1.3 金属的腐蚀与防护学案 高二上学期化学人教版（2019）选择性必修1

新苏教版高中化学选择性必修1《化学反应原理》PAGEPAGE1专题1化学反应与能量变化第三单元金属的腐蚀与防护学习目标1．了解金属发生电化学腐蚀的本质，知道金属腐蚀的危害。2．了解防止金属腐蚀的措施。3．能利用电化学原理解释金属腐蚀现象，选择并设计防腐措施。核心素养宏观辨识与微观探析：能从宏观与微观结合的视角对金属的腐蚀和防护进行分类和表征。能运用电化学符号等解释金属发生腐蚀的原因，能分析技术防护与金属腐蚀之间的关系。证据推理与模型认知：运用电化学模型认识并分析金属腐蚀的原理及防护的方法。知识梳理一、金属的电化学腐蚀活动·探究向铁粉中加入少量炭粉，混合均匀后，撒入内壁分别用氯化钠溶液和稀醋酸润湿过的两支具支试管(分别标记为a、b)中，按下图组装好仪器。几分钟后，打开止水夹，观察、比较导管中水柱(在水中滴加几滴红墨水)的变化和试管中的现象。[思考交流]1．图a导管中水柱和具支试管中的铁粉有什么变化？产生这种现象的原因是什么？2．图b导管中水柱及具支试管中的铁粉有什么变化？如何解释？3．若将图b中的稀醋酸换为盐酸(足量)，则实验中存在哪些形式的腐蚀？4．化学腐蚀与电化学腐蚀的异同点是什么？归纳·总结1．金属腐蚀(1)概念：金属或合金与周围环境中的物质发生化学反应而腐蚀损耗的现象。(2)本质：金属本身失去电子变成阳离子的过程(发生氧化反应)：M－ne－=Mn＋。(3)金属腐蚀的分类根据金属或合金与接触的介质不同，金属腐蚀一般可分为化学腐蚀和电化学腐蚀两大类。2．电化学腐蚀的类型和原理根据电解质溶液的酸碱性不同，电化学腐蚀分为析氢腐蚀和吸氧腐蚀。(1)析氢腐蚀在潮湿的空气中，钢铁表面形成一层薄薄的水膜，若水膜中溶解有CO2、SO2、H2S等气体，其与水反应生成的酸电离使水膜中含有一定量的H＋。此时电解质溶液酸性较强，在钢铁表面构成无数微小的原电池，其中Fe和C分别作负极和正极。Fe在负极失去电子发生氧化反应，H＋在正极得到电子发生还原反应，电子从负极流向正极。该过程中发生的原电池反应：负极为Fe－2e－=Fe2＋，正极为2H＋＋2e－=H2↑，总反应为Fe＋2H＋=Fe2＋＋H2↑。(2)吸氧腐蚀①一般情况下，如果钢铁表面吸附的水膜酸性很弱或呈中性，但溶有一定量的氧气，就会发生吸氧腐蚀。腐蚀原理如图所示。发生的电极反应如下：负极(Fe)：2Fe－4e－=2Fe2＋(氧化反应)正极(C)：2H2O＋O2＋4e－=4OH－(还原反应)总反应：2Fe＋O2＋2H2O=2Fe(OH)2②铁锈的形成过程Fe(OH)2继续与空气中的O2作用，生成Fe(OH)3，即4Fe(OH)2＋O2＋2H2O=4Fe(OH)3，Fe(OH)3脱去部分水生成Fe2O3·nH2O(铁锈的主要成分)，即2Fe(OH)3=Fe2O3·nH2O＋(3－n)H2O。铁锈疏松地覆盖在钢铁表面，不能阻止钢铁继续腐蚀。[名师点拨](1)析氢腐蚀和吸氧腐蚀取决于金属表面电解质溶液的酸碱性，实际情况中以吸氧腐蚀为主。(2)判断金属的腐蚀类型要从本质入手，化学腐蚀和电化学腐蚀的本质区别在于是否产生电流。腐蚀过程中有电流产生的为电化学腐蚀，无电流产生的为化学腐蚀。(3)电化学腐蚀中，只有在金属活动性顺序中位于氢之前的金属才可能发生析氢腐蚀，而位于氢之后的金属只能发生吸氧腐蚀，吸氧腐蚀是金属腐蚀的主要形式。巩固·练习1．下列说法正确的是()A．在生产和生活中，化学腐蚀比电化学腐蚀普遍，危害更大B．大多数金属腐蚀的原因是发生氧化还原反应C．化学腐蚀的速度随着温度的升高而加快D．化学腐蚀和电化学腐蚀过程中都产生电流2．