人教版选修4 第4章第4节 金属的电化学腐蚀与防护 学案.doc

第四章 电化学基础第四节 金属的电化学腐蚀与防护【教学目的】学习金属腐蚀的概念及本质；能解释金属发生电化学腐蚀的原因； 认识金属腐蚀的危害，知道防护金属腐蚀的方法。【基础知识梳理】一、金属的电化学腐蚀1、金属的腐蚀：是金属与周围的气体或者液体物质 发生 而引起损耗的现象。一般可分为 腐蚀和 腐蚀。化学腐蚀：金属与接触到的干燥气体（如 、 、 等）或非电解质液体（如 ）等直接发生化学反应而引起的腐蚀。如：钢管被原油中的 腐蚀，温度越高，化学腐蚀越 。电化学腐蚀：不纯的金属跟电解质溶液接触时。会发生 反应， 的金属失去电子而被 。如 在潮湿的空气中生锈。两种腐蚀往往 发生，但 腐蚀更普遍，速度更快，危害更严重。2、化学腐蚀与电化学腐蚀的共同点和不同点：电化腐蚀化学腐蚀条件不纯金属或合金与 接触与 直接接触有无电流产生本质较活泼的金属被氧化金属被氧化3、电化学腐蚀 (以钢铁为例)（1）析氢腐蚀 (酸性较强的溶液)负极: 正极: 总方程式： （2） 吸氧腐蚀 (中性或弱酸性溶液)负极: 正极: 总方程式： 离子方程式：fe2+ + 2oh- = fe(oh)2fe(oh)2继续与空气中的氧气作用： 铁锈的主要成分是 ， 阻止钢铁继续腐蚀。（能、不能）4、影响金属腐蚀快慢的因素 本性：（1）金属的活动性：金属越 ，越容易被腐蚀（2）纯度：不纯的金属比纯金属跟 腐蚀，如纯铁比钢 腐蚀。（难、易）电化学腐蚀：两电极活动性差别越大，氧化还原反应速率越 ，活泼金属被腐蚀得越快。（3）氧化膜：如果金属被氧化形成致密的氧化膜，那么会保护内层金属，如 、 。如果金属被氧化形成疏松的氧化膜，那么不会保护内层金属，如 。外因： 介质：环境（腐蚀性气体，电解质溶液）二、金属的电化学防护1、金属的防护覆盖保护膜（涂油漆，电镀，钝化等）改变金属的内部结构（钢不锈钢，在钢中加入镍和铬）2、电化学保护 （1）牺牲阳极阴极保护法：较活泼金属作 极，钢铁作 极被保护。（2）外加电流阴极保护法：外加电流，使钢铁被迫成为 极受保护，用 电极作为辅助阳极，两者均存在于电解质溶液里，接外加 电源。【重点难点突破】【重点1】金属的电化学腐蚀【例1】下列有关金属腐蚀的叙述正确的是( )a金属在潮湿的情况下腐蚀的实质是m+nh2om(oh)n+h2b金属的化学腐蚀实质是mnemn+，电子直接转移给氧化剂c金属的化学腐蚀必须在酸性条件下进行d在潮湿的中性环境中，金属的电化学腐蚀主要是析氢腐蚀【答案】b【解析】金属在潮湿的环境下会发生腐蚀。当与金属接触的电解质溶液为中性或弱酸性时，发生吸氧腐蚀；而当与金属接触的电解质溶液为酸性时，发生析氢腐蚀。对于这两类腐蚀金属都发生mnemn+反应。【难点2】影响金属腐蚀快慢的因素【例2】下面各容器中盛有海水，铁在其中被腐蚀时由快到慢的顺序是（）abcd【答案】c【解析】铁腐蚀快慢顺序是：作电解池阳极原电池负极化学腐蚀作原电池正极作电解池阴极，中铁的活动性大于sn，所以铁作负极，加速被腐蚀；中锌的活动性大于fe，所以锌作负极、铁作正极，被保护；中铁发生化学反应；中铁作阴极，被保护；中铁作阳极加速被腐蚀；所以铁腐蚀快慢顺序是，【变式1】下图各容器中盛有海水，铁在其中被腐蚀时由快到慢的顺序是（ ）a b c d 