2014年高中化学选修四教学案4-4 金属的电化学腐蚀与防护

发布时间:2021-08-05 06:43:21

第四节 金属的电化学腐蚀与防护
●课标要求 1.能解释金属发生电化学腐蚀的原因。 2.认识金属腐蚀的危害。 3.通过实验探究防止金属腐蚀的措施。 ●课标解读 1.从原电池原理分析金属发生电化学腐蚀的原因及危害。 2.用原电池、电解池的原理采取措施,防止金属腐蚀。 ●教学地位 在学*了原电池原理及电解池原理的基础上展开,介绍了金属腐蚀造成的严重危害、电 化学腐蚀的原理及防止金属腐蚀的几种方法,重点是掌握金属电化学腐蚀(析氢腐蚀和吸氧 腐蚀)的本质(金属表面形成了微型原电池),同时指出,人们根据对金属电化学腐蚀本质的认 识,发现了防护金属电化学腐蚀的方法。本节内容是本章理论知识的实际应用,有利于培养 学生发现问题、分析问题、解决问题的能力。
●新课导入建议
耸立于美国纽约港外一个海岛上 15 层楼高的自由女神铜像,历来被认为是美利坚合众
1

国的象征。然而,经过*百年的风风雨雨,它和人一样,已经生“病”了。 自由女神铜像*百年来一直受着一种“疾病”的折磨,那就是电化学腐蚀。“自由女
神”的外壳材料是铜,而支撑整个雕像的内支架却是铁的,在它们之间仅用一层浸透油的毛 毡隔开。随着时光的流逝,那一层毛毡失去了隔离作用,而大西洋夹带着盐分的潮湿空气不 断地向自由女神“攻击”,无数的原电池便在“自由女神”的身上形成了。这种原电池以铁 为负极,铜为正极,夹带盐分的湿空气正好在两极之间起着电解质溶液的作用,结果加速了 铁的腐蚀。面对自由女神雕像的腐蚀问题,应采取什么措施和方法?
【提示】 连接一活泼金属,如 Zn,阻止自身形成 Fe、Cu 原电池,使 Fe、Cu 作原电

池正极,而被保护。

●教学流程设计

步骤 1:导入新课、本课时教材地位分析。?步骤 2:师生互动完成“探究 1,化学腐

蚀和电化腐蚀的比较”,可利用【问题导思】中的内容,由浅入深地进行。?步骤 3:教师

通过【例 1】和教材 P84~85 页教材研析,对“探究 1”的内容进行总结。?步骤 4:在教师引 导下学生完成【变式训练 1】和【当堂双基达标】中的 1、2 两题,验证学生对探究 1 的掌

握情况。

?

步骤 8:先让学生自主总结本课时学*的主要知识,然后对照【课堂小结】以明确掌握

已学的内容,安排学生课下完成【课后知能检测】。?步骤 7:在教师指导下学生自主完成【变

式训练 2】和【当堂双基达标】中的 3、4 两题,验证学生对探究 2 的理解掌握情况。?步骤

6:教师通过例 2 的讲解,对“探究 2”进行总结。?步骤 5:师生互动完成“探究 2”。

课标解读

重点难点

1.了解金属腐蚀的原因。

1.金属电化学腐蚀的原因及反应原理。(重难点)

2.了解防止金属腐蚀的方法。 2.金属电化学防护的方法。(重点)

2

金属的电化学腐蚀

1.金属的腐蚀

金属 的腐

概念

金属腐蚀是指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



特征

金属被腐蚀后,在外形、色泽以及机械性能方面会发生变化

本质

金属腐蚀的本质是金属失去电子变成阳离子,发生氧化反应

类 化学 金属与接触到的干燥气体(如 O2、Cl2、SO2 等)或非电解质液体(如石

型 腐蚀

油)等直接发生化学反应而引起的腐蚀

电化 不纯的金属与电解质溶液接触时,会发生原电池反应,比较活泼的

学腐 金属失去电子而被氧化的腐蚀。电化学腐蚀比化学腐蚀更普遍,危



害更大

2.电化学腐蚀

(1) 析氢腐蚀含义:金属表面的电解质溶液酸性较强。腐蚀

过程有 H2 放出电极反应负极:Fe-2e-===Fe2+正极:2H++2e-===H2↑总反应:Fe+ 2H+===Fe2++H2↑
(2) 吸氧腐蚀含义:钢铁表面吸附的水膜,酸性很弱或呈

