人教版高中化学选修四 44 金属的电化学腐蚀与防护 学案.docx
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人教版高中化学选修四44金属的电化学腐蚀与防护学案
第四章电化学基础
第四节金属的电化学腐蚀与防护
学习目标
1.了解金属腐蚀及其危害。
2.了解金属电化学腐蚀的原因及反应原理。
(重点)
3.了解金属防护的方法,特别是电化学防护的方法。
(重点)
一.金属的电化学腐蚀
基础知识梳理
(一)金属的腐蚀
化学腐蚀
电化学腐蚀
条件
金属与接触到的物质直接反应
不纯金属接触到电解质溶液发生
反应
本质
M-ne-===Mn+
现象
金属被腐蚀
较活泼金属被腐蚀
区别
无电流产生
有微弱电流产生
联系
普遍性:
腐蚀比化学腐蚀普遍得多,危害也更严重
(二)钢铁的电化学腐蚀
析氢腐蚀
吸氧腐蚀
水膜环境
水膜呈
水膜呈弱酸性或中性
负极反应
Fe-2e-===Fe2+
2Fe-4e-===2Fe2+
正极反应
2H++2e-===H2↑
O2+4e-+2H2O===4OH-
总反应
Fe+2H+===Fe2++H2↑
2Fe+O2+2H2O===2Fe(OH)2
4Fe(OH)2+O2+2H2O===4Fe(OH)3
联系
腐蚀更普遍
互动探究
[思考探究]
实验1:
将经过酸洗除锈的铁钉,用饱和食盐水浸泡一下,放入下图所示的具支试管中。
一段时间后,观察导管中水柱和铁钉的变化。
如图1。
图1 图2
实验2:
向100mL烧杯中加入约50mL饱和食盐水后,插入两个玻璃筒(无底);将一个无锈铁钉和一个碳棒分别用导线与电流计连接后,再分别插入两个玻璃筒中。
如图2。
问题思考:
(1)实验1的实验现象是什么?
铁钉为什么会生锈?
说明什么问题?
请分析变化的原因。
(2)实验2的电流计的指针是否偏转?
说明什么问题?
若向实验2的插入碳棒的玻璃筒内滴入酚酞溶液,将会看到什么现象?
说明什么问题?
请写出相关电极反应式。
(3)若将实验1和实验2的溶液换为盐酸(均足量)。
实验1存在哪些形式的化学腐蚀?
实验2中是否有电流通过?
写出相关电极反应式。
归纳总结
1.金属腐蚀类型的判断方法
(1)根据是否发生原电池反应来判断。
发生原电池反应引起的金属腐蚀,属于电化学腐蚀,否则属于化学腐蚀。
(2)根据金属的活动性及电解质溶液的酸性判断,位于金属活动性顺序表中氢前面的金属,在酸性较强的电解质溶液中发生析氢腐蚀,在中性或酸性较弱的电解质溶液中发生吸氧腐蚀;金属活动性顺序在氢后面的金属只可能发生吸氧腐蚀。
2.影响钢铁腐蚀的因素
水、空气、电解质溶液、不活泼金属杂质的存在。
即时训练
1.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+
2.如图为模拟铁生锈的实验。
铁粉中均匀混有少量炭粉,撒入内壁已分别用氯化钠溶液和稀醋酸润湿过的甲、乙两个具支试管中,打开止水夹片刻后,下列有关该实验的说法合理的是( )
A.甲装置导管口有气泡,乙装置导管内出现一段液柱
B.甲装置中发生的电化学腐蚀主要是析氢腐蚀
C.乙装置中发生的电化学腐蚀主要是吸氧腐蚀
D.乙装置导管口有气泡冒出
3.如图所示,水槽中试管内有一枚铁钉,放置数天后观察:
(1)铁钉在逐渐生锈,则铁钉的腐蚀属于__________腐蚀(填“化学”或“电化学”)。
(2)若试管内液面上升,则原溶液呈__________性,发生____________腐蚀,电极反应式:
负极:
________________________________________________;
正极:
________________________________________________________。
(3)若试管内液面下降,则原溶液呈__________性,发生____________腐蚀,电极反应为负极_____________________;正极:
________________。
4.研究电化学腐蚀及防护的装置如图所示。
下列有关说法错误的是( )
A.d为石墨,铁片腐蚀加快
B.d为石墨,石墨上电极反应为O2+2H2O+4e-===4OH-
C.d为锌块,铁片不易被腐蚀
D.d为锌块,铁片上电极反应为2H++2e-===H2↑
5.用压强传感器探究生铁在pH=2和pH=4的醋酸溶液中发生腐蚀的装置及得到的图像如下:
分析图像,以下结论错误的是( )
A.溶液pH≤2时,生铁发生析氢腐蚀
B.在酸性溶液中生铁可能发生吸氧腐蚀
C.析氢腐蚀和吸氧腐蚀的速率一样快
D.两溶液中负极反应均为Fe-2e-===Fe2+
二.金属的电化学防护
基础知识梳理
(一)金属的电化学防护
1.牺牲阳极的阴极保护法
应用 原理,让被保护金属做 极,一种活泼性较强的金属做 极,用导线相连。
2.外加电流的阴极保护法
利用 原理,把被保护的钢铁设备作为 极,用惰性电极作为辅助 极。
在电解质溶液里,接外加 电源。
(二)金属的其他保护方法
1.把金属制成防腐的 ,如不锈钢。
2.加保护层。
如喷油漆、涂油脂、电镀、喷镀或表面钝化。
互动探究
[思考探究]
按如图所示连接好装置;往Fe电极区滴入2滴黄色K3[Fe(CN)6](铁氰化钾)溶液。
已知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↓。
问题思考:
(1)电压表指针有何变化?
