化学新设计苏教版选修四讲义专题一化学反应与能量变化

14/1515/15/第三单元金属的腐蚀与防护学习目标核心素养建构1.认识金属腐蚀的危害，能解释金属发生电化学腐蚀的原因。2.能正确书写析氢腐蚀和吸氧腐蚀的电极反应式和总反应式。3.掌握金属腐蚀的防护方法。[知识梳理]一、金属的腐蚀金属腐蚀是金属与周围的气体或液体物质发生氧化还原反应而引起损耗的现象。金属腐蚀一般可分为化学腐蚀和电化学腐蚀两类。1.化学腐蚀金属跟接触到的干燥气体或非电解质液体（如石油）等直接发生化学反应而引起的腐蚀，这种腐蚀的速率随着温度的升高而加快。2.电化学腐蚀不纯的金属接触电解质溶液时，会发生原电池反应，较活泼的金属失去电子而被氧化所引起的腐蚀。3.用铝制饭盒盛放醋酸，一段时间后，饭盒被腐蚀，这种腐蚀属于化学腐蚀，反应的化学方程式为2Al＋6CH3COOH=2（CH3COO）3Al＋3H2↑；若用铝制饭盒盛放食盐（含水时），一段时间后，饭盒被腐蚀，这种腐蚀属于电化学腐蚀，反应原理是（写电极反应式和总反应式）：负极：Al－3e－=Al3＋，正极：O2＋2H2O＋4e－=4OH－，总反应：4Al＋3O2＋6H2O=4Al（OH）3。【自主思考】1.影响金属腐蚀的因素有哪些？提示影响金属腐蚀的因素包括金属的本性和介质两个方面。就金属本性来说，金属越活泼，就越容易失去电子而被腐蚀。介质对金属的腐蚀的影响也很大，如果金属在潮湿的空气中，接触腐蚀性气体或电解质溶液，都容易被腐蚀。二、电化学腐蚀的分类以铁的腐蚀为例吸氧腐蚀析氢腐蚀条件水膜呈弱酸性或中性水膜呈较强酸性正极反应式O2＋2H2O＋4e－=4OH－2H＋＋2e－=H2↑负极反应式2Fe－4e－=2Fe2＋Fe－2e－=Fe2＋总反应式2Fe＋O2＋2H2O=2Fe（OH）2Fe＋2H＋=Fe2＋＋H2↑【自主思考】2.铁在自然界中发生的腐蚀主要是哪类腐蚀？提示主要是电化学腐蚀，其中以吸氧腐蚀为主。三、金属的防护1.电化学保护法（1）牺牲阳极的阴极保护法——原电池原理在被保护的钢铁设备上装上若干活泼金属如镁合金或锌块，作原电池的负极（阳极）；让被保护的金属作原电池的正极（阴极）。（2）外加电流的阴极保护法用被保护的金属作阴极，用惰性电极作阳极，外接直流电源。2.其他方法（1）改变金属内部结构，如制成防腐的合金；（2）加涂保护层，如喷油漆、涂油脂。【自主思考】3.铁制品在潮湿的环境中比在干燥的环境中容易生锈，为什么？提示铁制品中含有杂质碳，在潮湿的环境下的电解质溶液中构成原电池，加快了铁被氧化的反应速率。[效果自测]1.下列叙述中不正确的是（）A.金属的电化学腐蚀比化学腐蚀更普遍B.钢铁在干燥空气中不易被腐蚀C.用铝质铆钉铆接铁板，铁板不易被腐蚀D.原电池中电子由正极流入负极答案D2.如图所示，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.④②①③ B.②①③④C.④②③① D.③②④①解析④中Fe作阳极，腐蚀最快。③中Fe作正极，被保护，腐蚀慢。②中Fe作负极，被腐蚀。答案A3.下列举措不能防止或减缓钢铁腐蚀的是（）A.在钢铁制品表面镀一层金属锌B.将钢铁制品放置在潮湿处C.在钢铁中加入锰、铬等金属，以改变钢铁结构D.将钢铁制品与电源负极相连解析钢铁制品放置在潮湿处易发生吸氧腐蚀。答案B探究一、腐蚀类型的判断【探究讨论】1.化学腐蚀与电化学腐蚀的相同点和不同点是什么？提示相同点都是造成金属被氧化腐蚀。不同点是化学腐蚀是金属和氧化剂直接发生氧化还原反应，无电流产生；电化学腐蚀是发生原电池反应，有电流产生。2.写出钢铁在潮湿的空气中发生吸氧腐蚀生成铁锈的原理。