中性、碱性时,氧气参加电极反应电极

反 应 负 极 : 2Fe - 4e - ===2Fe2 + 正 极 : O2 + 2H2O + 4e - ===4OH - 总 反 应 : 2Fe + O2 + 2H2O===2Fe(OH)2

1.钢铁发生吸氧腐蚀生成 Fe(OH)2,最终生成铁锈的原因是什么?(用化学方程式表示) 【提示】 4Fe(OH)2+O2+2H2O===4Fe(OH)3

2Fe(OH)3

Fe2O3+3H2O

1.牺牲阳极的阴极保护法

金属的电化学防护
3

应用原电池原理,让被保护金属作正极,另找一种活泼性较强的金属作负极。 2.外加电流的阴极保护法 利用电解池原理,把被保护的钢铁设备作为阴极,用惰性电极作为辅助阳极,两者在电 解质溶液里,接外加直流电源。

2.电化学防护的实质是什么? 【提示】 把被保护的金属作原电池正极或电解池阴极,不参与电极反应,从而不被氧 化。

化学腐蚀与电化学腐蚀的比较 【问题导思】 ①纯铁和生铁分别与等浓度的盐酸反应,哪种反应更快?

【提示】 生铁(因为形成原电池)

②自然界中,钢铁的腐蚀以哪种形式为主?

【提示】 电化学腐蚀。

化学腐蚀

电化学腐蚀 (主要)

金属跟接触到的干燥气体

定义

或非电解质液体等直接发

生化学反应而引起的腐蚀

不纯金属与电解质溶液接触时,会发生

原电池反应,比较活泼金属原子失去电

子而被氧化引起的腐蚀。

吸氧腐

蚀(主要)

