高二化學選修4 金屬的電化學腐蝕與防護

第四節(jié)金屬的電化學腐蝕與防護1．了解金屬腐蝕及其危害。2．了解金屬電化學腐蝕的原因及反應原理。3．了解金屬防護的一般方法，特別是電化學防護的方法。一、金屬的電化學腐蝕1．金屬的腐蝕金屬的腐蝕是指________與周圍接觸到的________物質(zhì)發(fā)生________而引起損耗的現(xiàn)象。2．金屬腐蝕后的特征金屬被腐蝕后，在________、________以及________等方面都發(fā)生一定的變化。3．金屬腐蝕的本質(zhì)金屬腐蝕的本質(zhì)，是________________________的過程。也就是說，金屬腐蝕的本質(zhì)是金屬發(fā)生了________。4．金屬腐蝕的類型由于與金屬接觸的介質(zhì)不同，發(fā)生腐蝕的情況也不同，一般可分為化學腐蝕和電化學腐蝕。(1)化學腐蝕________跟接觸到的________(如O2、Cl2、SO2等)或________(如石油)等直接發(fā)生化學反應而引起的腐蝕叫做化學腐蝕?；瘜W腐蝕的速度隨溫度升高而________。(2)電化學腐蝕________跟________接觸時，會發(fā)生________，比較活潑的金屬失去電子而被氧化，這種腐蝕叫做電化學腐蝕。5．電化學腐蝕(1)鋼鐵的析氫腐蝕：當鋼鐵表面的電解質(zhì)溶液酸性較強時，將發(fā)生析氫腐蝕。________是負極，________是正極。有關化學反應如下：負極：________(________反應)正極：________(________反應)總反應方程式：________又________＝4Fe(OH)32Fe(OH)3＝________Fe2O3·xH2O是鐵銹的主要成分。(2)鋼鐵的吸氧腐蝕：當鋼鐵表面的電解質(zhì)溶液________或呈________并溶有________時，將會發(fā)生吸氧腐蝕。有關化學反應如下：負極：________(________反應)正極：________(________反應)總反應方程式：________又________＝4Fe(OH)32Fe(OH)3＝________吸氧腐蝕也會有鐵銹生成。二、金屬的電化學防護1．犧牲陽極的陰極保護法這種方法通常是在被保護的鋼鐵設備(如鍋爐內(nèi)壁、船體外殼等)上裝上若干________，作原電池的________，不斷遭受腐蝕，定期拆換，而作為________的________被保護了下來。