【答案】a【重点3】金属的电化学防护【例3】实验室分析白铁（镀锌）样品成分，称取1.00g样品放在烧杯中加入过量的盐酸，然后用玻片盖住烧杯，首先观察到有大量的气泡冒出，后来放出气体速度变慢，最后完全反应接着加入过量的氢氧化钠溶液，（氢氧化锌溶于氢氧化钠溶液）过滤，分离出灰绿色沉淀；该沉淀在空气中加热至质量不变；最后得1.20g红色粉末已知锌及其化合物与铝及其化合物性质相似，试回答：（1）白铁镀锌的作用是_（2）放出气体的速度由快到慢的原因是_（3）锌在样品中的质量分数是_【答案】（1）在铁表面增加保护层，防止铁被空气氧化；（2）锌先被溶解，铁再发生反应，随着反应的进行，hcl浓度降低，导致反应速率由快到慢；（3）16%【解析】（1）在铁制品表面镀锌，把铁与空气和水隔开，可以防锈；（2）白铁镀锌的作用是为了防止白铁发生反应，放出气体的速度由快到慢的原因是由于反应物逐渐减少；（3）称取1.00g样品放在烧杯中加入过量的盐酸，锌和铁全部溶解生成氯化锌和氯化亚铁，然后用玻片盖住烧杯，首先观察到有大量的气泡冒出，后来放出气体速度变慢，最后完全反应，是因为盐酸难度减小反应速率减小，接着加入过量的氢氧化钠溶液，亚铁离子沉淀生成氢氧化亚铁，锌离子和过量氢氧化钠反应生成偏锌酸钠溶液（氢氧化锌溶于氢氧化钠溶液）过滤，分离出灰绿色沉淀；迅速变为红褐色氢氧化铁沉淀，该沉淀在空气中加热至质量不变；最后得1.20g红色粉末为fe2o3，物质的量为0.0075mol；依据元素守恒得到2fefe2o3，铁物质的量为0.015mol，样品中锌的质量分数=16%，【典例精析】【例4】用压强传感器探究生铁在ph2和ph4的醋酸溶液中发生腐蚀的装置及得到的图像如下。分析图像，以下结论错误的是()a. 溶液ph2时，生铁发生析氢腐蚀 b. 在酸性溶液中生铁可能发生吸氧腐蚀c. 析氢腐蚀和吸氧腐蚀的速率一样快 d. 两溶液中负极反应均为：fe2e=fe2【答案】c【解析】根据图像，当ph2时锥形瓶中气体压强越来越大，说明气体越来越多，发生析氢腐蚀，当ph4时，锥形瓶内的压强越来越小，说明气体被消耗，发生吸氧腐蚀，故a、b说法正确；c.根据图像，当反应达到平衡时，吸氧腐蚀需要的时间短，说明反应速率快，因此吸氧腐蚀速率大于析氢腐蚀，故c说法错误；d.无论是析氢腐蚀还是吸氧腐蚀，负极上均发生反应：fe2e=fe2，故d说法正确。【例5】下列实验操作正确且能达到相应实验目的的是( )实验目的实验操作a称取2. 0 g naoh固体先在托盘上各放l张滤纸，然后在右盘上添加2g砝码，左盘上添加naoh固体b配制fecl3溶液将fecl3固体溶于适量蒸馏水c检验溶液中是否含nh4+取少量试液于试管中，加人naoh溶液并加热用湿润的红色石蕊试纸检验产生的气体d验证铁的吸氧腐蚀将铁钉放入试管中，用盐酸浸没【答案】c 【解析】a.天平的使用原则是左物右码，而且naoh有腐蚀性，不能在天平上直接称量，应该在烧杯等仪器中称量，错误。 bfeci3是强酸弱碱盐，fe3+发生水解反应使溶液显浑浊，所以配制feci3溶液时，应该将feci3固体溶解于适量的盐酸中，然后再加水稀释，错误。 c检验溶液中是否含有nh4+ 的方法是取少量试液于试管中，加入naoh溶液并加热，用湿润的红色石蕊试纸检验产生的气体，若湿润的红色石蕊试纸变为蓝色，就证明产生了nh3，原溶液中含有nh4+，正确。 d要验证铁的吸氧腐蚀，应该将铁钉放入试管中，用食盐水浸没，而不能使用酸性物质，否则发生的是析氢腐蚀，错误。