析氢腐蚀

条件

金属与非金属(非电解质) 直接接触

水膜中溶有 O2,呈极弱酸
性或中性

水膜 酸性 较强

区别

无电流产生

有微弱电流产 生

4

反应式 ===2FeCl3 负极:Fe-2e-===Fe2+ 正极:2H2O+O2 +4e-===4OH- ===H2↑
联系

2Fe+3Cl2
正极:2H++2e- 两种腐蚀往往同时发生, 电化学腐蚀比化学腐蚀更
普遍、危害更大

化学腐蚀与电化学腐蚀虽然发生腐蚀的过程不同,但其实质相同,都是金属元素被氧化。

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 内容


实验现象

1 常温下将铁丝放在干燥空气中一个月

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

将浸过氯化钠溶液的铁丝放在高于常温的氧气流中 铁丝表面灰暗程度比实验 5 严

6

一小时



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)。

5

【解析】 解答第(1)题应注意联系金属的化学腐蚀与电化学腐蚀的区别,不纯的金属 与电解质溶液接触,因发生原电池反应,较活泼的金属失电子而被氧化,分析题中实验可知, 实验 3、4、5、6 发生了电化学腐蚀,其中负极反应是 Fe-2e-===Fe2+,正极反应是 O2+ 2H2O+4e-===4OH-。
解答第(2)题时,对比实验 1 和 3 可得出湿度增大,可使铁锈蚀速率加快;对比实验 2、 4 可知增大 O2 浓度可加快铁锈蚀的速率;对比实验 4、5 可知升高温度可加快铁锈蚀的速率; 对比实验 5、6 可知电解质的存在会使铁锈蚀的速率加快。
第(3)题,为防止铁的锈蚀,根据铁锈蚀的类型,可采用牺牲阳极的阴极保护法、外加 电流的阴极保护法,还可把铁制成不锈钢(合金)、亦可采用喷油漆、涂油脂、电镀、表面钝 化等方法使铁与空气、水等物质隔离,以防止金属腐蚀。
【答案】 (1)3、4、5、6 Fe-2e-===Fe2+(或 2Fe-4e-===2Fe2+) 2H2O+O2+4e-===4OH- (2)温度、湿度、O2 的浓度、电解质存在 (3)电镀、烤蓝等表面覆盖保护层,牺牲阳极的阴极保护法、外加电流的阴极保护法等(答 案合理即可)
1.用铝制饭盒盛放醋酸,一段时间后,饭盒被腐蚀,该种腐蚀属于________,反应的 化学方程式可表示为__________________,若用铝制饭盒盛放食盐水,一段时间后,饭盒被 腐蚀,这种腐蚀属于________,反应原理是
_____________________________________________ (写电极反应式和总反应方程式)。 【解析】 铝制饭盒盛放醋酸,铝与醋酸直接反应使铝氧化而损耗,属于化学腐蚀,铝 制饭盒盛食盐水时,则能形成原电池,因而发生的是电化学腐蚀。 【答案】 化学腐蚀 2Al+6CH3COOH===2Al(CH3COO)3+3H2↑ 电化学腐蚀 负极:4Al-12e-===4Al3+,正极:6H2O+3O2+12e-===12OH- 总反应 方程式:4Al+6H2O+3O2===4Al(OH)3
金属腐蚀快慢的判断以及金属的防护
6

【问题导思】 ①把生铁放在水中与放在食盐水中,哪个腐蚀的快? 【提示】 食盐水中。
②轮船的外壳装有镁合金或锌块,其作用是什么? 【提示】 保护船体。
1.判断金属腐蚀快慢的规律 (1)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)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。 (3)活泼性不同的两种金属,构成原电池活动性差别越大,腐蚀越快。 (4)对同一种电解质溶液来说,一般是电解质溶液浓度越大,腐蚀越快。 2.金属的防护
金属防护 改变金属内部结构而增强抗腐蚀能力——不锈钢
金属表面 覆盖保护层 涂矿物油、油漆或覆盖搪瓷、塑料 镀抗蚀金属——电镀、热镀、喷镀法 用化学方法使其表面形成一层致密的氧化膜,金属的钝化
电化学 保护法 外加电流的阴极保护法 牺牲阳极的阴极保护法

量的四分之一。

钢铁很容易生锈而被腐蚀,每年因腐蚀而损失的钢材占世界钢铁年产

(1)钢铁腐蚀主要是吸氧腐蚀,该腐蚀过程中的电极反应式为:
7

正极:__________________________________,

负极:___________________________________。

(2)为了降低某水库的铁闸门被腐蚀的速率,可以采用甲图所示的方案,其中焊接在闸

门上的固体材料 R 可以采用________。

A.铜

B.钠

C.锌

D.石墨

(3)乙图所示的方案也可以降低铁闸门的腐蚀速率,其中铁闸门应该连接在直流电源的

________极。

【解析】 (1)发生吸氧腐蚀时,负极上 Fe 失去电子,正极上 O2 得到电子。

(2)铁闸门上连接一块比铁活泼的金属如锌,就可由锌失去电子,锌被溶解,而铁被保

护,属于牺牲阳极的阴极保护法。

(3)属于外加电流的阴极保护法,需把被保护的铁闸门连接在电源的负极。
【答案】 (1)O2+2H2O+4e-===4OH- 2Fe-4e-===2Fe2+ (2)C (3)负

2.如图各烧杯中盛有海水,铁在其中被腐蚀由快到慢的顺序为( )