提示铁锈的形成负极：2Fe－4e－=2Fe2＋正极：O2＋4e－＋2H2O=4OH－2Fe＋O2＋2H2O=2Fe（OH）24Fe（OH）2＋O2＋2H2O=4Fe（OH）32Fe（OH）3=Fe2O3·xH2O（铁锈）＋（3－x）H2O【点拨提升】1.化学腐蚀与电化学腐蚀的比较类型化学腐蚀电化学腐蚀条件金属跟非金属单质直接接触不纯金属或合金跟电解质溶液接触现象无电流产生有微弱电流产生本质金属被氧化较活泼金属被氧化联系两者往往同时发生，电化学腐蚀更普遍2.析氢腐蚀与吸氧腐蚀类型析氢腐蚀吸氧腐蚀条件水膜酸性较强（pH≤4.3）水膜酸性很弱或呈中性电极反应负极Fe－2e－=Fe2＋正极2H＋＋2e－=H2↑O2＋2H2O＋4e－=4OH－总反应式Fe＋2H＋=Fe2＋＋H2↑2Fe＋O2＋2H2O=2Fe（OH）2联系吸氧腐蚀更普遍【典题例证1】利用下图装置进行实验，开始时，a、b两处液面相平，密封好，放置一段时间。下列说法不正确的是（）A.a管发生吸氧腐蚀，b管发生析氢腐蚀B.一段时间后，a管液面高于b管液面C.a处溶液的pH增大，b处溶液的pH减小D.a、b两处具有相同的电极反应式：Fe－2e－=Fe2＋解析根据装置图判断，左边铁丝发生吸氧腐蚀，右边铁丝发生析氢腐蚀，其电极反应为左边负极：Fe－2e－=Fe2＋正极：O2＋4e－＋2H2O=4OH－右边负极：Fe－2e－=Fe2＋正极：2H＋＋2e－=H2↑a、b处的pH均增大，C错误。答案C【学以致用1】如图装置中，小试管内为红墨水，具支试管内盛有pH＝4的雨水和生铁片。观察到：开始导管内液面下降，一段时间后导管内液面回升，略高于小试管液面。以下有关解释合理的是（）A.生铁片中的碳是原电池的负极，发生还原反应B.雨水酸性较强，生铁片仅发生析氢腐蚀C.墨水回升时，碳极反应式为O2＋2H2O＋4e－=4OH－D.具支试管中溶液pH逐渐减小解析生铁片中的碳是原电池的正极，A错误；雨水酸性较强，开始时铁片发生析氢腐蚀，产生氢气，导管内液面下降，一段时间后铁片发生吸氧腐蚀，吸收氧气，导管内液面回升，B错误；墨水回升时，铁片发生吸氧腐蚀，碳极为正极，电极反应式为O2＋2H2O＋4e－=4OH－，C正确；铁片无论是发生析氢腐蚀还是吸氧腐蚀，具支试管内溶液pH均增大，D错误。答案C探究二、金属的防护【探究讨论】3.自行车淋雨后为什么更容易生锈？为了防锈，淋雨后的自行车应怎样处理？提示雨水中溶解了大量的硫和氮的氧化物，其酸性较强，金属器件淋雨后更容易形成原电池而发生电化学腐蚀。先用自来水冲洗，再用干抹布擦干。最好的在磨损的地方涂少量润滑油。4.电化学防护的实质是什么？提示电化学防护的实质是把被保护的金属作原电池的正极或电解池的阴极，不参与电极反应，从而不被氧化。5.钢铁很容易被腐蚀而生锈，每年因腐蚀而损失的钢材占世界钢铁年产量的四分之一。甲乙问题思考：（1）为了降低铁闸门腐蚀的速率，甲图中R可选择何种材料，这种防护措施的名称叫什么？提示R可选择锌块，这叫牺牲阳极的阴极保护法。（2）乙图铁闸门应连接直流电源的哪个电极？这种防护方法的名称叫什么？提示铁闸门应连接直流电源的负极，这种方法叫外加电流的阴极保护法。【点拨提升】金属的电化学防护电化学防护牺牲阳极的阴极保护法外加电流的阴极保护法依据原电池原理电解池原理原理形成原电池时，被保护金属作正极（阴极），不反应受到保护；活泼金属作负极（阳极），发生反应受到腐蚀。阳极要定期予以更换将被保护金属与另一

