1.3金属的腐蚀与防护 学案(含答案)新苏教版选择性必修一
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1、1.3金属的腐蚀与防护明课程标准扣核心素养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。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。 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
2、墨水)的变化和试管中的现象。问题探讨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?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:2Fe4e=2Fe2,正极:O22H2O4e=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?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:Fe2e=Fe2,正极:2H2e=H2,产生的H2使体系内的压强增大,从而使导管中的水
3、柱下降。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?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化学腐蚀与电化学腐蚀的异同点是什么?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。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):Mne=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
4、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Fe2e=Fe2,正极为2H2e=H2,总反应为Fe2H=Fe2H2。(2)吸氧腐蚀一般情况下,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
5、示。发生的电极反应如下:负极(Fe):2Fe4e=2Fe2(氧化反应)正极(C):2H2OO24e=4OH(还原反应)总反应:2FeO22H2O=2Fe(OH)2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)2O22H2O=4Fe(OH)3,Fe(OH)3脱去部分水生成Fe2O3nH2O(铁锈的主要成分),即2Fe(OH)3=Fe2O3nH2O(3n)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
6、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。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解析:选C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
7、蚀过程中有微弱的电流产生,D项错误。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。通过分析上述实验现象,可得出铁生锈的外部条件是_;铁钉发生电化学腐蚀的正极反应式为_;实验B所用的水要经过_处理,植物油的作用是_;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_。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
8、蚀,正极反应式为O24e2H2O=4OH。答案:(1)有水(或电解质溶液)和氧气(或空气)O24e2H2O=4OH煮沸隔绝空气中的氧气和水蒸气吸收水蒸气(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 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K3Fe(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
9、,Fe电极上有气泡产生;(2)试管中滴入K3Fe(CN)6溶液未出现特殊蓝色沉淀问题探讨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。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:Zn2e=Zn2;Fe作正极,电极反应式:2H2e=H2。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K3Fe(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。提示:加入K3Fe(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K3Fe(CN)6后会产生蓝
10、色沉淀,反应的离子方程式为3Fe22Fe(CN)63=Fe3Fe(CN)62(蓝色)。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?提示:ZnFe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ZnFe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?提示:马口铁中的铁更容易被腐蚀。原因是马口铁中的铁比
11、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?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。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
12、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。非金属保护层:如喷油漆、涂油脂。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
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