某研究小组对铁生锈的条件进行研究。请回答下列问题：(1)甲同学设计了A、B、C一组实验(如图所示)，探究铁生锈的条件。经过较长时间后，甲同学观察到A中铁钉生锈；B中铁钉不生锈；C中铁钉不生锈。①通过分析上述实验现象，可得出铁生锈的外部条件是____________________________；②铁钉发生电化学腐蚀的正极反应式为___________________________________________；③实验B所用的水要经过________处理，植物油的作用是__________________________；④实验C中碱石灰的作用是_________________________________________。(2)乙同学设计了实验D(如图所示)，一段时间后，发现试管中的液面升高，其原因是________________________________________________________________________。二、金属的电化学防护活动·探究[实验]探究牺牲阳极的阴极保护法保护铁实验操作(1)以Fe作被保护电极，以Zn作辅助电极，以经过酸化的3%NaCl溶液作电解质溶液，按下图所示连接装置。观察电流表指针的变化以及烧杯中两个电极附近发生的现象；(2)过一段时间，用胶头滴管从Fe电极区域取出少量溶液于试管中，再向试管中滴入2滴K3[Fe(CN)6](铁氰化钾)溶液，观察试管中溶液颜色的变化实验装置实验现象(1)电流表指针发生偏转，Fe电极上有气泡产生；(2)试管中滴入K3[Fe(CN)6]溶液未出现特殊蓝色沉淀[思考交流]1．该实验装置是电化学装置中的原电池还是电解池？指出装置中的电极名称并写出电极反应式。2．一段时间后，从Fe电极区域取出少量溶液于试管中，加入2滴K3[Fe(CN)6]溶液的目的是什么？若铁电极区域有Fe2＋存在，会出现什么现象？写出反应的离子方程式。3．通过上述实验得出的实验结论是什么？为什么要向船体上镶嵌锌块？该保护船体的方法的名称是什么？4．常见的白铁皮是在薄钢板表面镀上一层锌，罐装食品用的马口铁是在薄钢板表面上镀上一层锡，若上述两种钢铁制品的表面出现破损时，白铁皮和马口铁中哪一种更容易受到腐蚀？其原因是什么？5．你还能想出哪些防止金属Fe发生腐蚀的措施？能防止金属腐蚀的原理是什么？归纳·总结1．金属防护的原理金属防护就是防止金属的腐蚀，要解决的主要问题是使金属不被氧化，应从金属腐蚀的化学反应原理、腐蚀的类型等方面来确定金属防护的具体方法。2．金属防护的方法(1)改变金属材料的组成如把铬、镍等加入普通钢里制成不锈钢，就大大增加了钢铁对各种侵蚀的抵抗力。(2)在金属表面覆盖保护层在金属表面覆盖致密的保护层，从而使金属制品与周围物质(外界空气、水、电解质溶液等)隔离，这是一种普遍采用的防护方法。①非金属保护层：如喷油漆、涂油脂。②金属保护层：如在钢铁表面镀一层锌、锡、铬、镍等。(3)电化学防护法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原理原理形成原电池时，被保护的金属作正极(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。负极(阳极)要定期予以更换将被保护的金属与另一附加电极作为电解池的两个极，使被保护的金属作阴极，在外加直流电的作用下使阴极得到保护应用保护一些钢铁设备，如锅炉内壁、船体外壳等装上镁合金或锌块保护土壤、海水及水中的金属设备实例示意图[名师点拨](1)金属表面覆盖保护层的其他方法①用化学方法在钢铁部件表面进行发蓝处理(生成一层致密的Fe3O4薄膜)。