2．外加電流的陰極保護法這種方法是將被保護的鋼鐵設備(如鋼閘門)作為________，用惰性電極________，兩者均存在于________里，接上________。通電后，電子被強制流向被保護的鋼鐵設備，使鋼鐵表面產(chǎn)生負電荷(電子)的積累，抑制了鋼鐵發(fā)生失去電子的作用(氧化反應)，從而防止了鋼鐵的腐蝕。除電化學防腐蝕外，常用的金屬防腐蝕方法還有：(1)改變金屬的內(nèi)部結構，使金屬性質(zhì)改變，成為耐腐蝕的合金，如不銹鋼等。(2)加保護層，如采用_________________________等方法使金屬與空氣、水等物質(zhì)隔離，以防金屬氧化腐蝕。答案：一、1.金屬或合金氣體或液體氧化還原反應2．外形色澤機械性能3．金屬原子失去電子變成陽離子氧化反應4．(1)金屬干燥氣體非電解質(zhì)液體加快(2)不純的金屬電解質(zhì)溶液原電池反應5．(1)鐵碳Fe－2e－＝Fe2＋氧化2H2O＋2e－＝H2↑＋2OH－還原Fe＋2H2O＝Fe(OH)2＋H2↑4Fe(OH)2＋O2＋2H2OFe2O3·xH2O＋(3－x)H2O(2)酸性很弱中性一定量的氧氣2Fe－4e－＝2Fe2＋氧化O2＋2H2O＋4e－＝4OH－還原2Fe＋O2＋2H2O＝2Fe(OH)24Fe(OH)2＋O2＋2H2OFe2O3·xH2O＋(3－x)H2O二、1.鋅塊負極(陽極)正極(陰極)鋼鐵設備2．陰極作輔助陽極電解質(zhì)溶液外加直流電源(2)噴油漆、涂油脂、電鍍、噴鍍、表面鈍化1．你知道金屬的防腐蝕方法有哪些嗎？提示：金屬的防腐方法大致可分為：(1)非金屬保護層防腐；(2)金屬保護層防腐；(3)電化學保護；(4)加緩蝕劑防腐。2．電化學防護的實質(zhì)是什么？提示：電化學防護的實質(zhì)是把被保護的金屬作原電池的正極或電解池的陰極，不參與電極反應，從而不被氧化。1.金屬的腐蝕(1)金屬腐蝕的概念：金屬的腐蝕指的是金屬與周圍接觸到的氣體或液體發(fā)生氧化還原反應而引起損耗的現(xiàn)象。(2)實質(zhì)：是金屬原子失去電子被氧化的過程，其反應(M代表金屬元素)為：M－ne－＝Mn＋(3)金屬腐蝕的分類與比較：由于與金屬接觸的介質(zhì)不同，發(fā)生腐蝕的情況也不同，一般可分為化學腐蝕和電化學腐蝕。金屬腐蝕化學腐蝕電化學腐蝕定義金屬與接觸到的干燥氣體(如O2、Cl2、SO2等)或非電解質(zhì)液體(如石油)等直接發(fā)生化學反應而引起的腐蝕不純的金屬與電解質(zhì)溶液接觸時，會發(fā)生原電池反應，較活潑的金屬失去電子而被氧化的腐蝕條件金屬與干燥氣體或非電解質(zhì)溶液等直接接觸不純金屬或合金與電解質(zhì)溶液接觸本質(zhì)無電流產(chǎn)生有微弱電流產(chǎn)生金屬腐蝕化學腐蝕電化學腐蝕現(xiàn)象金屬被腐蝕(氧化)較活潑的金屬被腐蝕(氧化)實例金屬與接觸到的物質(zhì)(如O2、Cl2、SO2等)直接發(fā)生化學反應鋼鐵在潮濕的空氣中被腐蝕實質(zhì)與聯(lián)系始終都是金屬原子失去電子被氧化而損耗；化學腐蝕與電化學腐蝕往往同時發(fā)生，但電化學腐蝕更普遍，危害更大，腐蝕速率更快2.