人教版選修4 第4章第4節(jié) 金屬的電化學腐蝕與防護 學案 (3).doc

第4節(jié) 金屬的電化學腐蝕與防護目標1.了解金屬電化學腐蝕的原理，體會金屬電化學腐蝕對生產(chǎn)、生活和社會的危害性，培養(yǎng)觀察、思考和探究實際問題的能力。2.了解日常生產(chǎn)中通常采取的金屬防護的措施，了解金屬防腐的積極意義，結合日常生活和生產(chǎn)的實際，培養(yǎng)對生活的熱愛和興趣。3.區(qū)別比較犧牲陽極的陰極保護法和外加電源的陰極保護法。思考輪船、鐵閘門等大型金屬設施采用的防護措施原理。體會基本理論在實踐上是如何體現(xiàn)的。培養(yǎng)解決問題的能力。知識巧學升華一、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發(fā)生氧化還原反應而損耗的現(xiàn)象。2.分類：根據(jù)發(fā)生腐蝕的情況不同，分為化學腐蝕和電化學腐蝕。3.化學腐蝕：金屬跟接觸到的干燥氣體或非電解質液體等直接發(fā)生化學反應而引起的腐蝕。4.電化學腐蝕不純的金屬跟電解質溶液接觸時，會發(fā)生原電池反應，比較活潑的金屬失去電子而被氧化，這種腐蝕叫電化學腐蝕。（1）電化學腐蝕的原理電化學腐蝕，實際上是由大量的微小的電池構成的微電池群自發(fā)放電的結果。是金屬與其自身中的雜質(如fe中的c雜質)構成的微電池。當它們的表面與溶液接觸時，就會發(fā)生原電池反應，導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，電解質溶液中的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極：fe-2e-fe2+正極：2h+2e-h2其他反應：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，溶解在溶液中的氧氣與水結合，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極：2fe-4e-2fe2+正極：o2+2h2o+4e-4oh-其他反應：fe2+2oh-fe(oh)24fe(oh)2+o2+2h2o4fe(oh)32fe(oh)3fe2o3+3h2o要點提示 無論是析氫腐蝕還是吸氧腐蝕，陽極上都是鐵失去電子被氧化變成亞鐵離子。發(fā)生電化學腐蝕，水膜的堿性均增強。（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(o2)o2+2h2o+4e-4oh-2h+2e-h2負極反應(fe)fe-2e-fe2+fe-2e-fe2+其他反應fe2+2oh-fe(oh)24fe(oh)2+2h2o+o24fe(oh)3失去部分水轉化為鐵銹5.化學腐蝕和電化學腐蝕類型化學腐蝕電化學腐蝕條件金屬接觸到腐蝕性物質，如氯氣等不純的金屬或合金接觸到電解質溶液有無電流產(chǎn)生無電流產(chǎn)生有微弱電流產(chǎn)生本質金屬失去電子被氧化較活潑金屬失去電子被氧化聯(lián)系化學腐蝕和電化學腐蝕往往同時發(fā)生，電化學腐蝕更為普遍二、金屬的防護1.犧性陽極的陰極保護法將被保護的金屬與更活潑的金屬連接，構成原電池。使活潑金屬作陽極被氧化，被保護的金屬作陰極。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，以保護船體。負極：zn-2ezn2+正極：2h+2eh2要點提示 負極發(fā)生氧化反應，有時也叫做陽極，正極發(fā)生還原反應，有時也叫做陰極。2.外加電流的陰極電保護法利用外加直流電，負極接在被保護的金屬上成為陰極，正極接其他金屬。一些裝酸性溶液的管道常用這種方法。3.非電化學防護法采用鍍層、噴油漆、涂油脂、電鍍、噴鍍或表面鈍化等方法使金屬與介質（電解質溶液和氧氣）隔離，防止金屬被腐蝕。（1）非金屬保護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的金屬表面上構成一個保護層，使金屬與腐蝕介質隔開，起保護作用。（2）金屬保護層在被保護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。金屬的保護層分為兩種，即陽極保護層和陰極保護層。前一種是鍍層金屬比被保護的金屬活潑。