②利用阳极氧化处理铝制品的表面，使之形成致密的氧化膜而钝化。(2)Fe2＋与[Fe(CN)6]3－反应生成带有特征蓝色的铁氰化亚铁沉淀：3Fe2＋＋2[Fe(CN)6]3－=Fe3[Fe(CN)6]2↓，此反应可用于检验Fe2＋。巩固·练习1．下列有关远洋轮船船壳腐蚀与防护叙述错误的是()A．可在船壳外刷油漆进行保护B．可将船壳与电源的负极相连进行保护C．可在船底安装锌块进行保护D．在海上航行时，船壳主要发生析氢腐蚀2．下列防止金属腐蚀的做法不可行的是()A．在某些工具的机械转动部位刷油漆以防生锈B．衣架和电线外面包上一层塑料层以防生锈C．在钢材制造的大型船舶上装上一定数量的锌块D．自行车的钢圈和车铃上镀上一层铬，既耐腐蚀又美观耐磨能力提升《我在故宫修文物》这部纪录片里关于古代青铜器的修复引起了某研学小组的兴趣。“修旧如旧”是文物保护的主旨。(1)查阅高中教材得知铜锈为Cu2(OH)2CO3，俗称铜绿，可溶于酸。请写出铜绿与盐酸反应的化学方程式。(2)继续查阅中国知网，了解到铜锈的成分非常复杂，主要成分有Cu2(OH)2CO3和Cu2(OH)3Cl。考古学家将铜锈分为无害锈和有害锈，结构如图所示：Cu2(OH)2CO3和Cu2(OH)3Cl分别属于无害锈和有害锈，请解释原因。(3)如图为青铜器在潮湿环境中发生电化学腐蚀生成有害锈Cu2(OH)3Cl的原理示意图。=1\*GB3①写出在发生电化学腐蚀的过程中正极的电极反应式。②若生成2.145gCu2(OH)3Cl，计算理论上消耗标准状况下氧气的体积。③文献显示有害锈的形成过程中会产生CuCl(白色不溶于水的固体)：写出过程Ⅰ中负极的电极反应式。(4)BTA保护法是青铜器修复中最常用的方法之一，原理如图所示：请分析BTA保护法可能的优点。[思维建模]解答有关金属防护措施问题的思维流程如下：举一·反三1．某同学利用如图所示装置探究金属的腐蚀与防护条件{已知Fe2＋遇K3[Fe(CN)6]溶液生成蓝色沉淀}。下列说法不合理的是()A.①区Cu电极上产生气泡，Fe电极附近滴加K3[Fe(CN)6]溶液后出现蓝色沉淀，Fe被腐蚀B．②区Cu电极附近滴加酚酞试液后变成红色，Fe电极附近滴加K3[Fe(CN)6]溶液出现蓝色沉淀，Fe被腐蚀C．③区Zn电极的电极反应为Zn－2e－=Zn2＋，Fe电极附近滴加K3[Fe(CN)6]溶液未出现蓝色沉淀，Fe被保护D．④区Zn电极的电极反应为2H2O＋2e－=H2↑＋2OH－，Fe电极附近滴加K3[Fe(CN)6]溶液出现蓝色沉淀，Fe被腐蚀2．钢铁的防护方法有多种，图中的方法描述正确的是()A．b为电源负极B．该方法是牺牲阳极的阴极保护法C．电子流向：a→钢铁闸门→辅助电极→b→aD．电源改用导线连接进行防护时，辅助电极发生氧化反应当堂检测1．如图表示钢铁在海水中的锈蚀过程，以下有关说法正确的是()A．该金属腐蚀过程为析氢腐蚀B．正极为C，发生的反应为氧化反应C.在酸性条件下发生的是吸氧腐蚀D．正极反应为O2＋2H2O＋4e－=4OH－2．将铁粉和活性炭的混合物用NaCl溶液湿润后，置于如图所示装置中，进行铁的电化学腐蚀实验。下列有关该实验的说法正确的是()A．铁被氧化的电极反应式为Fe－3e－=Fe3＋B．铁腐蚀过程中化学能全部转化为电能C．活性炭的存在会加速铁的腐蚀D．以水代替NaCl溶液，铁不能发生吸氧腐蚀3．下列与金属腐蚀有关的说法中，正确的是()A．图甲中，铁钉易被腐蚀B．图乙中，滴加少量KSCN溶液，溶液变为红色C．图丙中，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．