高中化学 第1章 化学反应与能量转化 第3节 化学能转化为电能电池（第3课时）金属的腐蚀与防治教学设计1 鲁科版选修4.doc

选修4第1章3节 化学能转化为电能-电池第3课时金属的腐蚀与防治【教学目标】1.知识与技能：了解金属电化学腐蚀的原理以及金属电化学防护的方法；通过对金属的腐蚀原因以及金属防护方法的学习，提高利用课本知识解决实际问题的能力；通过实验探究，培养学生的分析和解决问题的能力。2.过程与方法：通过课前微视频的学习，培养学生的自学能力，并初步了解钢铁的吸氧腐蚀的原因，结合进阶练习，巩固钢铁的吸氧腐蚀的有关知识；通过课堂上师生的合作探究学习，进一步掌握金属吸氧腐蚀的原理及金属防护的方法，学会利用课本知识为工具解决实际问题；学会设计实验验证假设的学习方法。3.情感态度与价值观：在体验科学探究的过程中学会学习，培养尊重事实的科学态度，提高学习化学的兴趣；深刻体会到化学知识与生活的密切关系；培养学生用可持续发展的眼光来开发和使用资源。【教学过程】金属的腐蚀现象是普遍存在的，它所造成的危害也非常巨大。全球每一分半钟就有1吨钢腐蚀成铁锈.根据各国调查结果，一般说来，金属腐蚀所造成的经济损失大致为该国国民生产总值的4%左右。腐蚀在世界各国、各行各业造成过重大损失，飞机坠毁，钢铁桥梁突然断塌、混凝土工程出现渗漏溶蚀、裂缝、钢筋断裂，输电塔杆倒塌，水轮机叶轮出现空泡腐蚀、腐蚀损伤、停电维修以至有的电厂突然停电，引起用电工厂成片停产。按美国官方指定的部门调查，美国腐蚀损失1975年为700亿，1986年为1260亿，1995年达3000亿。目前我国由于金属材料所带来的腐蚀损失每年大约5000亿元人民币，约占我国国民生产总值的6%左右。腐蚀不仅造成经济损失，也经常对安全构成威胁。一、金属的腐蚀与防护引入人们利用氧化还原反应原理研制了多种方便、实用、污染少、便于回收的化学电源。氧化还原反应过程在自然环境中发生也给人们带来一些负面影响，如金属制品使用一段时间就会锈迹斑斑。展示金属生锈的图片。金属的腐蚀可分为板书1、化学腐蚀阅读课本p27学生总结金属与氧化剂接触直接发生反应引起的腐蚀为化学腐蚀。板书2、金属的电化学腐蚀展示金属铁腐蚀实验，把还原铁粉涂在试管壁上分别： 放在干燥的空气中； 浸有稀h2so4溶液中； 浸有食盐水溶液中。观察实验现象：铁粉无变化铁粉溶解，伴有气泡生成铁粉周围出现红色物质讨论铁生锈的条件以及发生的电极反应。 （1）吸氧腐蚀 条件：在弱酸性或中性溶液中，但溶有一定量的氧气 负极 fe 2efe2正极 o22h2o4e4oh 2 feo22h2o=2fe(oh)2 2fe(oh)2o22h2o=4fe(oh)3fe(oh)3失去一部分水为fe2o3x h2o,铁锈成分。（2）析氢腐蚀条件：在酸性环境中负极 fe 2efe2正极 2 h2eh2总反应 fe2 hfe2h2小结不纯的金属和电解质溶液接触时，因发生原电池反应而被腐蚀的过程为电化学腐蚀。讲解我们看到了金属腐蚀带来的危害，又清楚了腐蚀的原理，下面讨论金属防护的方法。讨论在日常生活中，金属的防护1.常见的有覆盖保护法在金属表面加上一层保护层，将金属与外界空气、水等物质隔开，保护层可以是耐腐蚀的油漆、沥青、塑料、电镀一层金属或合金等。2.牺牲阳极的阴极保护法 过程方法：通常是在被保护的钢铁设备上，如锅炉的内壁、船舶的外壳等，装上若干镁合金或锌块。 原理：还原性较强金属作为负极，发生氧化反应而损耗，被保护金属作为正极就可以避免被腐蚀。3.外加电流的阴极保护法 原理：将被保护金属与外加直流电源的负极相连，让其成为阴极，而将外加直流电源的正极接到一些废铁上，使废铁成为阳极。二、腐蚀的定义 腐蚀是材料在环境的作用下引起的破坏或变质。金属和合金的腐蚀主要是由于化学或电化学作用引起的破坏，有时还同时伴有机械、物理或生物作用。