電化學腐蝕的種類和原理(1)鋼鐵析氫腐蝕的原理：由于在腐蝕過程中不斷有H2放出，所以叫做析氫腐蝕。①形成條件：鋼鐵在潮濕的空氣中表面形成一層水膜，水膜又溶解了CO2、SO2、H2S等氣體，使水膜中含有一定量的H＋，產(chǎn)生過程如下：H2OH＋＋OH－，H2O＋CO2H2CO3H＋＋HCO3-等。②鋼鐵析氫腐蝕的原理分析：鋼鐵、少量的碳和酸性水膜構成了原電池。反應如下：負極(Fe)：Fe－2e－＝Fe2＋(氧化反應)正極(C)：2H＋＋2e－＝H2↑(還原反應)總反應：Fe＋2H＋＝Fe2＋＋H2↑③鐵銹形成過程：析氫腐蝕中形成的Fe(OH)2被O2氧化生成Fe(OH)3，F(xiàn)e(OH)3脫去一部分水就生成Fe2O3·xH2O，它就是鐵銹的主要成分。(2)鋼鐵吸氧腐蝕的原理：通常情況下，在潮濕的空氣中，鋼鐵表面凝結一層溶解有氧氣的水膜，它與鋼鐵中的碳和鐵形成了原電池。這些微小的原電池遍布鋼鐵表面。負極(Fe)：2Fe－4e－＝2Fe2＋(氧化反應)正極(C)：2H2O＋O2＋4e－＝4OH－(還原反應)總反應：2Fe＋O2＋2H2O＝2Fe(OH)2Fe(OH)2繼續(xù)與空氣中的O2作用，生成Fe(OH)3，再生成鐵銹。4Fe(OH)2＋O2＋2H2O＝4Fe(OH)32Fe(OH)3＝Fe2O3·xH2O＋(3－x)H2O(3)析氫腐蝕與吸氧腐蝕的比較：類型析氫腐蝕吸氧腐蝕條件水膜酸性較強水膜的酸性很弱或呈中性正極反應2H＋＋2e－＝H2↑2H2O＋O2＋4e－＝4OH－負極反應Fe－2e－＝Fe2＋2Fe－4e－＝2Fe2＋溶液中的其他反應Fe2＋＋2OH－＝Fe(OH)2↓4Fe(OH)2＋O2＋2H2O＝4Fe(OH)32Fe(OH)3＝Fe2O3·xH2O＋(3－x)H2O說明：①由于在通常情況下，金屬表面不會遇到酸性較強的溶液，所以吸氧腐蝕是金屬腐蝕的主要形式，而且析氫腐蝕最終也會被吸氧腐蝕所代替。②電化學腐蝕中吸氧腐蝕比析氫腐蝕更普遍，在金屬活動順序中位于氫前面和氫之后的金屬都能發(fā)生吸氧腐蝕，但只有在金屬活動順序表中位于氫前面的金屬才可能發(fā)生析氫腐蝕?！癜咐觥纠?】關于金屬腐蝕的敘述中，正確的是 ()A．金屬被腐蝕的本質(zhì)是M＋nH2O＝M(OH)n＋H2↑B．馬口鐵(錫鐵)鍍層破損后被腐蝕時，首先是鍍層被氧化C．金屬在一般情況下發(fā)生的電化學腐蝕主要是吸氧腐蝕D．常溫下，置于空氣中的金屬主要發(fā)生化學腐蝕[解析]