图丁中，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正极4．我国多条高压直流电线路的瓷绝缘子出现铁帽腐蚀现象，在铁帽上加锌环能有效防止铁帽的腐蚀，防护原理如图所示。下列说法错误的是()A．通电时，锌环为阳极，发生氧化反应B．通电时，阴极上的电极反应：2H2O＋2e－=H2↑＋2OH－C．断电时，锌环上的电极反应：Zn2＋＋2e－=ZnD．断电时，仍能防止铁帽被腐蚀5．如图所示，容器中的试管内有一枚铁钉，放置数天后观察：(1)若容器内液体是水，铁钉逐渐生锈，则铁钉的腐蚀属于________腐蚀。(2)若试管内液面上升，则原溶液呈______________性，发生________腐蚀，负极的电极反应为______________________，正极的电极反应为__________________________。(3)若试管内液面下降，则原溶液呈______________性，发生________腐蚀，负极的电极反应为______________________，正极的电极反应为_____________________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参考答案知识梳理一、活动·探究[思考交流]1．提示：导管中水柱上升，铁粉表面生锈；产生这种现象的原因是铁粉在潮湿的环境中发生吸氧腐蚀。电极反应，负极：2Fe－4e－=2Fe2＋，正极：O2＋2H2O＋4e－=4OH－，由于盛铁粉的具支试管中不断消耗O2而使体系内的压强减小，从而引起水的倒吸。2．提示：导管中水柱下降，铁粉表面生锈；产生这种现象的原因是铁粉在潮湿的、酸性较强的环境中发生了析氢腐蚀。电极反应，负极：Fe－2e－=Fe2＋，正极：2H＋＋2e－=H2↑，产生的H2使体系内的压强增大，从而使导管中的水柱下降。3．提示：若换为盐酸，则实验中会发生铁与盐酸的化学腐蚀，同时也有电化学腐蚀。4．提示：相同点是都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。巩固·练习1．【答案】C【解析】电化学腐蚀比化学腐蚀普遍，危害更大，A项错误；所有金属腐蚀的原因均为发生氧化还原反应，B项错误；温度升高，化学反应速率增大，C项正确；化学腐蚀过程中无电流产生，电化学腐蚀过程中有微弱的电流产生，D项错误。2．【答案】(1)①有水(或电解质溶液)和氧气(或空气)②O2＋4e－＋2H2O=4OH－③煮沸隔绝空气中的氧气和水蒸气④吸收水蒸气(2)铁腐蚀吸收氧气，造成试管内气体体积减小，试管内压强减小【解析】对比A、B、C中现象可知铁生锈的外部条件是有水(或电解质溶液)和氧气(或空气)。铁钉生锈所处的环境为中性环境时，发生吸氧腐蚀，正极反应式为O2＋4e－＋2H2O=4OH－。二、活动·探究[思考交流]1．提示：Zn、Fe和经过酸化的NaCl溶液构成原电池；其中Zn作负极，电极反应式：Zn－2e－=Zn2＋；Fe作正极，电极反应式：2H＋＋2e－=H2↑。2．提示：加入K3[Fe(CN)6]溶液的目的是检验铁电极是否发生反应生成Fe2＋；若铁电极区域有Fe2＋生成，加入K3[Fe(CN)6]后会产生蓝色沉淀，反应的离子方程式为3Fe2＋＋2[Fe(CN)6]3－=Fe3[Fe(CN)6]2↓(蓝色)。3．提示：Zn-Fe-电解质溶液构成的装置中，铁未被腐蚀，即受到了保护。向船体上镶嵌锌块的目的是在Zn-Fe-海水构成的原电池装置中，牺牲锌块而保护船体不受腐蚀；该保护船体的方法的名称是牺牲阳极的阴极保护法。4．