例如应力腐蚀破裂就是应力和化学物质共同作用的结果。单纯物理作用的破坏，如合金在液态金属中的物理溶解，也属于腐蚀范畴，但这类破坏实例不多。单纯的机械破坏，如金属被切削、研磨，不属于腐蚀范畴非金属的破坏一般是由于化学或物理作用引起，如氧化、溶解、溶胀等。三、腐蚀的危害 1经济损失腐蚀的危害非常巨大，它使珍贵的材料变为废物，如铁变成铁锈、（氧化铁）；使生产和生活设施过早地报废，并因此引起生产停顿，产品或生产流体的流失，环境污染，甚至着火爆炸。据统计，工业发达国家每年由于金属腐蚀的直接损失约占全年国民经济总产值的24。中国1988年国民生产总值约为1万4千亿元，由于金属腐蚀造成的直接损失约为300600亿元。据国外统计，金属腐蚀的年损失远远超过水灾、火灾、风灾和地震（平均值）损失的总和，这还不包括由于停工减产、火灾爆炸等造成的间接损失。例如，发电厂一合锅炉管子腐蚀损坏，其价值不大，但引起一大片工厂停工，则损失要大得多。另外，非金属腐蚀损失还没有详细调查，由于混凝上、木材、塑料等用量庞大，腐蚀损失也是惊人的。材料腐蚀遍及所有的经济和生活领域，由于腐蚀主要是材料与化学介质发生化学反应所引起的，所以，对于大量使用和生产强腐蚀性化学产品的化学工业等，其危害就更大。克服腐蚀危害也是广大科技工作者的迫切任务。2对安全和环境的危害 腐蚀不仅造成经济上的损失；也经常构成对安全的威胁。均匀腐蚀，如铁生锈，一般进展缓慢，危险性不大，但一些局部腐蚀如孔蚀（穿孔）和应力腐蚀破裂，常常是突然发生的，可能引起事故，造成意外危险。过去国内外都曾发生过许多灾难性腐蚀事故，如飞机因某一零部件破裂而坠毁，桥梁因钢梁产生裂缝而塌陷，油管因穿孔或裂缝而漏油，引起着火爆炸等。化工厂的腐蚀事故更多，如贮酸槽穿孔泄漏，造成重大环境污染，液氨贮罐爆炸，造成人员伤亡，管道和设备跑、冒、滴、漏，破坏生产环境，有毒气体如氯、硫化氢、氰化氢等的泄漏，则更危及工作人员和附近居民的生命安全。据一些化工厂的统计，化工设备的破坏约有60是由于腐蚀引起的，而腐蚀破坏中约30是均匀腐蚀， 70则属于危险的局部腐蚀，其中以应力腐蚀破裂为最多。可见，除了经济损失以外，腐蚀对安全和环境的威胁决不容忽视。 3阻碍新技术的发展一项新技术、新产品、和新工业的产生过程中，往往会遇到需要克服的腐蚀问题，只有解决了这些困难的腐蚀问题，新技术、新产品、新工业才得以发展。工业史上有许多例子，如铅室法硫酸工业是在找到了耐稀硫酸的铅材才得以发展起来的; 发明了不锈钢以后，生产硝酸和应用硝酸的工业才蓬勃兴起。近代还有一个有趣的例子，美国人在实施登月计划的过程中，遇到一个严重的腐蚀问题：盛四氧化二氮（氧化剂）的容器是用钛合金（6a1，4v）制成的，试验中几小时内就破裂，经查是应力腐蚀所致。后来科学家找到了防止破裂的方法：在氧化剂中加入少量水（1.5）或加0.6no，作为缓蚀剂，控制了应力腐蚀，克服了这道障碍，人类终于登上了月球。 现在和未来在发展新技术、新产品的过程中，还会不断遇到各种新的腐蚀问题，而且是越来越困难的问题，例如化学、能源（包括核能）、航天工业等都有向高温、高压方向发展的趋势，这样可获得更高的生产率，更快的速度和更低的生产成本。但高温高压会造成更加苛刻的腐蚀环境。早期的喷气机油泵温度约为790，现在已达到约1100，这就需要适应高温、高速的新材料。由于石油和天然气的短缺，特别是我国，利用蕴藏量巨大的煤转化为气或液体燃料，是有重大意义的，但这就会遇到一连串的腐蚀问题：高温（超过1650）、高压、庞大的容器、粉尘的磨损腐蚀，硫化氢以及加氢引起的氢腐蚀，适应高温、高速、高磨蚀的泵和阀等。解决了这一系列问题，将可能获得廉价的煤的液化、气化燃料，将使我国以至世界的经济面貌大为改观。 4促进自然资源的耗损 地球只有薄薄的一层外壳贮藏着可用的矿藏，而金属矿的贮量是有限的，现在已越来越减少。