬的腐蝕。二、難點(diǎn)：金屬的防護(hù)例2 為防止海輪船體的腐蝕，應(yīng)在船體水線以下位置嵌上一定數(shù)量的（）a.銅塊b.鉛塊c.鋅塊d.鈉塊解析：海輪船體由鋼板焊接而成，為防止浸埋在海水（電解質(zhì)溶液）中的船體（fe）的腐蝕，應(yīng)選用活潑性比鐵強(qiáng)，而又不會(huì)與水直接反應(yīng)的金屬zn嵌入船體，這樣緊密接觸的兩種金屬接觸海水（電解質(zhì)溶液）時(shí)，將發(fā)生原電池反應(yīng)，較活潑的zn作為原電池的負(fù)極，zn失去電子被氧化，zn失去的電子流向fe，從而抑制fe失去電子被氧化。定期更換嵌入的zn塊，就起到了防止船體被腐蝕的目的。答案：c典例變式：下列說(shuō)法正確的是（）a.鋼鐵因含雜質(zhì)而容易發(fā)生電化學(xué)腐蝕，所以合金都不耐腐蝕b.原電池反應(yīng)是導(dǎo)致金屬腐蝕的主要原因，故不能用來(lái)減緩金屬的腐蝕c.鋼鐵電化學(xué)腐蝕的兩種類型主要區(qū)別在于水膜的 ph不同，引起的正極反應(yīng)不同d.無(wú)論哪種類型的腐蝕，其實(shí)質(zhì)都是金屬被氧化解析：金屬的腐蝕就是金屬失電子而被氧化的過(guò)程，因此d是正確的。依據(jù)電化學(xué)腐蝕中析氫腐蝕和吸氧腐蝕的原理可知，c也是正確的。原電池反應(yīng)既可以加快金屬的腐蝕，也可用以防止金屬的腐蝕。例如不銹鋼，鍍鋅鐵等中的fe均不易腐蝕，所以a、b是不正確的。答案：cd例3 生活中常常有這樣的現(xiàn)象：一件普通的鐵器，如不精心保管，便會(huì)生銹；若不引起注意，銹斑蔓延開來(lái)，就會(huì)吞噬整個(gè)鐵器使之變成廢物。人們稱這種現(xiàn)象為“銹吃鐵”。請(qǐng)用相關(guān)學(xué)科知識(shí)解釋“銹吃鐵”這一自然現(xiàn)象。解析：鐵在干燥的空氣中不易生銹，但在潮濕的空氣中發(fā)生了電化學(xué)腐蝕，腐蝕后生成的鐵銹是一種海綿狀的物質(zhì)，具有保濕的作用，電解質(zhì)水的存在促使鐵器電化學(xué)腐蝕持續(xù)進(jìn)行，直到鐵器全部銹腐。答案：首先是原電池的構(gòu)成，鐵器中鐵作負(fù)極，其中雜質(zhì)碳作正極，鐵器表面的水膜構(gòu)成電解液。(1)析氫腐蝕（負(fù)極）：fe-2e-fe2+,正極反應(yīng)：2h+2e-h2。析氫腐蝕后ph升高，從而發(fā)生吸氧腐蝕。(2)吸氧腐蝕: fe-2e-fe2+,由于溶液中oh-濃度增大，生成fe(oh)2，它很易被空氣中的氧氣所氧化：4fe(oh)2+o2+2h2o4fe(oh)3，fe(oh)3部分失水后生成海綿狀物質(zhì)fe2o3xh2o，它具有保濕作用，水膜的存在加速了鐵器的腐蝕。深化升華 分析和觀察問(wèn)題的關(guān)鍵在于從現(xiàn)象看本質(zhì)。本題的關(guān)鍵是鐵銹對(duì)金屬鐵的腐蝕由慢到快。不僅需要根據(jù)日常生活對(duì)鐵生銹的觀察，還要結(jié)合題目所給的信息中給出的“若不引起注意，銹斑蔓延開來(lái)，就會(huì)吞噬整個(gè)鐵器使之變成廢物”這一信息，結(jié)合鐵銹疏松多孔，具有很強(qiáng)的保濕作用，來(lái)考慮腐蝕會(huì)越來(lái)越快的原因。