为什么?
(2)Zn、Fe两个电极上发生了什么反应?
(3)在这种装置中有没有Fe2+产生?
说明了什么问题?
(4)若用该方法对金属进行防护,则被保护金属作为原电池的哪个电极?
(5)若改用外加直流电源对金属进行防护,则被保护金属应与电源哪个电极连接?
归纳总结
1.金属腐蚀快慢比较
(1)在同一电解质溶液中:
电解池原理引起的腐蚀>原电池原理引起的腐蚀>化学腐蚀>有防护措施的腐蚀。
(2)同一种金属在相同浓度不同介质中腐蚀由快到慢的顺序为强电解质溶液>弱电解质溶液>非电解质溶液。
(3)有无保护措施的腐蚀快慢顺序:
无保护措施的金属腐蚀>有一定保护措施的金属腐蚀>牺牲阳极的阴极保护法引起的金属腐蚀>有外加电流的阴极保护法引起的金属腐蚀。
(4)对同一种电解质溶液来说,电解质溶液浓度越大,腐蚀速率越快。
2.金属的防护措施与方法
3.金属防护的关键
(1)防止金属与氧化性介质直接接触。
(2)防止金属表面形成电解质溶液层。
(3)改善金属的内部结构。
即时训练
1.下列金属防腐的措施中,使用外加电流的阴极保护法的是( )
A.水中的钢闸门连接电源的负极
B.金属护栏表面涂漆
C.汽车底盘喷涂高分子膜
D.地下钢管连接镁块
2.下列叙述错误的是( )
A.生铁中含有碳,抗腐蚀能力比纯铁弱
B.用锡焊接的铁质器件,焊接处易生锈
C.在铁制品上镀铜时,镀件为阳极,铜盐为电镀液
D.铁管上镶嵌锌块,铁管不易被腐蚀
3.下图所示的各容器中盛有海水,铁在其中被腐蚀时由快到慢的顺序是( )
A.④>②>①>③ B.②>①>③>④
C.④>②>③>①D.③>②>④>①
4.某探究小组用铁钉被腐蚀的快慢实验来研究防止钢铁腐蚀的方法。
所用试剂有:
材质相同的无锈铁钉数枚,食盐水、碳酸水、植物油各多量,实验温度为298K、308K,每次实验取用铁钉的数量相同。
液体体积相同且足量,用大小相同的试管实验。
(1)请完成以下实验设计表,并在实验目的一栏中填出对应的实验编号:
实验编号
T/K
试管内取用液体
实验目的
①
298
食盐水
(Ⅰ)实验①和②探究不同电解质溶液对铁钉腐蚀快慢的影响;
(Ⅱ)实验①和________探究温度对铁钉腐蚀快慢的影响;
②
③
(Ⅲ)实验①和________探究铁钉是否接触电解质溶液对铁钉腐蚀快慢的影响
④
(2)请根据上述实验,判断下列有关钢铁制品防腐的说法正确的是________(填字母)。
A.在铁门、铁窗表面涂上油漆
B.自行车各部件因有防护涂层或电镀等防腐措施,所以不需要停放在能遮雨的地方
C.家用铁制厨具每次用完后应擦干放置在干燥处
D.把挡水铁闸门与直流电源的正极连接且构成回路,可减小铁闸门的腐蚀速率
参考答案
一.基础知识梳理
(一)原电池电化学化学
(二)酸性吸氧
互动探究
(1)实验1中导管中的水柱上升,铁钉生锈。
说明该过程铁钉被腐蚀。
铁钉发生的是吸氧腐蚀。
(2)电流计指针偏转。
说明有电流通过。
向碳棒一端加入酚酞,显红色。
说明该极的电极反应为O2+2H2O+4e-===4OH-。
(3)若换为盐酸,则实验1中会发生铁与盐酸的化学腐蚀,同时也有电化学腐蚀。
实验2中则发生电化学腐蚀。
正极:
2H++2e-===H2↑,负极:
Fe-2e-===Fe2+。
即时训练
1.
【解析】 钢铁发生吸氧腐蚀,正极反应为2H2O+O2+4e-===4OH-。
【答案】 C
2.
