知识讲解_金属的电化学腐蚀与防护(提高）

1 高考总复习 金属的电化学腐蚀与防护 【考纲要求】 1．金属腐蚀的种类，探究金属发生电化学腐蚀的原因。 2．了解金属腐蚀的危害，防止金属腐蚀的措施。 【考点梳理】 考点一：金属腐蚀 1．定义：金属腐蚀是指金属或合金与周围接触到的气体或液体进行化学反应而腐蚀损耗的过程。 2．本质：金属腐蚀的实质都是金属原子失去电子被氧化生成金属阳离子的过程。 M－ne－==Mn+（M 代表金属元素）。 3．类型：（1）化学腐蚀：金属或合金直接与具有腐蚀性的化学物质接触发生氧化还原反应而消耗的过程。 （2）电化学腐蚀：不纯金属或合金与电解质溶液接触发生原电池反应而消耗的过程。 考点二：金属的电化学腐蚀 1．化学腐蚀与电化学腐蚀的比较 化学腐蚀 电化学腐蚀 相同点 金属原子失去电子而被氧化的过程，即金属原子转化为阳离子的过程 条件 金属与氧化剂直接接触 不纯金属与电解质溶液接触 电流 无电流 有微弱电流（发生原电池反应） 对象 金属单质 较活泼金属不同点 本质 金属被氧化 活泼金属被氧化 相互关系 往往同时发生，电化学腐蚀比化学腐蚀普遍得多，危害更严重 2．电化学腐蚀的种类： （1）种类：吸氧腐蚀与析氢腐蚀 （2）吸氧腐蚀与析氢腐蚀的比较（以钢铁为例） 类型 吸氧腐蚀 析氢腐蚀 条件 水膜呈弱酸性或中性 水膜呈酸性 正极反应（C） O2+2H2O+4e―==4OH― 2H++2e―==H2↑ 负极反应（Fe） Fe―2e―==Fe2+ 其他反应 Fe2++2OH―==Fe(OH)2↓ 4Fe(OH)2+2H2O+O2==4Fe(OH)3 Fe(OH)3 转化为铁锈（Fe2O3·xH2O） 【高清课堂：399291 金属腐蚀的一般规律】 3．金属腐蚀的快慢一般规律 (1) 在同一电解质溶液中，电解原理引起的腐蚀>原电池原理引起的腐蚀>化学腐蚀>有防腐措施的腐蚀。 (2) 在不同溶液中，金属在电解质溶液中的腐蚀>金属在非电解质溶液中的腐蚀；金属在强电解质溶液中的腐蚀> 金属在弱电解质溶液中的腐蚀。 (3) 有保护措施的条件下，无防护条件的腐蚀>有一般防护条件下的腐蚀>牺牲阳极的阴极保护法条件下的腐蚀> 外接电源的阴极保护法条件下的腐蚀。 (4) 对同一种电解质溶液来说，电解质溶液浓度越大，腐蚀越快。 (5) 由于金属表面一般不会遇到酸性较强的溶液，故吸氧腐蚀是金属腐蚀的主要形式，只有在金属活动性顺序表 中排在氢以前的金属才可能发生析氢腐蚀，而位于氢之后的金属腐蚀时只能是吸氧腐蚀。 考点三：金属的电化学防护 1． 在金属表面覆盖保护层。 ①在钢铁表面涂矿物性油脂、油漆或覆盖搪瓷、塑料等物质； ②用电镀、热镀、喷镀的方法，在钢铁表面镀上一层耐腐蚀的金属，如铁上镀锌、锡、铬等；2 ③用化学方法使钢铁表面生成一层致密而稳定的氧化膜保护（表面钝化），如钢铁制品表面生成 Fe3O4，在铝制 品表面生成 Al2O3。 2．改变金属内部的组成结构，制成合金。如把钢中加 Cr、Ni 制成不锈钢。 3．电化学保护法，即将金属作为原电池的正极或电解池的阴极而受到保护。 （1）牺牲阳极的阴极保护法 此法应用原电池原理，让被保护金属作为正极（阴极），另 找一种活动性较强的金属作为负极（阳极）。例如在锅炉内壁、船 舶外壳装上若干锌块，就可保护钢铁设备。 发生的电极反应：负极：Zn－2e－==Zn2+ 正极：O2+4e－+2H2O==4OH－ Zn 不断被腐蚀，可定期拆换。