原电池金属的腐蚀与防护

原电池是借助

反应将

能转化为

能的装置。如图所示：实验现象：(1)有盐桥时

；化学化学电电流表指针发生偏转，铜片表面有金属析出(2)锌片

。实验结论：导线中有电流通过，即该装置为一个原电池。1．铜一锌原电池原理分析在ZnSO4溶液中，锌片失去电子而逐渐溶解，形成Zn2＋进入溶液，电子经导线流向铜片，溶液中的Cu2＋得电子被还原成Cu。这一变化可以表示如下：锌片：

(氧化反应)铜片：

(还原反应)总反应：

或

逐渐溶解Zn－2e－===Zn2＋Cu2＋＋2e－===CuZn＋Cu2＋===Zn2＋＋CuZn＋CuSO4===ZnSO4＋Cu2．原电池形成的条件(1)两个活泼性不同的电极：其中一个相对活泼，另一个相对较不活泼，二者直接或间接地连在一起，插入电解质溶液中；(2)电解质溶液；(3)形成闭合回路；(4)能自发地发生氧化还原反应。1.一次电池(不能充电，不能反复使用)(1)银锌钮扣电池：电极材料分别为Ag2O和Zn，电解质溶液为KOH溶液。负极(Zn)：

正极(Ag2O)：Ag2O＋H2O＋2e－===2Ag＋2OH－电池反应方程式：

.Zn＋2OH－－2e－===Zn(OH)2Zn＋Ag2O＋H2O===2Ag＋Zn(OH)2(2)碱性锌锰电池：电解质为KOH负极：

正极：

总反应：Zn＋2MnO2＋2H2O===2MnOOH＋Zn(OH)2Zn＋2OH－－2e－===Zn(OH)22MnO2＋2H2O＋2e－===2MnOOH＋2OH－2．二次电池(可充电，可多次重复使用)如铅蓄电池：H2SO4溶液作电解液(1)放电时负极：

正极：

总反应：Pb＋PbO2＋2H2SO4===2PbSO4＋2H2O(2)充电反应为电解过程，是放电反应的逆过程阴极：

阳极：

总反应：2PbSO4＋2H2O===Pb＋PbO2＋2H2SO4Pb＋SO42－－2e－===PbSO4PbO2＋4H＋＋SO42－＋2e－===PbSO4＋2H2OPbSO4＋2e－===Pb＋SO42－PbSO4＋2H2O－2e－===PbO2＋4H＋＋SO42－3．燃料电池(1)燃料电池是一种连续地将燃料和氧化剂的化学能直接转换电能的化学电池。燃料电池本身不含活性物质，只是一个催化转化元件。它工作时，燃料和氧化剂连续地由外部供给。燃料电池的燃料可以是氢气、烃、肼、甲醇、氨、煤气等多种液体或气体。(2)氢氧燃料电池氢氧燃料电池是一种高效低污染的新型电池，主要用于航天领域。它的电极材料一般为惰性电极，具有很强的催化活性，如铂电极，活性炭电极等。电解质溶液若为40%的KOH溶液。电极反应为：负极：

，正极：

电池的总反应式为：

。2H2＋4OH－－4e－===2H2OO2＋2H2O＋4e－===4OH－2H2＋O2===2H2O电解质溶液若为酸性物质，电极反应为：负极：

，正极：

，电池的总反应式为：

。2H2－4e－＝4H＋O2＋4H＋＋4e－===2H2O2H2＋O2===2H2O(1)化学腐蚀：金属跟接触到的物质直接发生

而引起的腐蚀。(2)电化学腐蚀①定义：金属或合金因发生

所引起的腐蚀。金属的腐蚀主要是发生

。②吸氧腐蚀与析氢腐蚀(以钢铁为例)。氧化还原反应原电池反应电化学腐蚀类型吸氧腐蚀析氢腐蚀条件水膜呈弱酸性或中性水膜呈酸性正极反应(C)

.负极反应(Fe)