例如將鋅鍍于鐵上(鋅為陽極、鐵為陰極)，后者是鍍層金屬不如被保護的金屬活潑，如把錫鍍在鐵上(此時錫為陰極、鐵為陽極)。當保護層完整時，上述兩類保護層沒有原則性區(qū)別。但當保護層受到損壞而變得不完整時，情況就不同了。陰極保護層失去了保護作用，它和被保護的金屬形成了原電池，由于被保護的金屬是陽極，因為陽極要氧化，所以保護層的存在反而加速了腐蝕。但陽極保護層則不然，即使保護層被破壞，由于被保護的金屬是陰極，所以受腐蝕的是保護層本身，而被保護的金屬則不受腐蝕。（3）金屬的鈍化鐵易溶于稀硝酸，但不溶于濃硝酸。把鐵預先放在濃硝酸中浸過后，即使再把它放在稀硝酸中，其腐蝕速率也比原來未處理前有顯著的下降甚至不溶解。這種現(xiàn)象叫做化學鈍化。問題思路探究問題1 假如有人發(fā)明了一種既便宜，又簡單的方法，生產(chǎn)出一種永不生銹的鋼鐵。顯然這一發(fā)明會帶來很大的益處，從科學、技術、社會發(fā)展多角度出發(fā)，你認為它也可能帶來壞處嗎？ 導思: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環(huán)境造成的破壞。探究:事物都具有兩面性。便宜而簡單的永不生銹的鋼鐵，必然造成大面積的推廣和應用，也必然導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)境污染不容樂觀。問題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?導思:根據(jù)介質的不同，分析在不同的介質中，鐵腐蝕時作氧化劑的分別是哪種物質。探究:比較兩種介質的區(qū)別：酸性介質中存在大量h+，與金屬鐵發(fā)生電化學反應產(chǎn)生氫氣，有氣泡產(chǎn)生，液面下降；食鹽介質為中性，則不能與金屬鐵發(fā)生電化學腐蝕產(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。問題3 電化學腐蝕形成的條件和特征是什么？導思:電化學腐蝕就是依據(jù)原電池原理，根據(jù)原電池原理結合金屬的活潑性，分析構成原電池的基本要素。探究:(1)電化學腐蝕形成的條件：不純金屬或合金、電解質溶液環(huán)境。(2)特征：原電池反應，并伴有電流的產(chǎn)生。問題4 金屬鋁為什么不易腐蝕？導思:分析比較金屬鋁與其他金屬如鐵等的本質區(qū)別，特別是基本結構的區(qū)別。探究:常溫下，金屬鋁可與空氣反應，生成一層致密的氧化鋁保護膜，阻礙了金屬鋁繼續(xù)被腐蝕；而金屬鐵中含有單質碳等雜質，在潮濕的空氣中反應生成鐵銹，鐵銹很疏松，不能隔絕空氣繼續(xù)與內部的單質鐵反應，因此無法有效保護金屬鐵不被腐蝕。二者的本質區(qū)別在于氧化物保護膜是否致密，能否有效保護內部金屬。典題熱題新題一、重點：金屬電化學腐蝕的原理例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，注入自來水，浸沒鐵釘和鋅片。試管（6）放入相連的鐵釘和銅絲，注入自來水浸沒鐵釘和銅絲。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 試管內的鐵釘未被腐蝕。從鐵釘被腐蝕的情況可知引起和促進鐵釘腐蝕的條件是 。解析：此題實際是利用原電池形成的條件及原理解釋金屬腐蝕速率問題。由于（2）（3）兩個試管不具備構成原電池的條件，不能發(fā)生電化學腐蝕，所以暫未被腐蝕。而試管（5）盡管具備構成原電池的條件，但zn比鐵活潑，在原電池中作負極，使鐵變成鐵離子的反應難以發(fā)生，所以鐵也暫未被腐蝕。引起和促進鐵釘被腐蝕的條件是：水、空氣、電解質溶液和不活潑金屬雜質的存在。答案：（2）（3）（5）水、空氣、電解質溶液、不活潑金屬雜質的存在深化升華 在實驗設計的過程中，如果有多種因素影響實驗時，要確定某一條件對實驗的影響，我們通常采用設置對比實驗組，根據(jù)對比實驗組，分析比較實驗結果與外界環(huán)境的關系，從而確定哪些條件的改變影響金屬的腐蝕。二、難點：金屬的防護例2 為防止海輪船體的腐蝕，應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（電解質溶液）中的船體（fe）的腐蝕，應選用活潑性比鐵強，而又不會與水直接反應的金屬zn嵌入船體，這樣緊密接觸的兩種金屬接觸海水（電解質溶液）時，將發(fā)生原電池反應，較活潑的zn作為原電池的負極，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：下列說法正確的是（）a.