2014年高中化學(xué)選修四教學(xué)案4-4 金屬的電化學(xué)腐蝕與防護(hù)

第四節(jié) 金屬的電化學(xué)腐蝕與防護(hù)課標(biāo)要求1能解釋金屬發(fā)生電化學(xué)腐蝕的原因。2認(rèn)識(shí)金屬腐蝕的危害。3通過(guò)實(shí)驗(yàn)探究防止金屬腐蝕的措施。課標(biāo)解讀1.從原電池原理分析金屬發(fā)生電化學(xué)腐蝕的原因及危害。2用原電池、電解池的原理采取措施，防止金屬腐蝕。教學(xué)地位在學(xué)習(xí)了原電池原理及電解池原理的基礎(chǔ)上展開(kāi)，介紹了金屬腐蝕造成的嚴(yán)重危害、電化學(xué)腐蝕的原理及防止金屬腐蝕的幾種方法，重點(diǎn)是掌握金屬電化學(xué)腐蝕(析氫腐蝕和吸氧腐蝕)的本質(zhì)(金屬表面形成了微型原電池)，同時(shí)指出，人們根據(jù)對(duì)金屬電化學(xué)腐蝕本質(zhì)的認(rèn)識(shí)，發(fā)現(xiàn)了防護(hù)金屬電化學(xué)腐蝕的方法。本節(jié)內(nèi)容是本章理論知識(shí)的實(shí)際應(yīng)用，有利于培養(yǎng)學(xué)生發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、分析問(wèn)題、解決問(wèn)題的能力。新課導(dǎo)入建議聳立于美國(guó)紐約港外一個(gè)海島上15層樓高的自由女神銅像，歷來(lái)被認(rèn)為是美利堅(jiān)合眾國(guó)的象征。然而，經(jīng)過(guò)近百年的風(fēng)風(fēng)雨雨，它和人一樣，已經(jīng)生“病”了。自由女神銅像近百年來(lái)一直受著一種“疾病”的折磨，那就是電化學(xué)腐蝕。“自由女神”的外殼材料是銅，而支撐整個(gè)雕像的內(nèi)支架卻是鐵的，在它們之間僅用一層浸透油的毛氈隔開(kāi)。隨著時(shí)光的流逝，那一層毛氈失去了隔離作用，而大西洋夾帶著鹽分的潮濕空氣不斷地向自由女神“攻擊”，無(wú)數(shù)的原電池便在“自由女神”的身上形成了。這種原電池以鐵為負(fù)極，銅為正極，夾帶鹽分的濕空氣正好在兩極之間起著電解質(zhì)溶液的作用，結(jié)果加速了鐵的腐蝕。面對(duì)自由女神雕像的腐蝕問(wèn)題，應(yīng)采取什么措施和方法？【提示】連接一活潑金屬，如Zn，阻止自身形成Fe、Cu原電池，使Fe、Cu作原電池正極，而被保護(hù)。教學(xué)流程設(shè)計(jì)步驟1：導(dǎo)入新課、本課時(shí)教材地位分析。步驟2：師生互動(dòng)完成“探究1，化學(xué)腐蝕和電化腐蝕的比較”，可利用【問(wèn)題導(dǎo)思】中的內(nèi)容，由淺入深地進(jìn)行。步驟3：教師通過(guò)【例1】和教材P8485頁(yè)教材研析，對(duì)“探究1”的內(nèi)容進(jìn)行總結(jié)。步驟4：在教師引導(dǎo)下學(xué)生完成【變式訓(xùn)練1】和【當(dāng)堂雙基達(dá)標(biāo)】中的1、2兩題，驗(yàn)證學(xué)生對(duì)探究1的掌握情況。步驟8：先讓學(xué)生自主總結(jié)本課時(shí)學(xué)習(xí)的主要知識(shí)，然后對(duì)照【課堂小結(jié)】以明確掌握已學(xué)的內(nèi)容，安排學(xué)生課下完成【課后知能檢測(cè)】。步驟7：在教師指導(dǎo)下學(xué)生自主完成【變式訓(xùn)練2】和【當(dāng)堂雙基達(dá)標(biāo)】中的3、4兩題，驗(yàn)證學(xué)生對(duì)探究2的理解掌握情況。步驟6：教師通過(guò)例2的講解，對(duì)“探究2”進(jìn)行總結(jié)。步驟5：師生互動(dòng)完成“探究2”。課標(biāo)解讀重點(diǎn)難點(diǎn)1.了解金屬腐蝕的原因。2.了解防止金屬腐蝕的方法。1.金屬電化學(xué)腐蝕的原因及反應(yīng)原理。(重難點(diǎn)) 2.金屬電化學(xué)防護(hù)的方法。(重點(diǎn))金屬的電化學(xué)腐蝕1.