.其他反应Fe2＋＋2OH－===Fe(OH)2↓4Fe(OH)2＋2H2O＋O2===4Fe(OH)3

Fe(OH)3失去部分水转化为铁锈O2＋2H2O＋4e－===4OH－2H＋＋2e－===H2↑Fe－2e－===Fe2＋(3)金属的防护金属的防护金属表面覆盖保护层：(1)涂矿物性油脂、油漆或覆盖搪瓷塑料；(2)镀耐腐蚀的金属或合金；(3)用化学方法钝化使金属表面形成一层致密的氧化物膜电化学保护法：(1)外加电流的阴极保护法(电解池原理)如钢闸门接低压直流电负极，石墨接电源正极作阳极，浸入水中；(2)牺牲阳极的阴极保护法(原电池原理)，如船壳上钉上锌块改变金属的内部结构：普通钢铁加入铬、镍等转变为不锈钢等1．正负极判断方法判断依据负极正极电极材料活泼性较强的金属活泼性较弱的金属或能导电的非金属电子流动方向电子流出极电子流入极电解质溶液中离子定向移动方向阴离子移向的极阳离子移向的极发生的反应氧化反应还原反应反应现象溶解的极增重或有气泡放出的极2.原电池原理的应用(1)加快氧化还原反应的速率：例如，在锌与稀H2SO4反应时加入少量CuSO4溶液，CuSO4与锌发生置换反应生成Cu，从而形成Cu－Zn微小的原电池，能加快产生H2的速率。(2)比较金属活动性强弱：例如：有两种金属a和b，用导线连接后插入稀硫酸中，观察到a极溶解，b极上有气泡产生。由此可判断出a是负极，b是正极，金属活动性a>b。(3)用于金属的防护，如牺牲阳极的阴极保护法。(4)制造各种化学电源：原电池能将化学能转化为电能，所以其最重要的应用是制造各种实用电池。(5)判断金属腐蚀的先后顺序，比较金属腐蚀的快慢并进行金属的防护。3．金属的腐蚀(1)金属的腐蚀分为化学腐蚀和电化学腐蚀化学腐蚀电化学腐蚀定义金属跟接触到的物质直接发生氧化还原反应而引起的腐蚀金属或合金因发生原电池反应所引起的腐蚀条件金属与非电解质等直接接触，如Fe与Cl2反应不纯金属或合金与电解质溶液接触。如钢铁在潮湿的空气中现象无电流产生有微弱电流产生(形成微小原电池)本质金属被氧化的过程较活泼金属被氧化的过程相互关系化学腐蚀与电化学腐蚀往往同时发生，但电化学腐蚀更普遍，危害严重。条件不同，腐蚀的种类不同(2)电化学腐蚀又分为：吸氧腐蚀与析氢腐蚀，二者的区别如下表：类型吸氧腐蚀析氢腐蚀条件水膜酸性不强水膜呈较强酸性正极反应(C)O2＋2H2O＋4e－===4OH－2H＋＋2e－===H2↑负极反应(Fe)Fe===Fe2＋＋2e－总反应式2Fe＋O2＋2H2O===2Fe(OH)2Fe＋2H＋===Fe2＋＋H2↑其他反应Fe2＋＋2OH－===Fe(OH)2,4Fe(OH)2＋O2＋2H2O===4Fe(OH)3Fe(OH)3失去部分水转化为铁锈：2Fe(OH)3===Fe2O3·xH2O＋(3－x)H2O联系钢铁的电化学腐蚀通常有析氢腐蚀和吸氧腐蚀的两种情况，以吸氧腐蚀最为普遍[例1](2010·广东理综，23)铜锌原电池(如图)工作时，下列叙述正确的是()A．正极反应为：Zn－2e－===Zn2＋B．电池反应为：Zn＋Cu2＋===Zn2＋＋CuC．在外电路中，电子从负极流向正极D．盐桥中的K＋移向ZnSO4溶液[解析]本题考查原电池。电池的正极得电子，A选项错误；结合该电池的装置图可知，该过程中的氧化还原反应为Zn＋Cu2＋===Zn2＋＋Cu，B选项正确；外电路中，电子从负极流向正极，C选项正确；左烧杯中由于Zn失去电子形成Zn2＋，使的该烧杯中正电荷的离子增加，为维持电中性，K＋应该通过盐桥流向CuSO4所在的右烧杯，D选项错误。