A.②①③④ C.④②①③

B.④③①②

D.③②④①

【解析】 ①中 Fe 放置在海水中,形成了无数微小原电池,发生电化学腐蚀。②③④

均构成了原电池。②中 Fe 的活泼性强于 Sn,Fe 作负极发生了电化学腐蚀;③中 Zn 的活泼

性比 Fe 强,Zn 作负极被腐蚀,而 Fe 被保护;④中 Fe 的活泼性远远强于 Cu,所以 Fe 作负

极被腐蚀,并且②中形成的电流弱于④中电流,所以④中 Fe 比②腐蚀得快,①比②腐蚀得

慢。因此 Fe 被腐蚀由快到慢的顺序为④②①③。 【答案】 C

8

【教师备课资源】
下图中,铁腐蚀由快到慢的顺序为(电解质溶液为水)________。
【解析】 ①中由于水中溶解了氧气,铁与杂质碳会形成原电池,发生电化学腐蚀;② 中铁在油中,氧气难以溶解,无电解质溶液,不能形成原电池;③、④都形成原电池,但③ 中铁为正极,受到保护;④中铁为负极,被氧化;⑤、⑥都形成了电解池;⑤中铁与电源的 正极相连,作阳极,氧化速率加快;⑥中铁与电源的负极相连,作阴极,受到保护。所以铁 腐蚀由快到慢的顺序为⑤>④>①>②>③>⑥。
【答案】 ⑤>④>①>②>③>⑥
金属的腐蚀与防护金属的腐蚀实质 M-ne-===Mn+类型化学腐蚀电化学腐蚀吸氧腐蚀析 氢腐蚀影响因素和快慢比较金属的防护覆盖保护层改变金属内部结构电化学保护法牺牲阳 极的阴极保护法外加电流的阴极保护法
1.以下现象与电化学腐蚀无关的是( ) A.镀锡铁器比镀锌铁器表面破损时更易被腐蚀 B.纯铁不容易生锈 C.镶有相邻的银牙和金牙容易引起头痛 D.输送氯气的钢管易被氯气腐蚀 【解析】 A 项中镀锡铁器表面破损时形成原电池,Fe 作负极,易被腐蚀,而镀锌铁 器表面破损时形成原电池,Fe 作正极,被保护。B 项中纯铁不能形成原电池,所以不容易 被腐蚀。C 项中相邻的银牙和金牙容易形成原电池产生电流,使人头痛恶心。D 项中铁和 Cl2 直接发生反应,为化学腐蚀,与电化学腐蚀无关。
9

【答案】 D 2.钢铁发生吸氧腐蚀时,正极上发生的电极反应是
A.2H++2e-===H2↑ B.Fe2++2e-===Fe C.2H2O+O2+4e-===4OH- D.Fe3++e-===Fe2+

()

【解析】 钢铁发生吸氧腐蚀,正极反应为 2H2O+O2+4e-===4OH-。

【答案】 C 3.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,若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层沥青,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 选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】 B 4.潜艇的金属外壳浸在海水中,在海水和空气的作用下会被腐蚀。 (1)若海水呈中性,一艘钢制外壳的潜艇在海水中发生腐蚀的电极反应式为: 正极:__________________________________, 负极:__________________________________。 (2)为有效地保护潜艇,下列措施中最好的是________。 A.采用纯铁制造潜艇外壳 B.采用耐腐蚀的合金制造潜艇外壳 C.在潜艇外壳上涂一层油 D.在潜艇外壳上装一定数量的锌块 【解析】 金属防护的方法很多,可以采取以下措施进行。

(1)改变金属的内部组织结构。合金钢中含有合金元素,使组织结构发生变化,耐腐蚀。

如不锈钢。

(2)在金属表面覆盖保护层。常见方式有:涂油脂、油漆或覆盖搪瓷、塑料等;使表面

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生成致密氧化膜;在表面镀一层有自我保护作用的另一种金属。 (3)电化学保护法:①外加电源的阴极保护法:接上外加直流电源构成电解池,被保护
的金属作阴极。②牺牲阳极的阴极保护法:外加负极材料,构成原电池,被保护的金属作正 极。
【答案】 (1)O2+2H2O+4e-===4OH- 2Fe-4e-===2Fe2+ (2)B
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