【解析】 甲图中的电解质溶液呈中性,所以发生的是吸氧腐蚀,A、B两项均错;乙图中的电解质溶液呈酸性,发生的是析氢腐蚀,有气体产生,C项错,D项正确。
【答案】 D
3.
【解析】 根据原电池的构成条件:
有两种不同的材料(Fe为负极,碳为正极),有电解质溶液,形成闭合回路,可知铁钉的腐蚀属于电化学腐蚀。
根据金属腐蚀的条件原理及结果可知:
试管内液面上升,说明是试管内压强减小,试管内气体被吸收所致,是铁钉吸氧腐蚀的结果,据此写出电极反应式;试管内液面下降,说明是试管内气体压强变大,试管内产生了新气体所致,是铁钉析氢腐蚀的结果,据此写出电极反应式。
【答案】
(1)电化学
(2)弱酸性或中 吸氧 2Fe-4e-===2Fe2+
O2+4e-+2H2O===4OH-
(3)较强的酸 析氢 Fe-2e-===Fe2+ 2H++2e-===H2↑
4.
【解析】 由于活动性:
Fe>石墨,所以铁、石墨及海水构成原电池,Fe为负极,失去电子被氧化变为Fe2+进入溶液,溶解在海水中的氧气在正极石墨上得到电子被还原,比没有形成原电池时的速率快,正确。
B.d为石墨,由于是中性电解质,所以发生的是吸氧腐蚀,石墨上氧气得到电子,发生还原反应,电极反应为O2+2H2O+4e-===4OH-,正确。
C.若d为锌块,则由于金属活动性;Zn>Fe,Zn为原电池的负极,Fe为正极,首先被腐蚀的是Zn,铁得到保护,铁片不易被腐蚀,正确。
D.d为锌块,由于电解质为中性环境,发生的是吸氧腐蚀,在铁片上电极反应为O2+2H2O+4e-===4OH-,错误。
【答案】 D
5.
【解析】 由压强变化图像可知pH=2时,压强增大,说明生成氢气,发生析氢腐蚀,同理pH=4时,压强减小,说明消耗氧气,发生吸氧腐蚀,两溶液中负极反应均为Fe-2e-===
Fe2+,A、B、D选项正确;由斜率可知消耗氧气的速率比生成氢气的速率快,且消耗1mol氧气转移4mol电子,而生成1mol氢气转移2mol电子,所以吸氧腐蚀的速率大于析氢腐蚀速率,C选项错误。
【答案】 C
二.
基础知识梳理
(一)
1.原电池正负
2.电解阴阳直流
(二)
1.合金
互动探究
(1)电压表指针发生偏转。
Zn—Fe—酸化NaCl溶液形成原电池。
(2)Zn电极:
Zn-2e-===Zn2+ Fe电极:
2H++2e-===H2↑。
(3)没有。
Fe被保护,Zn被腐蚀。
(4)正极
(5)负极
即时训练
1.
【解析】 抓住题干中的关键字“使用外加电流”便可快速解答。
A.水中的钢闸门连接电源的负极,即使用了外加电流,正确。
B.金属护栏表面涂漆,是一种使用外加涂层而使金属隔绝空气和水分的保护方法。
C.汽车底盘喷涂高分子膜,也是一种使用外加涂层而使金属隔绝空气和水分的保护方法。
D.地下钢管连接镁块,是牺牲阳极的阴极保护法。
【答案】 A
2.
【解析】 A、B选项,都是原电池原理,铁做负极,使铁更易腐蚀;D是牺牲阳极的阴极保护法。
【答案】 C
3.
【解析】 铁在海水中的腐蚀属于电化学腐蚀,当铁与比它活泼性差的Sn相连时,Fe被腐蚀的速率增大(比①大),与活泼性比其强的锌相连时,锌作负极,被腐蚀,铁被保护,其腐蚀的速率要比①小;④为电解装置,Fe为阳极,发生氧化反应,铁腐蚀的速率最快。
【答案】 A
4.
【解析】
(1)实验Ⅰ探究不同电解质对铁钉腐蚀快慢的影响,因此保证温度不变(仍为298K),改变电解质(选用碳酸水)。
实验Ⅱ探究温度对铁钉腐蚀快慢的影响,因此保证电解质不变(仍为食盐水),改变温度(选用308K)。
实验Ⅲ探究铁钉是否接触电解质溶液对铁钉腐蚀快慢的影响。
因此保证温度不变(仍为298K),改变试管内液体(选用植物油)。
(2)A项涂油漆保护铁门、铁窗,使铁门、铁窗与周围物质隔开,正确;自行车放在干燥处,不易形成原电池,能降低腐蚀速率,B错误,C正确;D项挡水铁闸门应与直流电源的负极相连,使之作电解池的阴极,才能起到保护作用,D错误。
【答案】
(1)
实验编号
T/K
试管内取用液体
实验目的
①
298
食盐水
(Ⅱ)③
(Ⅲ)④(只要与前面③、④对应即可)
②
298
碳酸水
③
308
食盐水
④
298
植物油
(2)AC
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