金屬腐蝕的本質(zhì)，主要是金屬原子失電子被氧化，腐蝕的內(nèi)因是金屬的化學性質(zhì)比較活潑，外因是金屬與空氣、水和其他腐蝕性的物質(zhì)相接觸，腐蝕主要有化學腐蝕和電化學腐蝕。A中金屬腐蝕的本質(zhì)應包括化學腐蝕和電化學腐蝕，為M－ne－＝Mn＋；B選項中Sn、Fe構成電化學腐蝕，主要是Fe－2e－＝Fe2＋，鐵先被腐蝕。常溫下，空氣中的金屬主要發(fā)生電化學腐蝕中的吸氧腐蝕，難以和非金屬氧化劑(Cl2、S)等反應，發(fā)生化學腐蝕。[答案]

C【例2】炒過菜的鐵鍋未及時洗凈(殘液中有NaCl)，第二天便會被腐蝕而出現(xiàn)紅褐色鐵銹，試回答：(1)鐵鍋的腐蝕屬于________腐蝕，其原因是____________________。(2)鐵鍋銹蝕的電極反應方程式為：負極________，正極________。正、負極電極反應的產(chǎn)物會繼續(xù)發(fā)生反應，反應的離子方程式或化學方程式為________。[解析]

(1)鐵鍋的腐蝕屬于吸氧腐蝕；因為鐵鍋是鐵合金，其中含碳，鐵鍋中的鐵和碳就會和表面殘留的強電解質(zhì)NaCl的水溶液形成許多微小的原電池；并且NaCl溶液呈中性，所以發(fā)生吸氧腐蝕，是電化學腐蝕。(2)在鐵鍋中鐵比較活潑，做負極，電極反應：2Fe－4e－＝2Fe2＋；碳做正極，電極反應：2H2O＋O2＋4e－＝4OH－；總反應為：2Fe＋O2＋2H2O＝2Fe(OH)2、4Fe(OH)2＋O2＋2H2O＝4Fe(OH)3、2Fe(OH)3＝Fe2O3·xH2O＋(x－3)H2O。[答案](1)吸氧腐蝕鐵鍋是鐵合金，其中含碳，鐵鍋中的鐵和碳就會和表面殘留的強電解質(zhì)NaCl的水溶液形成許多微小的原電池發(fā)生電化學腐蝕，并且NaCl溶液呈中性，所以發(fā)生的是電化學腐蝕中的吸氧腐蝕(2)2Fe－4e－＝2Fe2＋2H2O＋O2＋4e－＝4OH－2Fe＋O2＋2H2O＝2Fe(OH)2、4Fe(OH)2＋O2＋2H2O＝4Fe(OH)32Fe(OH)3＝Fe2O3·xH2O＋(x－3)H2O[點評]鋼鐵的腐蝕大部分屬于電化學腐蝕，其中，吸氧腐蝕占主要部分，當發(fā)生吸氧腐蝕時，4Fe(OH)2＋O2＋2H2O＝4Fe(OH)32Fe(OH)3＝Fe2O3＋3H2O當溶液的酸性較強時，則發(fā)生析氫腐蝕：CO2＋H2OH2CO3H＋＋HCO3-Fe(HCO3)2經(jīng)雙水解、空氣氧化、風吹日曬得Fe2O3。以下現(xiàn)象與電化學腐蝕無關的是 ()A．黃銅(銅鋅合金)制作的銅鑼不易產(chǎn)生銅綠B．生鐵比純鐵芯(幾乎是純鐵)容易生銹C．鐵質(zhì)器件附有銅質(zhì)配件，在接觸處易生鐵銹D．銀質(zhì)獎牌(純銀制成)久置后表面變暗[解析]

解答本題應注意形成電化學腐蝕的條件，抓住不同的電極及電解質(zhì)溶液，即可選擇正確答案。黃銅(銅鋅合金)若發(fā)生電化學腐蝕時，被腐蝕的金屬應是金屬性較活潑的鋅而不是銅，故黃銅制作的銅鑼不易產(chǎn)生銅綠，A項正確；生鐵中含有較多的碳，比純鐵芯在電解質(zhì)作用下更容易形成原電池，也更容易生銹，B項正確；鐵質(zhì)器件附有銅配件時，在接觸電解質(zhì)溶液時，鐵是原電池的負極，易被腐蝕生成鐵銹，C項正確；銀質(zhì)獎牌久置后可能被氧氣或H2S氧化成銀的化合物而表面變暗，這是化學腐蝕，與電化學腐蝕無關，答案為D項。[答案]

D

以下現(xiàn)象與電化學腐蝕無關的是 ()A．鍍錫鐵器比鍍鋅鐵器表面破損時更易被腐蝕B．純鐵不容易生銹C．鑲有相鄰的銀牙和金牙容易引起頭痛D．輸送氯氣的鋼管易被氯氣腐蝕[解析]

選D。A項中鍍錫鐵器表面破損時形成原電池，F(xiàn)e作負極，易被腐蝕，而鍍鋅鐵器表面破損時形成原電池，F(xiàn)e作正極，被保護。B項中純鐵不能形成原電池，所以不容易被腐蝕。C項中相鄰的銀牙和金牙容易形成原電池產(chǎn)生電流，使人頭痛惡心。D項中是鐵和Cl2直接發(fā)生反應，為化學腐蝕，與電化學腐蝕無關。[答案]

D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．4＞2＞1＞3 B．2＞1＞3＞4C．4＞2＞3＞1 D．3＞2＞4＞1[解析]

金屬的腐蝕，從本質(zhì)上講也是組成化學電池發(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，則其被腐蝕的速率增大，所以在容器2中的鐵比容器1中的鐵腐蝕得快。容器4是一個電解池，在這里Fe是陽極，不斷地以Fe2＋的形式進入容器中，從而加速了鐵的腐蝕，在上述四種容器中，容器4中的鐵的腐蝕過程是最快的。綜上所述，按鐵被腐蝕的快慢順序為：4＞2＞1＞3。答案為A。[答案]

A[點評]在同一電解質(zhì)溶液中，金屬腐蝕的快慢由下列原則判斷：電解原理引起的腐蝕＞原電池原