故选：c。【例6】将nacl溶液滴在一块光亮清洁的铁板表面上，一段时间后发现液滴覆盖的圆圈中心区(a)已被腐蚀而变暗，在液滴外沿形成棕色铁锈环(b)，如图所示。导致该现象的主要原因是液滴之下氧气含量比边缘处少。下列说法正确的是() a液滴中的cl 由a区向b区迁移b液滴边缘是正极区，发生的电极反应式为o22h2o4e=4ohc液滴下的fe因发生还原反应而被腐蚀，生成的fe2由a区向b区迁移，与b区的oh形成fe(oh)2 ，进一步氧化、脱水形成铁锈d若改用嵌有一铜螺丝钉的铁板，在铜铁接触处滴加nacl溶液，则负极发生电极反应为cu2e=cu2【答案】b【解析】由题中信息可知，液滴边缘应为正极区，电极反应为o22h2o4e=4oh，液滴下的铁构成了负极区，发生氧化反应，cl向负极区即a区移动，故a、c两项错误，b项正确；铁、铜、nacl溶液构成原电池，铁为负极发生腐蚀，电极反应：fe2e=fe2，故d项错误。【例7】炒过菜的铁锅未及时洗净（残液中含nacl），第二天便会因腐蚀出现红褐色锈斑试回答：（1）铁锅的腐蚀主要是由于_腐蚀，腐蚀的原因是_，（2）铁锅锈蚀的正极反应式为_；（3）试用离子方程式或化学方程式表示fe（oh）3的形成_【答案】（1）吸氧；fe、c和电解质溶液构成原电池，fe作负极被腐蚀；（2）o2+2h2o+4e4oh；（3）fe2e=fe2 o2+2h2o+4e4oh，fe2+2oh fe（oh）2，4fe(oh)2o22h2o=4fe(oh)3 【解析】（1）铁锅未及时洗净（残液中含nacl）能发生电化学腐蚀，由于电解质溶液为中性所以发生吸氧腐蚀；铁锅中fe、c和氯化钠溶液构成原电池，fe作负极被腐蚀，故答案为：吸氧；fe、c和电解质溶液构成原电池，fe作负极被腐蚀； （2）钢铁的吸氧腐蚀正极上为氧气得电子生成氢氧根离子，其电极反应式为：o2+2h2o+4e4oh，故答案为：o2+2h2o+4e4oh； （3）钢铁的吸氧腐蚀生成氢氧化亚铁，氢氧化亚铁被氧气氧化为氢氧化铁，发生的反应为：fe2e=fe2 o2+2h2o+4e4oh，fe2+2oh fe（oh）2，4fe(oh)2o22h2o=4fe(oh)3 【例8】某研究小组为探究弱酸性条件下铁发生电化学腐蚀类型的影响因素，将混合均匀的新制铁粉和碳粉置于锥形瓶底部，塞上瓶塞(如图1)。从胶头滴管中滴入几滴醋酸溶液，同时测量容器中的压强变化。(1)请完成以下实验设计表(表中不要留空格)：编号实验目的碳粉/g铁粉/g醋酸/%为以下实验作参照0.52.090.0醋酸浓度的影响0.536.00.22.090.0(2)编号实验测得容器中压强随时间变化如图2。t2时，容器中压强明显小于起始压强，其原因是铁发生了 腐蚀，请在图3中用箭头标出发生该腐蚀时电子流动方向 ；此时，碳粉表面发生了 (填“氧化”或“还原”)反应，其电极反应式是 。(3)该小组对图2中0t1时压强变大的原因提出了如下假设，请你完成假设二：假设一：发生析氢腐蚀产生了气体； 假设二： ；(4)为验证假设一，某同学设计了检验收集的气体中是否含有h2的方案，请你再设计一个实验方案验证假设一，写出实验步骤和结论。【答案】（1）2.0碳粉含量的影响（2）吸氧； ； 还原；o2+2h2o+4e=4oh；（3）反应放热使锥形瓶内温度升高；（4）将锥形瓶中反应后的溶液过滤；滤液中滴加几滴硫氰化钾溶液，再滴入几滴新制氯水，若滴入kscn溶液不变红，滴入氯水后溶液变红，证明假设一正确；若滴入kscn溶液不变红，滴入氯水后溶液不变红，证明假设一错误。 