加电极作为电解池的两极，使被保护金属作阴极，在外加直流电的作用下使阴极得到保护应用一些钢铁设备如锅炉内壁、船体外壳等装上镁合金或锌块土壤、海水及河水中的金属设备等实例示意图【典题例证2】下列对如图所示的实验装置的判断中错误的是（）A.若X为碳棒，开关K置于A处可减缓铁的腐蚀B.若X为锌棒，开关K置于A或B处均可减缓铁的腐蚀C.若X为锌棒，开关K置于B处时，为牺牲阳极的阴极保护法D.若X为碳棒，开关K置于B处时，铁电极上发生的反应为2H＋＋2e－=H2↑解析若X为碳棒，开关K置于A处，Fe作电解池的阴极，属外加电流的阴极保护法，A项正确；若X为碳棒，开关K置于B处，Fe作原电池的负极，电极反应为Fe－2e－=Fe2＋，D项不正确；若X为锌棒，K置于A处，Fe作电解池的阴极，属外加电流的阴极保护法，K置于B处时，Fe作原电池的正极，属牺牲阳极的阴极保护法，B项和C项均正确。答案D【学以致用2】如图，拴上金属条的铁钉插在含有酚酞的NaCl溶液中，可以看到贴近金属条一边的溶液出现粉红色，该金属条可能是（）A.Cu B.AlC.Zn D.Mg解析溶液出现粉红色是铁发生吸氧腐蚀生成OH－导致的。答案A1.下列说法中，不正确的是（）A.电解精炼铜时，粗铜中的金、银、锌等形成阳极泥而与铜分离B.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C.用铝质铆钉焊接铁板，铁不易被腐蚀D.钢铁设备与外加直流电源的负极相连可以防止钢铁腐蚀解析A选项中电解精炼铜时，粗铜中的金、银等形成阳极泥而与铜分离，但Zn不能形成阳极泥，故A错；B选项中在海轮外壳连接锌块保护外壳，锌块作负极，可以起到保护海轮的作用，故B正确；C选项原理同B，故C正确；D选项中钢铁设备与外加直流电源的负极相连可以避免铁失电子，防止钢铁腐蚀，故D正确。答案A2.下列有关金属的保护方法的说法中正确的是（）A.常使用的快餐杯表面有一层搪瓷，搪瓷层破损后仍能起到防止铁生锈的作用B.白铁（镀锌铁）镀层破损后，铁皮的腐蚀速率很慢C.轮船的船壳水线以下常装有一些锌块，这是利用了牺牲阴极的阳极保护法D.钢铁制造的暖气管道外常涂有一些沥青，这是钢铁的电化学保护法解析A项中涂层破损后，铁直接暴露在空气中，因而搪瓷层不能对破损部分进行保护；B项中镀层破损后由于锌的金属性比铁强，和铁构成原电池，锌作负极，保护铁不被腐蚀；C项应是牺牲阳极的阴极保护法；D项中应是用沥青作涂层的涂层保护法。答案B3.钢铁工业是国家工业的基础，请回答钢铁腐蚀与防护过程中的有关问题。（1）生产中可用盐酸来除铁锈。现将一生锈的铁片放入盐酸中，当铁锈被除尽后，溶液中发生的化合反应的化学方程式是______________________________。（2）下列装置可防止铁棒被腐蚀的是。（3）在实际生产中，可在铁件的表面镀铜防止铁被腐蚀，装置示意图如图。①A电极对应的金属是（写元素名称），B电极的电极反应式是_________________________________________________________________。②若电镀前铁、铜两片金属质量相同，电镀完成后将它们取出洗净、烘干、称量，二者质量差为5.12g，则电镀时电路中通过的电子为mol。③镀层破损后，镀铜铁比镀锌铁更容易被腐蚀，请简要说明原因：_______________________________________________________________。答案（1）2FeCl3＋Fe=3FeCl2（2）BD（3）①铜Cu2＋＋2e－=Cu②0.08③铁比铜活泼，镀层被破坏后，在潮湿环境中形成原电池，铁为负极，加速铁的腐蚀课时作业基础巩固1.下列事实与电化学腐蚀无关的是（）A.光亮的自行车钢圈不易生锈B.黄铜（Cu－Zn合金）制的铜锣不易生锈C.铜、铝电线一般不连接起来作导线D.生铁比熟铁（几乎是纯铁）容易生锈解析B、C、D项均与原电池有关，能用电化学知识来解释，故选A。