而铁得到保护。 （2）外加电流的阴极保护法 此法应用电解原理，让被保护金属作阴极（接电源负极），惰性电极 作辅助阳极（接电源正极），两者都存在于海水中。接上直流电源。例如钢闸 门，可用此法防止腐蚀。此法中阳极上放电的微粒是海水中的阴离子，阴极 上放电的微粒是海水中的阳离子。 【典型例题】 类型一：金属的电化学腐蚀 例 1．右图装置中，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】B 【解析】Fe 与 C 及电解质溶液形成原电池，Fe 是负极：Fe―2e―==Fe2+；C 是正极。在 a 中食盐水为中性， 发生吸氧腐蚀，a 中压强减小；b 中氯化铵溶液水解显酸性，发生析氢腐蚀，b 中压强增大，红墨水柱液面是左 高右低。 【总结升华】注意在原电池中较活泼的一极 Fe 是负极：Fe―2e―==Fe2+，正极反应要看电解质溶液的酸碱 性情况。 举一反三： 【高清课堂：399291 例 1】 【变式 1】下列说法正确的是 A．钢铁因含杂质而容易发生电化腐蚀，所以合金都不耐腐蚀 B．原电池反应是导致金属腐蚀的主要原因，故不能用来减缓金属的腐蚀 C．钢铁电化腐蚀的两种类型主要区别在于水膜的 pH 不同，引起正极反应不同 D．无论哪种类型的腐蚀，其实质都是金属被氧化 【答案】CD3 【变式 2】（2015 人大附中）铁生锈是比较常见的现象，某实验小组为研究铁生锈的条件，设计了如下图所示的 快速、易行的方法： 首先检查制取氧气的装置的气密性，然后按上图连接好装置，点燃酒精灯给药品加热，持续 3 min 左右后， 观察到的实验现象为：①直形管中干燥的铁丝表面依然光亮，没有发生锈蚀；②直形管中用蒸馏水浸过的光 亮铁丝表面颜色变得灰暗，发生锈蚀；③烧杯中潮湿的铁丝表面依然光亮。试回答下列问题。 (1) 由于与金属接触的介质不同，金属腐蚀分成不同类型，本实验中铁生锈属于________。能表示其原理的 电极反应方程式为：_______________________________________________________________________。 (2) 仪器 A 的名称为________，其中装的药品可以是________ ，其作用是_________ _____________________。 (3) 由实验可知，铁生锈的条件为________。决定铁生锈快慢的一个重要因素是__________________ 。 【答案】(1)电化学腐蚀　负极：2Fe－4e－===2Fe2＋，正极：2H2O＋O2＋4e－===4OH－ (2)球形干燥管　碱石灰(或无水 CaCl2)　干燥 O2 (3)与 O2 和水接触　氧气浓度 类型二：金属腐蚀快慢的比较 例 2．下图各容器中盛海水，铁会在其中发生变化。按铁极腐蚀的速度由快至慢的顺序为 【答案】Ｄ＞Ｂ＞Ａ＞Ｃ＞Ｅ 【解析】Ａ中 Fe 放置在海水中，形成了无数微小的原电池，发生电化学腐蚀。Ｂ、Ｃ均构成原电池，Ｂ 中 Fe 的活泼性强于 Sn，Fe 作负极被腐蚀；Ｃ中 Zn 的活泼性比 Fe 强，Zn 作负极被腐蚀，而 Fe 被保护。D、E 形成电解池，其中 D 中 Fe 作阳极被腐蚀，而 E 中 Fe 作阴极，被保护。因此 Fe 被腐蚀由快到慢的顺序为：Ｄ＞Ｂ＞ Ａ＞Ｃ＞Ｅ。 【总结升华】在同一电解质溶液中，金属腐蚀的快慢由下列原则判断：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。 