金屬的腐蝕金屬的腐蝕概念金屬腐蝕是指金屬與周圍的氣體或液體物質(zhì)發(fā)生氧化還原反應(yīng)而引起損耗的現(xiàn)象特征金屬被腐蝕后，在外形、色澤以及機(jī)械性能方面會(huì)發(fā)生變化本質(zhì)金屬腐蝕的本質(zhì)是金屬失去電子變成陽(yáng)離子，發(fā)生氧化反應(yīng)類型化學(xué)腐蝕金屬與接觸到的干燥氣體(如O2、Cl2、SO2等)或非電解質(zhì)液體(如石油)等直接發(fā)生化學(xué)反應(yīng)而引起的腐蝕電化學(xué)腐蝕不純的金屬與電解質(zhì)溶液接觸時(shí)，會(huì)發(fā)生原電池反應(yīng)，比較活潑的金屬失去電子而被氧化的腐蝕。電化學(xué)腐蝕比化學(xué)腐蝕更普遍，危害更大2.電化學(xué)腐蝕(1)析氫腐蝕含義：金屬表面的電解質(zhì)溶液酸性較強(qiáng)。腐蝕過(guò)程有H2放出電極反應(yīng)負(fù)極：Fe2e=Fe2正極：2H2e=H2總反應(yīng)：Fe2H=Fe2H2(2)吸氧腐蝕含義：鋼鐵表面吸附的水膜，酸性很弱或呈中性、堿性時(shí)，氧氣參加電極反應(yīng)電極反應(yīng)負(fù)極：2Fe4e=2Fe2正極：O22H2O4e=4OH總反應(yīng)：2FeO22H2O=2Fe(OH)21鋼鐵發(fā)生吸氧腐蝕生成Fe(OH)2，最終生成鐵銹的原因是什么？(用化學(xué)方程式表示)【提示】4Fe(OH)2O22H2O=4Fe(OH)32Fe(OH)3Fe2O33H2O金屬的電化學(xué)防護(hù)1.犧牲陽(yáng)極的陰極保護(hù)法應(yīng)用原電池原理，讓被保護(hù)金屬作正極，另找一種活潑性較強(qiáng)的金屬作負(fù)極。2外加電流的陰極保護(hù)法利用電解池原理，把被保護(hù)的鋼鐵設(shè)備作為陰極，用惰性電極作為輔助陽(yáng)極，兩者在電解質(zhì)溶液里，接外加直流電源。2電化學(xué)防護(hù)的實(shí)質(zhì)是什么？【提示】把被保護(hù)的金屬作原電池正極或電解池陰極，不參與電極反應(yīng)，從而不被氧化?；瘜W(xué)腐蝕與電化學(xué)腐蝕的比較【問(wèn)題導(dǎo)思】純鐵和生鐵分別與等濃度的鹽酸反應(yīng)，哪種反應(yīng)更快？【提示】生鐵(因?yàn)樾纬稍姵?自然界中，鋼鐵的腐蝕以哪種形式為主？【提示】電化學(xué)腐蝕?；瘜W(xué)腐蝕電化學(xué)腐蝕(主要)定義金屬跟接觸到的干燥氣體或非電解質(zhì)液體等直接發(fā)生化學(xué)反應(yīng)而引起的腐蝕不純金屬與電解質(zhì)溶液接觸時(shí)，會(huì)發(fā)生原電池反應(yīng)，比較活潑金屬原子失去電子而被氧化引起的腐蝕。吸氧腐蝕(主要)析氫腐蝕條件金屬與非金屬(非電解質(zhì))直接接觸水膜中溶有O2，呈極弱酸性或中性水膜酸性較強(qiáng)區(qū)別無(wú)電流產(chǎn)生有微弱電流產(chǎn)生反應(yīng)式2Fe3Cl2=2FeCl3負(fù)極：Fe2e=Fe2正極：2H2OO24e=4OH正極：2H2e=H2聯(lián)系兩種腐蝕往往同時(shí)發(fā)生，電化學(xué)腐蝕比化學(xué)腐蝕更普遍、危害更大化學(xué)腐蝕與電化學(xué)腐蝕雖然發(fā)生腐蝕的過(guò)程不同，但其實(shí)質(zhì)相同，都是金屬元素被氧化。如何防止鐵的銹蝕是工業(yè)上研究的重點(diǎn)內(nèi)容。為研究鐵銹蝕的影響因素，某同學(xué)做了如下探究實(shí)驗(yàn)：序號(hào)內(nèi)容實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象1常溫下將鐵絲放在干燥空氣中一個(gè)月干燥的鐵絲表面依然光亮2常溫下將鐵絲放在潮濕空氣中一小時(shí)鐵絲表面依然光亮3常溫下將鐵絲放在潮濕的空氣中一個(gè)月鐵絲表面已變得灰暗4將潮濕的鐵絲放在常溫的氧氣流中一小時(shí)鐵絲表面略顯灰暗5將潮濕的鐵絲放在高于常溫的氧氣流中一小時(shí)鐵絲表面已變得灰暗6將浸過(guò)氯化鈉溶液的鐵絲放在高于常溫的氧氣流中一小時(shí)鐵絲表面灰暗程度比實(shí)驗(yàn)5嚴(yán)重回答以下問(wèn)題：(1)上述實(shí)驗(yàn)中發(fā)生了電化學(xué)腐蝕的是(填實(shí)驗(yàn)序號(hào))_；在電化學(xué)腐蝕中，負(fù)極反應(yīng)是_；正極反應(yīng)是_；(2)由該實(shí)驗(yàn)可知，可以影響鐵銹蝕速率的因素是_；(3)為防止鐵的銹蝕，工業(yè)上普遍采用的方法是_(答兩種方法)。