【解析】（1）为参照试验，由于探究醋酸的浓度的影响，则除了醋酸浓度不同外，其它条件必须完全相同，即铁粉质量应该为2.0g；中只有碳粉含量与不同，则为探究碳粉含量的影响；（2）t2时，容器中压强明显小于起始压强，说明锥形瓶中气体体积减小，说明发生了吸氧腐蚀，碳为正极，铁为负极，电子转移的方向为：，碳电极氧气得到电子发生还原反应，电极反应式为：o2+2h2o+4e=4oh；（3）图2中0t1时压强变大的原因可能为：铁发生了析氢腐蚀；铁与醋酸的反应为放热反应，温度升高时锥形瓶中压强增大。所以假设二为：反应放热使锥形瓶内温度升高；（4）可以通过检验反应是否生成亚铁离子判断是否发生析氢腐蚀，方法为：将锥形瓶中反应后的溶液过滤；滤液中滴加几滴硫氰化钾溶液，再滴入几滴新制氯水，若滴入kscn溶液不变红，滴入氯水后溶液变红，证明假设一正确；若滴入kscn溶液不变红，滴入氯水后溶液不变红，证明假设一错误。【例9】“白铁皮”具有较强的耐腐蚀性，是生产中常用的金属材料之一。镀锌层犹如铁皮的保护层，这层膜的厚度是判断镀层质量的重要指标。某研究性学习小组为了测定镀锌铁皮镀锌层的厚度，查阅了资料，并设计了下面的实验方案。【查阅资料】a.锌既能与酸反应，也能与碱溶液反应。与碱溶液反应的化学方程式为：zn+2naoh+2h2o=na2zn（oh）4+h2b. zncl2、fecl2都能与naoh溶液反应，生成难溶于水zn（oh）2和fe（oh）2。c. zn（oh）2既可以溶于酸也可以溶于碱，fe（oh）2则只能溶于酸。【问题讨论】在铁皮表面镀锌是为了。（填字母）a.锌没有铁活泼，镀在铁的表面可防止生锈b.锌比铁活泼，并且在空气中容易形成致密的氧化膜，防止生锈 图1图2【设计实验】（1）甲同学设计的方案是将镀锌铁皮浸泡在盐酸中,先用盐酸将镀锌铁皮表面的锌反应掉，通过测量因产生气体而形成差量计算出锌的质量，然后再计算得到锌层的厚度（如图1）。但是乙同学回顾起上课时老师演示的“用足量盐酸除铁锈”的实验现象，马上对甲同学的方案的可行性提出了异议，乙同学的理由是。该实验中锌镀层已完全反应的标志是。（2）乙同学拟通过称量镀锌铁皮和氧化铁的质量，计算锌皮的厚度。方案如下图所示：步骤中加入足量氢氧化钠溶液的目的是。（3）丙同学拟通过测量镀锌铁皮与某溶液反应产生气体的体积来计算锌层的厚度，装置如图2所示。.为了尽可能减少误差，仪器a中盛放的是镀锌铁皮，仪器b中最好盛放。a.氢氧化钠溶液 b.浓硫酸c.浓盐酸 d.稀硫酸.检查量气装置气密性：连接好装置，关闭弹簧夹，从量气管注水，若观察到，说明该量气装置气密性良好。.检查气密性后，将药品和水装入各仪器中，连接好装置后，需进行的操作还有：记录量气管中的液面位置；待a中不再有气体产生并恢复至室温；由b向a中滴加足量某溶液；上下移动量气管，使干燥管和量气管中液面相平。上述操作的顺序是（填序号）。.若分液漏斗上方不连接导管a，则测出气体体积会（选填“偏小”、“偏大”或“没有影响”）。【答案】【问题讨论】 b【设计实验】（1）铁也能和稀盐酸反应也能生成气体，很难控制只让锌反应，不让铁反应。反应速率突然减小 （2）让氢氧化锌全部溶解，与氢氧化铁分离 （3）. a .量气管和干燥管内液面差没有变化 . 或 .