举一反三： 【变式 1】下列几种金属制品的镀层损坏后，金属腐蚀的速率最快的是（ ）。 A．镀铝塑料 B．食品罐头盒（镀锡） C．白铁水桶（镀锌） D．镀银铜质奖章 【答案】B 【变式 2】如图，Fe 被腐蚀的速率由快到慢的顺序为________。4 【答案】⑤④①②③ 【解析】④、⑤中，两种金属活泼性差别越大，Fe 被腐蚀的速率越快。 类型三：金属腐蚀的防护 例３．（2016 四中同步）对外加电流的金属保护中，下列叙述正确的是(　　) A．被保护的金属与电源的正极相连 B．被保护的金属与电源的负极相连 C．在被保护的金属表面上发生氧化反应 D．被保护的金属为阴极，其表面上发生氧化反应 【思路点拨】阳极与电源的正极相连，阳极发生氧化反应。 【答案】B 【解析】外加电流的金属保护法依据的是电解池的原理，被保护的金属与电源的负极相连，作阴极，发生还 原反应，故只有 B 项正确。 【总结升华】外加电流的阴极保护法是应用电解原理，让被保护金属作阴极（接电源负极），惰性电极作辅 助阳极（接电源正极）。 举一反三： 【高清课堂：399291 例 5】 【变式 1】海水的进水钢闸门易被腐蚀，对此的下列说法不正确的是（ ） A．钢闸门腐蚀的本质是 Fe―2e―==Fe2+ B．钢闸门腐蚀主要原因是发生电化学吸氧腐蚀，其阴极反应是 O2+2H2O+4e―==4OH― C．将钢闸门与浸入海水的锌块用导线相连，可防止钢闸门腐蚀 D．将钢闸门与直流电源的正极相连，可防止钢闸门腐蚀 【答案】D 【解析】钢闸门在腐蚀过程中铁被氧化为 Fe2+，腐蚀原理为吸氧腐蚀型的电化学腐蚀，A、B 项对；当将钢闸门 与浸入海水的锌块用导线连接起来后就构成了原电池，锌块作负极，钢闸门作正极受到保护，C 项对；若将钢闸 门 与 电 源 正 极 相 连 ， 则 其 成 为 阳 极 被 加 速 腐 蚀 掉 ， D 项 错 。5 【巩固练习】 一、选择题（每题有 1~2 个选项符合题意） 1．右图是研究铁钉腐蚀的装置图，下列说法不正确的是 A.铁钉在两处的腐蚀速率：a < b B. a、b 两处铁钉中碳均正极 C. a、b 两处铁钉中的铁均失电子被氧化 D. a、b 两处的正极反应式均为 O2+4e-+4H+ =2H2O 2．下列事实不能用电化学原理解释的是（ ） A. 常温条件下，在空气中铝不容易被腐蚀 B. 镀锌铁片比镀锡铁片更耐腐蚀 C. 用锌与硫酸制氢气时，往硫酸中滴少量硫酸铜 D. 远洋海轮的尾部装上一定数量的锌板 3．铁钉和碳棒用导线连接后，浸入到 0.01mol·L－1 的 NaCl 溶液中，可能发生的是（ ） ①碳棒上有氢气析出 ②碳棒附近产生 OH－ ③碳棒上有氧气析出 ④铁钉被氧化 A．①③ B．①④ C．②③ D．②④ 4．(2016 江西模拟)下列关于金属腐蚀的叙述不正确的是（　　） A．黄铜（铜锌合金）制作的铜锣不易产生铜绿 B．与生铁相比纯铁更容易被腐蚀 C．金属的吸氧腐蚀和析氢腐蚀都属于电化学腐蚀 D．金属腐蚀的本质是 M﹣ne-=Mn+ 5．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①、②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 6．