三、疑點(diǎn)：金屬腐蝕的電極反應(yīng)方程式的書寫例4 鋼鐵在很弱的酸性或中性條件下發(fā)生電化學(xué)腐蝕時(shí)，正極的反應(yīng)式為（）a.fe-2e-fe2+b.2h+2e-h2c.2h2o+o2+4e-4oh-d.fe-3e-fe3+解析：鋼鐵中含有多種雜質(zhì)，在考慮鋼鐵的電化學(xué)腐蝕時(shí)，為了簡(jiǎn)化問(wèn)題，主要討論碳雜質(zhì)問(wèn)題。也就是以fe為負(fù)極，c為正極的原電池反應(yīng)。在中性條件或弱酸性條件下發(fā)生的是吸氧腐蝕。原電池的正極為c，發(fā)生的是還原反應(yīng)，即得電子反應(yīng)，故a、d選項(xiàng)應(yīng)排除。在b、c選項(xiàng)中，b項(xiàng)是析氫腐蝕的電極反應(yīng)式。答案：c典例變式：如果上述題目中環(huán)境條件改為酸性環(huán)境。則答案應(yīng)該為（）解析：在酸性環(huán)境中，鋼鐵的腐蝕為析氫腐蝕。正極反應(yīng)應(yīng)該為：2h+2e-h2。答案：b例5如右圖所示，水槽中試管內(nèi)有一枚鐵釘，放置數(shù)天后觀察：(1)鐵釘在逐漸生銹，則鐵釘?shù)母g屬于 腐蝕。(2)若試管內(nèi)液面上升，則原溶液是 性，發(fā)生 腐蝕，電極反應(yīng)：負(fù)極：，正極：。(3)若試管內(nèi)液面下降，則原溶液呈 性，發(fā)生 腐蝕，電極反應(yīng)：負(fù)極：，正極：。解析：根據(jù)原電池的構(gòu)成條件，兩種不同的材料在有電解質(zhì)溶液時(shí)，若形成閉合回路，即可構(gòu)成原電池，此時(shí)發(fā)生的腐蝕屬于電化學(xué)腐蝕。根據(jù)金屬腐蝕的條件、原理及結(jié)果可知：試管內(nèi)液面上升，說(shuō)明試管內(nèi)壓強(qiáng)減小，氣體被吸收所致，是鐵釘吸氧腐蝕的結(jié)果，據(jù)此寫出電極反應(yīng)；試管內(nèi)液面下降，說(shuō)明試管內(nèi)氣體壓強(qiáng)變大，試管內(nèi)產(chǎn)生了新氣體所致，是鐵釘?shù)奈鰵涓g的結(jié)果，據(jù)此寫出電極反應(yīng)。答案：(1)電化學(xué)(2)弱酸性或中吸氧2fe-4e-2fe2+o2+4e-+2h2o4oh-(3)較強(qiáng)的酸析氫fe-2e-fe2+2h+2e-h2深化升華 本題應(yīng)根據(jù)鐵釘被腐蝕所處的環(huán)境分析被腐蝕的原因和類型，然后確定電極反應(yīng)?？疾榈闹R(shí)點(diǎn)有：原電池構(gòu)成條件、原電池電極反應(yīng)、金屬的腐蝕及類型。例6 如下圖所示，各容器中盛有海水，鐵在其中被腐蝕時(shí)，由快到慢的順序是（）a.4213b.2134c.4231d.3241解析：金屬的腐蝕，從本質(zhì)上講是組成化學(xué)電池發(fā)生氧化還原反應(yīng)的結(jié)果。在原電池中，活潑金屬為負(fù)極，該金屬被氧化，不活潑金屬便被保護(hù)起來(lái)，其被腐蝕的速度大大減小，所以裝置3中的鐵被腐蝕的速度比1中的慢；反之，當(dāng)鐵與比它不活潑的金屬，如sn、cu等連接起來(lái)，則其被腐蝕的速度增大，所以在容器2中的鐵比容器1中的鐵腐蝕得快。容器