人类从矿石中提炼出金属，腐蚀又使金属变为无用的、不能回收的散碎的氧化物等，因而加速了自然资源的耗损。从延缓自然资源耗竭的观点看，防止腐蚀的工作也是十分重要的。四、腐蚀的分类 根据腐蚀的形态，可分为均匀（全面）腐蚀和局部腐蚀两类，局部腐蚀还可分为若干小类。根据腐蚀的作用原理，可分为化学腐蚀和电化学腐蚀。两者的区别是当电化学腐蚀发生时，金属表面存在隔离的阴极与阳极，有微小的电流存在于两极之间，单纯的化学腐蚀则不形成微电池。过去认为，高温气体腐蚀（如高温氧化）属于化学腐蚀，但近代概念指出在高温腐蚀中也存在隔离的阳极和阴极区，也有电子和离子的流动。据此，出现了另一种分类：干腐蚀和湿腐蚀。湿腐蚀是指金属在水溶液中的腐蚀，是典型的电化学腐蚀，干腐蚀则是指在干气体（通常是在高温）或非水溶液中的腐蚀。单纯的物理腐蚀，对于金属很少见，对于非金属，则多半产生单纯的化学或物理腐蚀，有时两种作用同时发生。四、金属腐蚀形态 金属腐蚀的形态可分为全面（均匀）腐蚀和局部腐蚀两大类。前者较均匀地发生在全部表面，后者只发生在局部。例如孔蚀，缝隙腐蚀，晶间腐蚀，应力腐蚀破裂，腐蚀疲劳，氢腐蚀破裂，选择腐蚀，磨损腐蚀，脱层腐蚀等。五、控制腐蚀的方法阴极保护阴极保护的效应合金化表面处理 金属在接触使用环境之前先用钝化剂或成膜剂（铬酸盐、磷酸盐、碱、硝酸盐和亚硝酸盐混合液等）处理，表面生成稳定密实的钝化膜，抗蚀性大大增加。它与缓蚀剂防护法的不同之处，在于它在以后的使用环境中（如大气、水）不需要再加入缓蚀剂，铝经过阳极处理，表面可以生成比在大气中生成的更为密实的膜。这类膜在温和的腐蚀环境（ 大气和水）中有优良的抗蚀能力。钢铁部件表面发蓝也是一个广为应用的例子。整体合金化造价比较昂贵，可采用表面合金化的方法，将易钝化的合金成分如铬、钼、硅渗人钢铁表面，一般将钢部件放在充满粉末铬、铝、硅中，或在金属蒸气中，进行加热渗镀。表面渗镀层在氧化性环境内产生钝化膜，它的抗高温氧化力和某些耐蚀性优于底层钢。由于保护层薄，不耐磨损，寿命比整体的合金短，不适于长期接触强腐蚀介质。较新的一种表面技术是离子注入法，一般用硼、碳、磷、硅、氮、钼、钯、铂等元素或贵金属用离子注入机使其电离、加速，使高能离子与基体金属相撞击，进入表面，形成一定深度和浓度的非晶态合金层。具有比基体金属高得多的耐蚀性，现已应用于小部件。金属镀层和包覆层 在钢铁底层上可用一薄层更耐腐蚀的金属（如铬、镍、铅等）保护。常用的方法是电镀，一般镀23层，只有几十微米厚，因而不可避免地存在微孔，溶液可渗人微孔，将构成镀层底层腐蚀电池。镀层如为贵金属（金、银等）或易钝化金属（铬、钛）以及镍、铅等时，由于电位比铁高，将成为阴极，会加速底层铁腐蚀。因此这类镀层不适于强腐蚀环境（如酸），但可用于大气、水等环境，缓慢产生的腐蚀产物可将微孔堵塞，电阻增大，有一定的寿命。如果用贱金属锌、镉等作镀层，构成腐蚀电池的极性则与上述相反，孔内裸露的钢为阴极，锌或镉镀层为阳极。锌、镉作为牺牲阳极，使钢得到阴极保护，在缓和的腐蚀环境中，锌的腐蚀慢，可以保持较长寿命。镀锡的铁（马口铁）广泛用于食品罐头，锡的标准电位高于铁，但在食品有机酸中，它却低于铁也起了牺牲阳极的作用。除了电镀外还常用热浸镀（熔融浸镀）、火焰喷镀、蒸气镀和整体金属薄板包镀。后者因无微孔，耐蚀性强，寿命也更长，但价格高些。涂层 用有机涂料保护大气中的金属结构，是最广用的防腐手段。市售各类油漆、清漆、假漆等都属这一类，主要是由合成树脂、植物油、橡胶浆液、溶剂、助干剂、颜料、填料等配制而成。品种极多，过去以植物油为主的油漆现在多为合成树脂漆所替代。涂料覆盖在金属面上，干后形成多孔薄膜，虽然不能使金属与介质完全隔绝，但增大介质通过微孔的扩散阻力和溶液电阻，使腐蚀电流下降。