下列说法不正确的是 A、用电解法精炼粗铜时，纯铜作阳极 B、将镁块与钢铁输水管相连，可防止钢铁腐蚀 C. 熔融烧碱时，不能使用石英坩埚 D. 可用 H2SO4 或 CO2 中和碱性废水 7．下列说法不正确的是（ ） 铁钉 0.01mol/LH2SO4饱和食盐水 ba6 A．与铜质水龙头连接处的钢制水管易发生腐蚀 B．把被保护的钢铁设备作为阴极，外加直流电源可进行保护 C．原电池产生电流时，阳离子移向正极，阴离子移向负极 D．铅蓄电池是最常见的二次电池，正极板上覆盖有 Pb 8．白铁皮（镀锌）发生析氢腐蚀时，若有 0.2mol 电子发生转移，下列说法正确的是（ ） A. 有 6.5g 锌被腐蚀 B. 在标准状况下有 22.4L 氢气放出 C. 有 2.8g 铁被腐蚀 D. 在标准状况下有 2.24L 气体放出 9．如图所示，将铁棒和石墨棒插入 1 L 1mol·L―1 食盐水中。下列说法正确的是（ ） A．若电键 K 与 N 连接，铁被保护不会腐蚀 B．若电键 K 与 N 连接，正极反应式是 4OH――4e―==2H2O+O2↑ C．若电键 K 与 M 连接，将石墨棒换成铜棒，可实现铁棒上镀铜 D．若电键 K 与 M 连接，当两极共产生 28 L（标准状况）气体时，生成了 1 mol NaOH 10．将 NaCl 溶液滴在一块光亮清洁的铁板表面上，一段时间后发现液滴覆盖的圆圈中心区（a）已被腐蚀而变暗， 在液滴外沿形成棕色铁锈环（b），如图所示。导致该现象的主要原因是液滴之下氧气含量比边缘处少。下列说法 正确的是（ ） A．液滴中的 Cl―由 a 区向 b 区迁移 B．液滴边缘是正极区，发生的电极反应为：O2+2H2O+4e―==4OH― C．液滴下的 Fe 因发生氧化反应而被腐蚀，生成的 Fe2+由 a 区向 b 区迁移， 与 b 区的 OH―形成 Fe(OH)2，进一步氧化、脱水形成铁锈 D．若改用嵌有一铜螺丝钉的铁板，在铜铁接触处滴加 NaCl 溶液，则负极发生的电极反应为：Cu―2e―==Cu2+ 二、填空题 1．钢铁生锈现象随处可见，钢铁的电化学腐蚀原理如图所示。 （1）写出石墨电极的电极反应式________ 。 （2）将该装置作简单修改即可成为钢铁电化学防护的装置，请在图中虚线框内所 示位置作出修改，并用箭头标出导线中电子流动的方向。 （3）写出修改后石墨电极的电极反应式________ 。 2．（2016 江西宜春黄冈学校）取 6 根铁钉，6 支干净的试管及其他材料，如图所示。 试管①放入一根铁钉，再注入蒸馏水，使铁钉和空气及水接触； 试管②在试管底部放入硅胶（是一种干燥剂），再放入铁钉，用棉花团堵住试管口，使铁钉和干燥空气接触；7 试管③先放入一根铁钉，趁热倒入煮沸的蒸馏水（已赶出原先溶解在蒸馏水中的空气）浸没铁钉，再加上一 层植物油，使铁钉不能跟空气接触； 试管④中放入铁钉注入食盐水，使铁钉和空气及食盐水接触； 试管⑤放入相连的铁钉和锌片，注入自来水，浸没铁钉和锌片； 试管⑥放入相连的铁钉和铜丝，注入自来水，浸没铁钉和铜丝． 把 6 支试管放在试管架上，几天后观察铁钉被腐蚀的情况。 （1）上述实验中铁钉发生了电化学腐蚀的是 （填试管序号）；在电化学腐蚀中，负极反应是 ， 正极反应是 。 （2）从铁钉被腐蚀的情况可知引起和促进铁钉被腐蚀的条件是 。 （3）为防止铁的锈蚀，工业上普遍采用的方法是 （答两种方法）。 3．对金属制品进行抗腐蚀处理，可延长其使用寿命。 （1）以下为铝材表面处理的一种方法： ①碱洗的目的是除去铝材表面的自然氧化膜，碱洗时常有气泡冒出，原因是______________（用离子方程式 表示）。为将碱洗槽液中铝以沉淀形式回收，最好向槽液中加入下列试剂中的_________。 a．NH3 b．CO2 c．NaOH d．HNO3 ②以铝材为阳极，在 H2SO4 溶液中电解，铝材表面形成氧化膜，阳极电极反应为_________ 。 取少量废电解液，加入 NaHCO3，溶液后产生气泡和白色沉淀，产生沉淀的原因是 _____________。 （2）镀铜可防止铁制品腐蚀，电镀时用铜而不用石墨作阳极的原因是________ ________ 。 （3）利用右图装置，可以模拟铁的电化学防护。 若 X 为碳棒，为减缓铁的腐蚀，开关 K 应置于________处。 若 X 为锌，开关 K 置于 M 处，该电化学防护法称为________ 。8 【答案与解析】 一、选择题 1．D 2．A 【解析】铝表面有一层致密的氧化物薄膜，故常温下在空气中铝不容易被腐蚀，与电化学原理无关。 3．D 【解析】铁钉在 NaCl 溶液中发生吸氧腐蚀。 4．B 【解析】A．铜锌合金在电解质溶液中形成原电池反应，锌做负极被腐蚀．正极被保护，所以不易形成铜绿；和 电化学有关，故 A 正确；B．不纯的金属易发生电化学腐蚀，纯金属主要发生化学腐蚀，电化学腐蚀的速率大于 化学腐蚀，所以生铁更容易被腐蚀，故 B 错误；C．金属的吸氧腐蚀和析氢腐蚀过程中均形成原电池，则金属的 吸氧腐蚀和析氢腐蚀都属于电化学腐蚀，故 C 正确；D．金属腐蚀的本质是金属原子失电子，即金属腐蚀的本质 是 M﹣ne-=Mn+，故 D 正确。故选 B。 5．A 【解析】反应①2Fe+O2+2H2O=2Fe(OH)2 中的氧化剂是 O2，1molO2 在反应中得到 4mol 电子，同样在反应② 4Fe(OH)2+O2+2H2O=4Fe(OH)3 中氧化剂也是 O2，而且两个反应中氧气的系数都是 1，因此得到的电子均是 4mol， 故 A 选项正确 B 选项错误。钢质水管与铜质水龙头连接后形成原电池，其中钢质水管做负极被腐蚀，故 C 选项 错误。钢铁在潮湿的空气中容易发生电化学腐蚀，而且主要是发生吸氧腐蚀，因此 D 选项错误。 6．A 7．D 【解析】铅蓄电池中 Pb 做负极板，PbO2 做正极。 8．AD 【解析】计算关系式：Zn~2e-~H2↑ 9．D 【解析】A 项，若电键 K 与 N 连接，则形成原电池，铁作负极，被腐蚀，不正确；B 项，若电键 K 与 N 连接， 正极反应式是 O2+2H2O+4e―==4OH―，不正确；C 项，若电键 K 与 M 连接，将石墨棒换成铜棒，则形成电解池， 若要在铁棒上镀铜，电解质溶液不能用食盐水，而应用硫酸铜溶液，故不正确；D 项，若电键 K 与 M 连接，为 电解食盐水，根据反应方程式： 2NaCl+2H2O 2NaOH+H2↑+Cl2↑ 2 2 44.8 1 x V 解得 x=1，V=22.4 L，即 1 mol 氯化钠全部被电解完，产生 1 mol 氢氧化钠，而现在产生气体为 28 L，表明 电解完氯化钠后继续电解水，但生成氢氧化钠的量不变，即生成了 1 mol NaOH。 10．B 【解析】NaCl 溶液滴到一块光亮清洁的铁板表面上，一段时间后在液滴覆盖的圆周中心区（a）被腐蚀而变暗， 实际上是发生了吸氧腐蚀，这时发生的电极反应为： 负极电极反应为：Fe―2e―==Fe2+（发生氧化反应）。 