[答案]BC[方法点拨]电极反应式的书写技巧书写电极反应式时，要根据电极材料、电解质溶液分析电极反应和电极产物，写出电极反应式，还要注意电子守恒。(1)负极为活泼金属时，一般失去电子形成可溶性稳定价态阳离子，或进入溶液，或与电解质发生反应；若为燃料电池，负极一般不参与反应，可燃气体失去电子，形成稳定的氧化产物，或进一步与电解质溶液反应。(2)正极上，一般是溶液中氧化性最强的微粒获得电子被还原，生成稳定的还原产物，或进一步与电解质溶液反应。(3)正、负两极反应式在确保得失电子数目相等的前提下，加和可得电池反应总方程式。下列装置可以形成原电池的是()[解析]构成原电池需要具备下列三个条件：①活泼性不同的两个电极；②有电解质溶液；③组成闭合回路，故A、B符合条件。[答案]AB如图所示，电流计指针偏向表示电子流向，则指针向________(填“左”或“右”)偏转。正极是________极，电极反应式为____________________；负极是________极，电极反应式为____________________。若将电流计改为小灯泡，则现象为____________________，这是因为________________，可以在烧杯中加入________________等来减弱这种影响。[解析]可对比铜锌原电池与原电池实验去考虑。活动性不同的两极构成原电池时，一般情况下活泼的金属因为还原性强，先失去电子，作负极，发生氧化反应，所以Al是负极，失电子，Cu是正极，溶液中的H＋得电子。这种普通的原电池装置产生的电流较小，灯泡不能持续亮着，可加入氧化剂减弱极化作用而使灯泡变亮并持续一段时间。[答案]右Cu6H＋＋6e－===3H2↑Al2Al－6e－===2Al3＋先亮后马上变暗极化作用K2Cr2O7、KMnO4、H2O2[例2](2010·福建理综，11)铅蓄电池的工作原理为：Pb＋PbO2＋2H2SO4===2PbSO4＋2H2O研读下图，下列判断不正确的是 ()A．K闭合时，d电极反应式：PbSO4＋2H2O－2e－===PbO2＋4H＋＋SO42－B．当电路中转移0.2mol电子时，I中消耗的H2SO4为0.2molC．K闭合时，Ⅱ中SO42－向c电极迁移D．K闭合一段时间后，Ⅱ可单独作为原电池，d电极为正极[解析]本题考查了原电池原理、电极反应式的书写、离子移动方向等电化学知识。闭合K构成电解装置，Ⅰ为原电池，Ⅱ为电解池。铅为负极，氧化铅为正极，d为电解池阳极，c为阴极。则阳极上硫酸铅失电子生成氧化铅附着在d电极上，A选项正确；根据电池总反应式可知，每有2mol硫酸参与反应则转移电子2mol，B选项正确；闭合K时，Ⅱ中硫酸根向阳极移动，即向d电极移动，C选项错误；电解时在阴极生成铅，阳极生成氧化铅，故电解一段时间后，Ⅱ也可作原电池，D选项正确。[答案]C[方法点拨]怎样正确书写燃料电池的电极反应式和总反应1．燃料电池的特点燃料电池是一种不经燃烧，使燃料的化学能经过电化学反应直接转变为电能的装置，它和其他电池中的氧化还原反应一样，都是自发的化学反应，不放出火焰，其化学能可以直接转化为电能的一种电池。燃料电池基本结构与一般化学电源相同，由正极、负极和电解液构成，但其电极本身仅起催化和集流作用。2．书写步骤(1)先书写燃料电池总反应方程式可根据燃料燃烧反应写出燃料电池的总反应方程式，但要注意燃料的种类。