在缓和的环境如大气、海水等中，微孔底金属腐蚀缓慢，腐蚀产物可堵塞微孔，有很长的使用寿命，但不适于强腐蚀溶液如酸中，因为金属腐蚀迅速，并产生氢气，会使漆膜破裂。涂料的施工程序如下：首先是表面处理，这是最重要的一环，表面锈垢、油污等要用喷砂、喷丸和火焰清除等方法彻底除净，否贝会影响涂层与金属的粘结力，寿命大大缩短；其次是选用底漆，一般加人红丹，铅酸钙，铬酸锌和锌粉等缓蚀剂，当微孔中渗人介质后可起缓蚀作用。最后是面漆，除了耐蚀外，美观也是重要的目的。一般要涂几层面漆，使微孔尽量减少。常用的合成树脂优良品种有：环氧、过氯乙烯、聚氨酯、氯磺化聚乙烯、氯化聚醚、酚醛、呋喃（糠醇）等。沥青是廉价但性能优良的涂料，也常和环氧树脂等混合应用于地下管道。天然树脂生漆是我国特产，具有优良耐酸性和耐候性，是一种高级涂料。无机涂层中广泛应用的是以锌粉为主的富锌漆，以合成树脂为粘结剂，干后表面锌膜是导电的，作用和阴极保护相同，在大气中可使用很久，也可使用于较高温。六、神奇的古代金属防腐金属腐蚀现象非常普遍，象金属制成的日用品、机器部件、船底舰壳、生产工具等保养不好，就会腐蚀，从而造成大量金属消耗。造成无法估量的损失。因此防腐意义非常重要。但是，在古代却留下了一些令现代人都感到惊奇的防腐技术。 在南非的克莱克山坡，矿工们发现了几百个金属球，而这些球所处的地层据考证有大约28亿年的历史。环绕铁球的凹槽十分精致，连制铁技术的专家也很难解释。1968年，两个考古学家在法国一个地方，在6500万年前的白垩纪地层中发现了一根金属管。1871年一个考古学家在美国伊利诺斯州钻井时，在距地表114英尺深处发现了一枚类似于钱币的东西，据伊利诺斯州地质勘探局鉴定，其所处地层属于更新世（2040万年前）。1852年6月5日科学美国人以过去时代的遗物为题报道，在马萨诸塞州6亿年前的前寒武纪岩石层中发现了金属花瓶，是一种呈锌白色的合金，经测定，含有大量的银成份。1966年夏，美国地质勘探学家维吉尼亚麦金泰尔博士在墨西哥鉴定了一批在麦阿科勒克出土的铁矛。起先估计这些铁矛的历史不到两万年。但测试结果表明是25万年。竖立在印度新德里一座寺院里的、一根估计至少有4000多年历史的古代铁柱，至今没有任何生锈现象，磷、硫、风雨侵蚀对它都不起任何作用。七、检测题1. 下列金属防腐的措施中，使用外加电流的阴极保护法的是()a水中的钢闸门连接电源的负极b金属护栏表面涂漆c汽车底盘喷涂高分子膜d地下钢管连接镁块2. 下列叙述错误的是()a生铁中含有碳，抗腐蚀能力比纯铁弱b用锡焊接的铁质器件，焊接处易生锈c在铁制品上镀铜时，镀件为阳极，铜盐为电镀液d铁管上镶嵌锌块，铁管不易被腐蚀3. 下图所示的各容器中盛有海水，铁在其中被腐蚀时由快到慢的顺序是()abcd4. 下列有关金属腐蚀的说法中正确的是 ()a金属腐蚀指不纯金属与接触到的电解质溶液进行化学反应而损耗的过程 b电化学腐蚀指在外加电流的作用下不纯金属发生化学反应而损耗的过程c钢铁腐蚀最普遍的是吸氧腐蚀，负极吸收氧气，产物最终转化为铁锈d金属的电化学腐蚀和化学腐蚀本质相同，但电化学腐蚀伴有电流产生5. 以下现象与电化学腐蚀无关的是()a镀锡铁器比镀锌铁器表面破损时更易被腐蚀b纯铁不容易生锈c镶有相邻的银牙和金牙容易引起头痛d输送氯气的钢管易被氯气腐蚀6. 为探究钢铁的吸氧腐蚀原理，设计了如图所示的装置，下列有关说法中错误的是()a正极的电极反应方程式为o22h2o4e=4ohb将石墨电极改成mg电极，难以观察到铁锈生成c若向自来水中加入少量nacl(s)，可较快地看到铁锈d断开连接石墨和铁的导线，铁便不会生锈参考答案1. 【解析】抓住题干中的关键字“使用外加电流”便可快速解答。a.水中的钢闸门连接电源的负极，即使用了外加电流，正确。b.金属护栏表面涂漆，是一种使用外加涂层而使金属隔绝空气和水分的保护方法。c.汽车底盘喷涂高分子膜，