鋼鐵因含雜質而容易發(fā)生電化學腐蝕，所以合金都不耐腐蝕b.原電池反應是導致金屬腐蝕的主要原因，故不能用來減緩金屬的腐蝕c.鋼鐵電化學腐蝕的兩種類型主要區(qū)別在于水膜的 ph不同，引起的正極反應不同d.無論哪種類型的腐蝕，其實質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程，因此d是正確的。依據(jù)電化學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，便會生銹；若不引起注意，銹斑蔓延開來，就會吞噬整個鐵器使之變成廢物。人們稱這種現(xiàn)象為“銹吃鐵”。請用相關學科知識解釋“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)生了電化學腐蝕，腐蝕后生成的鐵銹是一種海綿狀的物質，具有保濕的作用，電解質水的存在促使鐵器電化學腐蝕持續(xù)進行，直到鐵器全部銹腐。答案：首先是原電池的構成，鐵器中鐵作負極，其中雜質碳作正極，鐵器表面的水膜構成電解液。(1)析氫腐蝕（負極）：fe-2e-fe2+,正極反應：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 分析和觀察問題的關鍵在于從現(xiàn)象看本質。本題的關鍵是鐵銹對金屬鐵的腐蝕由慢到快。不僅需要根據(jù)日常生活對鐵生銹的觀察，還要結合題目所給的信息中給出的“若不引起注意，銹斑蔓延開來，就會吞噬整個鐵器使之變成廢物”這一信息，結合鐵銹疏松多孔，具有很強的保濕作用，來考慮腐蝕會越來越快的原因。三、疑點：金屬腐蝕的電極反應方程式的書寫例4 鋼鐵在很弱的酸性或中性條件下發(fā)生電化學腐蝕時，正極的反應式為（）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，在考慮鋼鐵的電化學腐蝕時，為了簡化問題，主要討論碳雜質問題。也就是以fe為負極，c為正極的原電池反應。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，即得電子反應，故a、d選項應排除。在b、c選項中，b項是析氫腐蝕的電極反應式。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。正極反應應該為：2h+2e-h2。答案：b例5如右圖所示，水槽中試管內有一枚鐵釘，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)若試管內液面上升，則原溶液是 性，發(fā)生 腐蝕，電極反應：負極：，正極：。(3)若試管內液面下降，則原溶液呈 性，發(fā)生 腐蝕，電極反應：負極：，正極：。解析：根據(jù)原電池的構成條件，兩種不同的材料在有電解質溶液時，若形成閉合回路，即可構成原電池，此時發(fā)生的腐蝕屬于電化學腐蝕。根據(jù)金屬腐蝕的條件、原理及結果可知：試管內液面上升，說明試管內壓強減小，氣體被吸收所致，是鐵釘吸氧腐蝕的結果，據(jù)此寫出電極反應；試管內液面下降，說明試管內氣體壓強變大，試管內產(chǎn)生了新氣體所致，是鐵釘?shù)奈鰵涓g的結果，據(jù)此寫出電極反應。答案：(1)電化學(2)弱酸性或中吸氧2fe-4e-2fe2+o2+4e-+2h2o4oh-(3)較強的酸析氫fe-2e-fe2+2h+2e-h2深化升華 本題應根據(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。考查的知識點有：原電池構成條件、原電池電極反應、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，由快到慢的順序是（）a.4213b.2134c.4231d.3241解析：金屬的腐蝕，從本質上講是組成化學電池發(fā)生氧化還原反應的結果。在原電池中，活潑金屬為負極，該金屬被氧化，不活潑金屬便被保護起來，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，當鐵與比它不活潑的金屬，如sn、cu等連接起來，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