正极电极反应为：O2+2H2O+4e―==4OH―（发生还原反应）。 电解9 在液滴外沿，由于 Fe2++2OH―==Fe(OH)2，4Fe(OH)2+O2+2H2O==4Fe(OH)3，形成了棕色铁锈环（b）。 若改用嵌有一铜螺丝钉的铁板，在铜铁接触处滴加 NaCl 溶液，由于 Fe 的金属活动性比铜强，Fe 仍为负极， 负极发生的电极反应为：Fe―2e―==Fe2+。 又根据在原电池中，阳离子移向正极，阴离子移向负极的规律，Cl―应由 b 区向 a 区迁移。所以 A、C、D 项均错误，B 项正确。 二、填空题 1．（1）2H2O+O2+4e―==4OH― （2）如图。 （3）2Cl――2e―==Cl2↑ 【解析】（1）钢铁发生的主要为吸氧腐蚀，负极：Fe―2e ― ==Fe2+ 。正极： O2+2H2O+4e―==4OH― （2）采用阴极保护法，将钢铁与直流电源的负极相连接，可以保护钢铁不被腐蚀。 （3）修改后的装置为电解池，石墨电极作阳极，Cl―放电，电极反应式为：2Cl―― 2e―==Cl2↑。 2．（1）①④⑥；Fe﹣2e﹣═Fe2+；O2+2H2O+4e﹣═4OH﹣； （2）水、空气、电解质溶液和不活泼金属杂质的存在； （3）在表面涂上油漆、搪瓷、沥青等或镀上不易生锈的合金或牺牲阳极保护法（答出其中两种即可）． 【解析】（1）金属的电化学腐蚀是因为形成原电池装置的腐蚀，述实验中铁钉发生了电化学腐蚀的是①④⑥，金 属铁是负极，发生氧化反应，Fe﹣2e﹣═Fe2+，正极上氧气发生得电子的还原反应 O2+2H2O+4e﹣═4OH﹣， 故答案为：①④⑥；Fe﹣2e﹣═Fe2+；O2+2H2O+4e﹣═4OH﹣； （2）金属和空气中的氧气、水（电解质）以及不活泼金属杂质存在，构成原电池装置，这些是引起和促进铁钉 被腐蚀的条件，故答案为：水、空气、电解质溶液和不活泼金属杂质的存在； （3）为防止铁的锈蚀，可以在表面涂上油漆、搪瓷、沥青等或镀上不易生锈的合金或牺牲阳极保护法，故答案 为：在表面涂上油漆、搪瓷、沥青等或镀上不易生锈的合金或牺牲阳极保护法（答出其中两种即可）。 3．（1）2Al+2OH―+2H2O==2AlO2―+3H2↑（或 2Al+2OH―+6H2O==2[Al(OH)4]―+3H2↑） b 2Al+3H2O—6e―==Al2O3+6H+ HCO3―与 H+反应使 H+浓度减小，产生 Al(OH)3 沉淀 （2）补充溶液中消耗的 Cu2+，保持溶液中 Cu2+浓度恒定 （3）N 牺牲阳极的阴极保护法（或牺牲阳极保护法） 【解析】（1）①Al 能与 NaOH 反应生成 H2，Al2O3 与 NaOH 反应时不能生成 H2，则根据气泡冒出的现象断定 Al 与 NaOH 发生化学反应；AlO2―转化成 Al(OH)3 须加入酸，而 Al(OH)3 能溶于强酸，所以选择 CO2；②Al 在阳极 失电子生成氧化膜（Al2O3），Al2O3 中的氧是由水提供的，溶液显酸性，所以有 H+生成；废电解液中含有 Al3+， Al3++3H2O Al(OH)3+3H+，NaHCO3 水解显碱性，互相促进。 （2）电镀时铜作阳极，失去电子生成 Cu2+，阴极 Cu2+得电子生成 Cu。 （3）碳棒的活泼性小于铁，则需用电解池的原理，利用铁作阴极与电源负极相连从而保护铁不受腐蚀；Zn 的活泼性大于铁，则二者形成原电池时，Zn 作负极从而保护铁不受腐蚀。