若是氢氧燃料电池，其电池总反应方程式不随电解质的状态和电解质溶液的酸碱性变化而变化，即2H2＋O2===2H2O。若燃料是含碳元素的可燃物，其电池总反应方程式就与电解质的状态和电解质溶液的酸碱性有关。(2)写燃料电池正极反应式因为燃料电池正极反应物一般是氧气，正极都是氧化剂氧气得到电子的还原反应，所以可先写出正极反应式，正极反应的本质都是O2得电子生成O2－离子，故正极反应式的基础都是O2＋4e－===2O2－。①电解液为酸性电解质溶液(如稀硫酸)在酸性环境中，O2－离子不能单独存在，O2－离子优先结合H＋生成H2O。这样，在酸性电解质溶液中，正极反应式为O2＋4H＋＋4e－===2H2O。②电解液为中性或碱性电解质溶液(如氯化钠溶液或氢氧化钠溶液)在中性或碱性环境中，O2－离子也不能单独存在，O2－离子只能结合H2O生成OH－离子，故在中性或碱性电解质溶液中，正极反应式为O2＋2H2O＋4e－===4OH－。③电解质为熔融的碳酸盐(如Li2CO3和Na2CO3熔融盐混合物)在熔融的碳酸盐环境中，O2－离子也不能单独存在，O2－离子可结合CO2生成CO32－离子，则其正极反应式为O2＋2CO2＋4e－===2CO32－。(3)燃料电池负极反应式的书写一般燃料电池的负极反应式都是采用间接方法书写，先正确写出燃料电池的总反应式和正极反应式，然后在电子守恒的基础上用总反应式减去正极反应式即得负极反应式。(3)如下图是某笔记本电脑用甲醇质子交换膜燃料电池的结构示意图。甲醇在催化剂作用下提供质子和电子，电子经外电路、质子经内电路到达另一极与氧气反应，电池总反应为：2CH3OH＋3O2===2CO2＋4H2O。则c电极是________(填“正极”或“负极”)，c电极上发生的电极反应式为______________________。[答案](1)H2O2负极：2H2＋4OH－－4e－===4H2O正极：O2＋2H2O＋4e－===4OH－(2)负极：2H2－4e－===4H＋正极：O2＋4H＋＋4e－===2H2O(3)负极CH3OH－6e－＋H2O===CO2＋6H＋[例3](2010年高考北京卷6)下列有关钢铁腐蚀与防护的说法正确的是()A．钢管与电源正极连接，钢管可被保护B．铁遇冷浓硝酸表面钝化，可保护内部不被腐蚀C．钢管与铜管露天堆放在一起时，钢管不易被腐蚀D．钢铁发生析氢腐蚀时，负极反应是Fe－3e－===Fe3＋[解析]铁易失去电子，故钢管与电源正极相连时，更易使铁失电子，故A错；铁遇冷浓硝酸时表面能形成一层致密的氧化膜，故B正确；铁比铜活泼，当铁、铜相接触时构成原电池，铁作负极被腐蚀，故C错；钢铁发生析氢腐蚀时，负极发生反应：Fe－2e－===Fe2＋，故D错。[答案]B[方法点拨]探究金属腐蚀的快慢规律(1)不同类型的腐蚀规律电解原理引起的腐蚀>原电池原理引起的腐蚀>化学腐蚀>有防护措施的腐蚀(2)电化学腐蚀规律①对同一种金属来说，腐蚀的快慢：强电解质溶液>弱电解质溶液>非电解质溶液。②活泼性不同的两金属：活泼性差别越大，活泼金属腐蚀越快。③对同一种电解质溶液来说，电解质溶液浓度越大，腐蚀越快，且氧化剂的浓度越高，腐蚀越快。④对于不同氧化剂来说，氧化性越强，金属腐蚀越快。(2009·上海)下图装置中，U型管内为红墨水，a、b试管内分别盛有食盐水和氯化铵溶液，各加入生铁块，放置一段时间。下列有关描述错误的是 ()A．生铁块中的碳是原电池的正极B．红墨水柱两边的液面变为左低右高C．两试管中相同的电极反应式是：Fe－2e―→Fe2＋D．