答案A2.出土的锡青铜（铜锡合金）文物常有Cu2（OH）3Cl覆盖在其表面。下列说法不正确的是（）A.锡青铜的熔点比纯铜低B.在自然环境中，锡青铜中的锡可对铜起保护作用C.锡青铜文物在潮湿环境中的腐蚀比干燥环境中快D.生成Cu2（OH）3Cl覆盖物是电化学腐蚀过程，但不是化学反应过程解析锡青铜是合金，合金的熔点比任何一种纯金属的熔点都低，一般合金的硬度比任何一种纯金属的硬度都大，A正确；由于锡比铜活泼，故在发生电化学腐蚀时，锡失电子保护铜，B正确；潮湿的环境将会加快金属的腐蚀，C正确；电化学腐蚀过程的实质是金属失去电子生成金属阳离子，有电子的转移，属于化学反应过程，D错。答案D3.为了防止钢铁锈蚀，下列防护方法中正确的是（）A.在精密机床的铁床上安装铜螺钉B.在排放海水的钢铁闸门上用导线连接一块石墨，一同浸入海水中C.在海轮舷上用铁丝系住锌板浸在海水里D.在地下输油的铸铁管上接直流电源的正极解析A、B中形成的原电池都是铁作负极，加速钢铁腐蚀；D中铸铁管作阳极，加速腐蚀；C中锌比铁活泼，铁作正极。答案C4.下列与金属腐蚀有关的说法，正确的是（）A.图1中，插入海水中的铁棒，越靠近底端腐蚀越严重B.图2中，插入溶液中的铁棒容易溶解，主要是发生电化学腐蚀C.图3中，燃气灶的中心部位容易生锈，主要是由于高温下铁发生化学腐蚀D.图4中，用牺牲镁块的方法来防止地下钢铁管道的腐蚀，镁块相当于原电池的阴极解析A项，水面附近的铁接触的氧气多，容易腐蚀，错误；B项，铁作为阴极受保护，不容易腐蚀，错误；C项，高温下铁被氧化，正确；D项，镁块为原电池的负极，一般用锌块，因为镁容易形成致密氧化膜，错误。答案C5.下列与金属腐蚀有关的说法正确的是（）A.图a中，插入海水中的铁棒，越靠近底端腐蚀越严重B.图b中，开关由M改置于N时，Cu－Zn合金的腐蚀速率减小C.图c中，接通开关时Zn腐蚀速率增大，Zn上放出气体的速率也增大D.图d中，Zn－MnO2干电池自放电腐蚀主要是由MnO2的氧化作用引起的解析A项，插入海水中的铁棒靠近液面的位置与氧气接触，易发生吸氧腐蚀；B项，开关由M改置于N处时，Zn作负极，Cu－Zn合金作正极，合金受到保护；C项，接通开关形成原电池，Zn作负极，Zn的腐蚀速率增大，但气体是在Pt电极上生成；D项，Zn－MnO2中自放电腐蚀主要是Zn发生氧化反应而自放电。答案B6.钢铁生锈过程发生如下反应：①2Fe＋O2＋2H2O=2Fe（OH）2；②4Fe（OH）2＋O2＋2H2O=4Fe（OH）3；③2Fe（OH）3=Fe2O3＋3H2O。下列说法正确的是（）A.反应①②中电子转移数目相等B.反应①中氧化剂是氧气和水C.与铜质水龙头连接处的钢质水管不易发生腐蚀D.钢铁在潮湿的空气中不能发生电化学腐蚀解析反应①②中消耗O2的量相等，两个反应也仅有O2作为氧化剂，故转移电子数是相等的，A项正确，B项错误；铜和铁构成原电池，钢制水管腐蚀速率加快，C项错误；钢铁是铁和碳的混合物，在潮湿的空气中易发生吸氧腐蚀，属于电化学腐蚀，故D项错误。答案A7.如图装置中，U形管内为红墨水，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答案B8.为研究金属腐蚀的条件和速率，某课外小组学生用金属丝将三根大小相同的铁钉分别固定在图示的三个装置中，再放置于玻璃钟罩内保存一星期后，下列对实验结束时现象描述不正确的是（）A.装置Ⅰ左侧的液面一定会上升B.左侧液面装置Ⅰ比装置Ⅱ的低C.装置Ⅱ中的铁钉腐蚀最严重D.装置Ⅲ中的铁钉几乎没被腐蚀解析Ⅰ中铁钉发生吸氧腐蚀，左端液面上升；Ⅱ中盐酸挥发，和铁钉反应生成H2，腐蚀最严重，Ⅱ中左端下降；Ⅲ中浓硫酸吸水，而铁钉在干燥空气中几乎不腐蚀。