偏大【随堂练习】1、下列几种金属制品的镀层损坏后，金属腐蚀的速率最快的是( )a镀铝塑料 b食品罐头盒(镀锡) c白铁水桶(镀锌) d镀银铜质奖章2、光亮的铁钉在下列情况下最易生锈的是()3、下列各种方法中，能对金属起到阻止或减缓腐蚀作用的措施是()金属表面喷油漆改变金属的内部结构保持金属表面清洁干燥在金属表面进行电镀使金属表面形成致密的氧化物薄膜a b c d全部4、下列有关金属腐蚀与防护的说法正确的是( )a纯银器表面在空气中因电化学腐蚀渐渐变暗b当镀锡铁制品的镀层破损时，镀层仍能对铁制品起保护作用c在海轮外壳连接锌块保护外壳不受腐蚀是采用了牺牲阳极的阴极保护法d可将地下输油钢管与外加直流电源的正极相连以保护它不受腐蚀5、下列有关说法中正确的是()a在空气中纯铜器表面因发生电化学腐蚀而渐渐变绿b输油管道内在有原油中的含硫化合物参与情况下的腐蚀属于电化学腐蚀c钢柱在水下部分比在空气与水交界处更容易腐蚀d在金属机械上涂油可以预防金属腐蚀6、下列说法正确的是()a用甲装置电解精炼镁 b用乙装置验证试管中铁丝发生析氢腐蚀c用丙装置构成铜锌原电池 d用丁装置对二次电池进行充电7、四种金属片两两相连浸入稀硫酸中都可组成原电池。相连时，外电路电流从流向；相连时，为正极；相连时，上有气泡逸出；相连时，的质量减少。据此判断这四种金属活动性由强到弱的顺序是（ ）a. b. c. d.8、镀锌铁在发生析氢腐蚀时，若有0.2 mol电子发生转移，下列说法正确的是( )有5.6 g金属被腐蚀；有6.5 g金属被腐蚀；在标准状况下有2.24 l气体放出；在标准状况下有1.12 l气体放出。a b c d9、如图所示，水槽中试管内有一枚铁钉，放置数天观察：(1)铁钉在逐渐生锈，则铁钉的腐蚀属于_腐蚀。(2)若试管内液面上升，则原溶液是_性，发生_腐蚀，电极反应：负极为 ，正极为 。(3)若试管内液面下降，则原溶液呈_性，发生_腐蚀，电极反应：负极为_；正极为_。10、a、b、c三个烧杯中分别盛有相同物质的量浓度的稀硫酸，如图所示： (1)a中反应的离子方程式是_。(2)b中sn极的电极的反应式为_，sn极附近溶液的ph_（填“增大”“减小”或“不变”）。(3)c中被腐蚀的金属是_，总反应离子方程式是_，比较a、b、c中铁被腐蚀的速率由快到慢的顺序是_。【能力提升】1、能够使反应cu+2h2ocu(oh)2+h2发生的是( )a铜片作原电池的负极，碳棒作原电池的正极，氯化钠作电解质溶液b铜锌合金在潮湿的空气中发生电化学腐蚀c用铜片作阴、阳电极，电解氯化钠溶液d用铜片作阴、阳电极，电解硫酸铜溶液2、铜板上的铁铆钉处的吸氧腐蚀原理如图所示，下列说法中不正确的是()a正极的电极反应：2h2e=h2 c此过程中铜并不被腐蚀b此过程中还涉及的反应：4fe(oh)22h2oo2=4fe(oh)3 d此过程中电子从fe流向cu3、钢铁在潮湿的空气中会被腐蚀，发生的原电池反应为：2fe+2h2o+o22fe(oh)2。以下说法正确的是( )a负极发生的反应为：fe2efe2+ b正极发生的反应为：2h2o+o2+2e4ohc原电池是将电能转变为化学能的装置 d钢铁在水下部分比在空气与水交界处更容易被腐蚀4、4、铁钉和碳棒用导线连接后，浸入到0.01moll1的nacl溶液中，可能发生的是( )碳棒上有氢气析出 碳棒附近产生oh 碳棒上有氧气析出 铁钉被氧化a b c d5、研究电化学腐蚀及防护的装置如下图所示。