提示：马口铁中的铁更容易被腐蚀。原因是马口铁中的铁比锡活泼，形成原电池时，铁作负极而被腐蚀；白铁皮中锌比铁活泼，形成原电池时，铁作正极而受到保护。5．提示：(1)在金属制品表面覆盖保护层，原理：避免金属与潮湿的环境接触构成原电池而发生腐蚀。(2)让被保护的金属与外接直流电源的负极相连，充当电解池的阴极而被保护。巩固·练习1．【答案】D【解析】在船壳外刷油漆可以防止金属和海水、空气接触，所以在船壳外刷油漆可以对船壳进行保护，故A正确；将船壳与电源的负极相连，即船壳为阴极，阴极材料不易被腐蚀，在电解池的阴极金属被保护，故B正确；在船底安装锌块，形成原电池，金属锌作负极，被腐蚀，正极材料Fe被保护，故C正确；海水是中性环境，金属会发生吸氧腐蚀，即在海上航行时，船壳主要发生吸氧腐蚀，故D错误。2．【答案】A【解析】在某些工具的机械转动部位刷油漆，能隔绝空气和水，但转动部位的漆易脱落，应该涂油，故A错误；衣架和电线外面包上一层塑料层，能隔绝空气和水，所以能防止生锈，故B正确；在钢材制造的大型船舶上装上一定数量的锌块，Fe、Zn和海水构成原电池，Zn易失电子作负极，Fe作正极，所以Fe被保护，故C正确；自行车的钢圈和车铃上镀上一层铬，能隔绝空气和水，且铬不易发生腐蚀，所以能防止铁生锈，故D正确。能力提升(1)提示：Cu2(OH)2CO3＋4HCl=2CuCl2＋3H2O＋CO2↑。(2)提示：结合图可知，Cu2(OH)2CO3为致密结构，可以阻止潮湿空气进入内部进一步腐蚀铜，属于无害锈。Cu2(OH)3Cl为疏松结构，潮湿空气可以进入空隙内将内部的铜进一步腐蚀，属于有害锈。(3)①提示：正极的电极反应式为O2＋4e－＋2H2O=4OH－。②提示：n[Cu2(OH)3Cl]＝eq\f(2.145g,214.5g·mol－1)＝0.01mol，根据得失电子守恒可得n(O2)＝0.01mol×2×2÷4＝0.01mol，故在标准状况下氧气的体积为V＝0.01mol×22.4L·mol－1＝0.224L。③提示：结合图可知，过程Ⅰ中Cu作负极，电极反应式是Cu－e－＋Cl－=CuCl。(4)提示：在青铜器表面形成一层致密的透明保护膜；能够替换出锈层中的Cl－，能够高效除去有害锈；此法不破坏无害锈，可以保护青铜器的艺术价值，做到“修旧如旧”。举一·反三1．【答案】A【解析】①区发生吸氧腐蚀，Cu为正极，电极反应为O2＋2H2O＋4e－=4OH－，Cu电极上不产生气泡，A项错误；②区Cu为阴极，电极反应为2H2O＋2e－=H2↑＋2OH－，Cu电极附近溶液碱性增强，滴加酚酞试液后变成红色，Fe为阳极，被腐蚀，电极反应为Fe－2e－=Fe2＋，Fe电极附近滴加K3[Fe(CN)6]溶液出现蓝色沉淀，B项正确；③区Zn为负极，电极反应为Zn－2e－=Zn2＋，Fe为正极，被保护，C项正确，④区Zn为阴极，电极反应为2H2O＋2e－=H2↑＋2OH－，Fe为阳极，被腐蚀，电极反应为Fe－2e－=Fe2＋，Fe电极附近滴加K3[Fe(CN)6]溶液出现蓝色沉淀，D项正确。2．【答案】D【解析】从图示可知，由于有外加电源，故此防护方法为外加电流的阴极保护法，B错误；在外加电流的阴极保护法中，钢铁作电解池的阴极，即a为电源的负极，则b为电源的正极，故A错误；在电解池中，电子由电解池的阳极→电源的正极，电源的负极→电解池的阴极，溶液中通过离子导电而不是电子，故C错误；电源改用导线连接进行防护时，即牺牲阳极的阴极保护法，则辅助电极要作负极，发生氧化反应，故D正确。当堂检测1．【答案】D【解析】钢铁中含有铁和碳，在潮湿的环境中构成原电池，铁作负极，碳作正极，从图中可以看出，空气中的O2参