答案B9.（1）钢铁容易生锈的主要原因是钢铁在炼制过程中混有少量的碳杂质，在潮湿的空气中容易形成原电池，发生电化学腐蚀。在空气酸度不大的环境中，该原电池的负极是，负极反应式为；正极是，正极反应式为。（2）下列装置中，能对Fe片腐蚀起防护作用的有（填序号）。解析（1）在空气酸度不大的环境中，钢铁发生吸氧腐蚀，负极是铁，发生反应Fe－2e－=Fe2＋，正极是C，发生反应O2＋2H2O＋4e－=4OH－，（2）c是牺牲阳极的阴极保护法，d是外加电流的阴极保护法。答案（1）FeFe－2e－=Fe2＋CO2＋2H2O＋4e－=4OH－（2）cd10.铁是用途最广的金属材料之一，但生铁易生锈。请讨论电化学实验中有关铁的性质。（1）①某原电池装置如图所示，右侧烧杯中的电极反应式为，左侧烧杯中的c（Cl－）（填“增大”、“减小”或“不变”）。②已知下图甲、乙两池的总反应式均为Fe＋H2SO4=FeSO4＋H2↑，且在同侧电极（指均在“左电极”或“右电极”）产生H2。请在两池上标出电极材料（填“Fe”或“C”）。（2）装置丙中，易生锈的是点（填“a”或“b”）。装置丁中可观察到的实验现象是___________________________________________________。解析（1）①电池反应中Fe作负极，石墨棒作正极，右侧电极反应式为2H＋＋2e－=H2↑。由于平衡电荷的需要，盐桥中的Cl－向负极迁移，故NaCl溶液中c（Cl－）增大。②装置乙是电解装置，阴极（右侧）产生H2，同时根据总反应式可知，Fe只能作阳极（左侧）。由已知条件知，在装置甲中，Fe作原电池的负极，在左侧，C作原电池的正极，在右侧。（2）装置丙中由于a点既与电解液接触，又与空气接触，故容易生锈。装置丁中铁屑发生吸氧腐蚀，负极：Fe－2e－=Fe2＋，正极：O2＋4e－＋2H2O=4OH－，生成的离子继续反应：Fe2＋＋2OH－=Fe（OH）2↓，4Fe（OH）2＋O2＋2H2O=4Fe（OH）3，2Fe（OH）3=Fe2O3·xH2O＋（3－x）H2O，由整个反应来看，最终铁屑表面会生成红棕色的铁锈，由于反应消耗氧气，因此试管内液面上升。答案（1）①2H＋＋2e－=H2↑增大②甲池中：左电极——Fe，右电极——C乙池中：左电极——Fe，右电极——C（2）a铁屑表面生成红棕色锈斑，试管内液面上升能力提升11.某研究小组对铁生锈进行研究。（1）甲同学设计了A、B、C一组实验（如上图），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中铁钉生锈；B中铁钉不生锈；C中铁钉不生锈。①通过上述实验现象分析，可得出铁生锈的外部条件是_________________________________________________________________。②实验B所用的水要经过处理；植物油的作用是________________________________________________________________。③实验C中碱石灰的作用是______________________________________。（2）乙同学为了达到同样目的，设计了实验D（如图），发现一段时间后，试管中的液面升高，其原因是，该实验（填“能”或“不能”）说明水对铁钉生锈产生影响。答案（1）①有水（或电解质溶液）和氧气（或空气）②煮沸（或除去氧气）隔绝空气（或防止氧气与铁接触）③吸收水蒸气（或干燥、保持试管内干燥环境）（2）铁的腐蚀要吸收氧气（或氧气参与反应、消耗了氧气），使气体体