下列有关说法错误的是( )ad为石墨，铁片腐蚀加快 bd为石墨，石墨上电极反应为：o2+2h2o+4e-4ohcd为锌块，铁片不易被腐蚀 dd为锌块，铁片上电极反应为：2h+2e-h26、某课外活动小组，为研究金属的腐蚀和防护的原理，做了以下实验：将剪下的一块镀锌铁片，放入锥形瓶中，并滴入少量食盐水将其浸湿，再加数滴酚酞试液。按如图所示的装置进行实验，过一段时间后观察。下列现象不可能出现的是() ab中导气管产生气泡 bb中导气管里形成一段水柱c金属片剪口变红 d锌被腐蚀7、研究发现，可以用石墨作阳极、钛网作阴极、熔融的caf2cao作电解质，利用如图所示装置获得金属钙，并以钙为还原剂还原二氧化钛制备金属钛。下列说法中，正确的是() a由tio2制得1 mol金属ti，理论上外电路通过2 mol电子b阳极的电极反应式为c2o24e=co2c在制备金属钛前后，整套装置中cao的总量减少d若用铅蓄电池作该装置的供电电源，“”接线柱应连接pb电极8、目前脱氧保鲜剂已广泛用于食品保鲜、粮食及药材防虫、防霉等领域，含铁脱氧剂应用铁易氧化的性质完全吸收包装内的氧，从而对包装内的物品起到防氧化作用。当脱氧剂变成红棕色时则失效。右表是一种含铁脱氧保鲜剂的配方。下列反应式中与铁脱氧原理无关的是()主要原料用量含碳4%的铸铁粉滑石粉食盐乙醇80%40%4g适量a.fe2e=fe2 bco2=co2c4fe(oh)2o22h2o=4fe(oh)3 d2fe(oh)3fe2o33h2o9、在a、b、c三个烧杯中分别盛有相同体积、相同物质的量浓度的nano3、hcl和kcl溶液，用石墨作电极将它们串联起来进行电解，一段时间后，电解液ph增大的烧杯是_。ph不变的烧杯是_。a、c两烧杯中阳极的电极反应式分别是_，_。如果把a、b、c烧杯中电极都换成铁和石墨，并用导线连接(不与电源相连)，则各烧杯中铁片受腐蚀情况：_(写明腐蚀类型、快慢)。原因是_。10、铜在潮湿的空气中也能发生电化学腐蚀。(1)铜能否发生析氢腐蚀？为什么？_(2)若铜在中性或碱性环境中发生电化学腐蚀，则负极反应式为_，正极反应式为_，总反应式为_。得到的产物还可与空气中的co2继续反应，得到铜绿cu2(oh)2co3，化学方程式是_。(3)若铜在酸性环境中发生电化学腐蚀，则正极反应式为_，总反应式为_。(4)工业上制取硫酸铜就是利用(3)的原理。试计算1 t铜理论上可以制得多少吨无水硫酸铜。11、如何防止铁的锈蚀是工业上研究的重点内容。为研究铁锈蚀的影响因素，某同学做了如下探究实验：序号内容实验现象1常温下将铁丝放在干燥的空气中一个月干燥的铁丝表面依然光亮2常温下将铁丝放在潮湿的空气中一小时铁丝表面依然光亮3常温下将铁丝放在潮湿的空气中一个月铁丝表面已变得灰暗4将潮湿的铁丝放在常温的氧气流中一小时铁丝表面略显灰暗5将潮湿的铁丝放在高于常温的氧气流中一小时铁丝表面已变得灰暗6将浸过氯化钠溶液的铁丝放在高于常温氧气流中一小时铁丝表面灰暗程度比实验5严重回答以下问题：（1）上述实验中发生了电化学腐蚀的是 （填实验序号）；在电化学腐蚀中，负极反应是 ；正极反应是 。（2）由该实验可知，可以影响铁锈蚀速率的因素是 。（3）为防止铁的锈蚀，工业上普遍采用的方法是 （答两种方法）。12、（1）甲同学设计了a、b、c一组实验（如图1），探究铁生锈的条件经过较长时间后，甲同学观察到的现象是：a中铁