a试管中发生了吸氧腐蚀，b试管中发生了析氢腐蚀[解析]a为中性环境，发生吸氧腐蚀，氧气被消耗，气体压强减小；b中酸性较强，发生析氢腐蚀，有氢气放出，气体压强增大，所以红墨水柱两边的液面变为左高右低，故B项错。[答案]B钢铁在潮湿的空气中会被腐蚀，发生的原电池反应为2Fe＋2H2O＋O2===2Fe2＋＋4OH－。以下说法正确的是()A．负极发生的反应为Fe－2e－===Fe2＋B．正极发生的反应为2H2O＋O2＋2e－===4OH－C．原电池是将电能转变为化学能的装置D．钢柱在水下部分比在空气与水交界处更容易腐蚀[解析]由给出的原电池反应可知，此腐蚀为吸氧腐蚀，负极反应为Fe－2e－===Fe2＋，正极发生的反应为2H2O＋O2＋4e－===4OH－，故A正确、B错；原电池是将化学能转化为电能的装置，C错；由于吸氧腐蚀与氧气、水有关，所以钢柱在空气与水交界处比水下部分更容易腐蚀，故D错。[答案]A1．把a、b、c、d四块金属浸泡在稀H2SO4中，用导线两两相连可以组成各种原电池。若a、b相连时，a为负极；c、d相连，d上有气体逸出；a、c相连时，a极减轻；b、d相连时，b为正极。则四种金属的活动性顺序为()A．a>b>c>d B．a>c>b>dC．a>c>d>b D．b>d>c>a[解析]原电池中金属活泼性强的做负极，即a>b；金属与稀H2SO4反应，正极上有H2产生，而负极减轻，故有c>d，a>c，d>b，综上应有a>c>d>b。[答案]C2．(2009·江苏)以葡萄糖为燃料的微生物燃料电池结构示意图如图所示。关于该电池的叙述正确的是()A．该电池能够在高温下工作B．电池的负极反应为：C6H12O6＋6H20－24e－===6CO2↑＋24H＋C．放电过程中，H＋从正极区向负极区迁移D．在电池反应中，每消耗1mol氧气理论上能生成标准状况下CO2气体[解析]本题考查原电池知识。微生物燃料电池只能在常温下工作，A错；放电过程为原电池反应，H＋应向正极迁移，C错；由电池反应C6H12O6＋6O2===6CO2＋6H2O知，每消耗1molO2理论上生成1molCO2，即标况下22.4L，D错。[答案]B3．(2010·福建省厦门市高三年级质检)海水的进水钢闸门易被腐蚀，对此的下列说法不正确的是()A．钢闸门腐蚀的本质是Fe－2e－===Fe2＋B．钢闸门腐蚀主要是发生电化学吸氧腐蚀，其正极反应是O2＋2H2O＋4e－===4OH－C．将钢闸门与浸入海水的锌块用导线相连，可防止钢闸门腐蚀D．将钢闸门与直流电源的正极相连，可防止钢闸门腐蚀[解析]钢闸门在腐蚀过程中铁被氧化为Fe2＋，腐蚀原理为吸氧腐蚀型的电化学腐蚀，A、B项对；当将钢闸门与浸入海水的锌块用导线连接起来后就构成了原电池，锌块作负极，钾闸门作正极受到保护，C项对；若将钢闸门与电源正极相连，则其成为阳极被加速腐蚀掉，D项错。[答案]D4．(2010·陕西理综，12)根据下图，可判断出下列离子方程式中错误的是()A．2Ag(s)＋Cd2＋(aq)===2Ag＋(aq)＋Cd(s)B．Co2＋(aq)＋Cd(s)===Co(s)＋Cd2＋(aq)C．2Ag＋(aq)＋Cd(s)===2Ag(s)＋Cd2＋(aq)D．2Ag＋(aq)＋Co(s)===2Ag(s)＋Co2＋(aq)[解析]本题考查原电池原理及其运用，意在考查考生原电池装置的判断和总反应方程式的书写。从两个原电池的电极可以判断出三种金属的活泼性关系为Cd>C