【解析】解答第(1)題應(yīng)注意聯(lián)系金屬的化學(xué)腐蝕與電化學(xué)腐蝕的區(qū)別，不純的金屬與電解質(zhì)溶液接觸，因發(fā)生原電池反應(yīng)，較活潑的金屬失電子而被氧化，分析題中實(shí)驗(yàn)可知，實(shí)驗(yàn)3、4、5、6發(fā)生了電化學(xué)腐蝕，其中負(fù)極反應(yīng)是Fe2e=Fe2，正極反應(yīng)是O22H2O4e=4OH。解答第(2)題時(shí)，對(duì)比實(shí)驗(yàn)1和3可得出濕度增大，可使鐵銹蝕速率加快；對(duì)比實(shí)驗(yàn)2、4可知增大O2濃度可加快鐵銹蝕的速率；對(duì)比實(shí)驗(yàn)4、5可知升高溫度可加快鐵銹蝕的速率；對(duì)比實(shí)驗(yàn)5、6可知電解質(zhì)的存在會(huì)使鐵銹蝕的速率加快。第(3)題，為防止鐵的銹蝕，根據(jù)鐵銹蝕的類型，可采用犧牲陽(yáng)極的陰極保護(hù)法、外加電流的陰極保護(hù)法，還可把鐵制成不銹鋼(合金)、亦可采用噴油漆、涂油脂、電鍍、表面鈍化等方法使鐵與空氣、水等物質(zhì)隔離，以防止金屬腐蝕?！敬鸢浮?1)3、4、5、6Fe2e=Fe2(或2Fe4e=2Fe2)2H2OO24e=4OH(2)溫度、濕度、O2的濃度、電解質(zhì)存在(3)電鍍、烤藍(lán)等表面覆蓋保護(hù)層，犧牲陽(yáng)極的陰極保護(hù)法、外加電流的陰極保護(hù)法等(答案合理即可)1用鋁制飯盒盛放醋酸，一段時(shí)間后，飯盒被腐蝕，該種腐蝕屬于_，反應(yīng)的化學(xué)方程式可表示為_(kāi)，若用鋁制飯盒盛放食鹽水，一段時(shí)間后，飯盒被腐蝕，這種腐蝕屬于_，反應(yīng)原理是_(寫(xiě)電極反應(yīng)式和總反應(yīng)方程式)?！窘馕觥夸X制飯盒盛放醋酸，鋁與醋酸直接反應(yīng)使鋁氧化而損耗，屬于化學(xué)腐蝕，鋁制飯盒盛食鹽水時(shí)，則能形成原電池，因而發(fā)生的是電化學(xué)腐蝕?！敬鸢浮炕瘜W(xué)腐蝕2Al6CH3COOH=2Al(CH3COO)33H2電化學(xué)腐蝕負(fù)極：4Al12e=4Al3，正極：6H2O3O212e=12OH總反應(yīng)方程式：4Al6H2O3O2=4Al(OH)3金屬腐蝕快慢的判斷以及金屬的防護(hù)【問(wèn)題導(dǎo)思】把生鐵放在水中與放在食鹽水中，哪個(gè)腐蝕的快？【提示】食鹽水中。輪船的外殼裝有鎂合金或鋅塊，其作用是什么？【提示】保護(hù)船體。1判斷金屬腐蝕快慢的規(guī)律(1)電解原理引起的腐蝕>原電池原理引起的腐蝕>化學(xué)腐蝕>有防護(hù)措施的腐蝕。(2)對(duì)同一種金屬來(lái)說(shuō)，腐蝕的快慢：強(qiáng)電解質(zhì)溶液>弱電解質(zhì)溶液>非電解質(zhì)溶液。(3)活潑性不同的兩種金屬，構(gòu)成原電池活動(dòng)性差別越大，腐蝕越快。(4)對(duì)同一種電解質(zhì)溶液來(lái)說(shuō)，一般是電解質(zhì)溶液濃度越大，腐蝕越快。2金屬的防護(hù)金屬防護(hù)改變金屬內(nèi)部結(jié)構(gòu)而增強(qiáng)抗腐蝕能力不銹鋼金屬表面覆蓋保護(hù)層涂礦物油、油漆或覆蓋搪瓷、塑料鍍抗蝕金屬電鍍、熱鍍、噴鍍法用化學(xué)方法使其表面形成一層致密的氧化膜，金屬的鈍化電化學(xué)保護(hù)法外加電流的陰極保護(hù)法犧牲陽(yáng)極的陰極保護(hù)法鋼鐵很容易生銹而被腐蝕，每年因腐蝕而損失的鋼材占世界鋼鐵年產(chǎn)量的四分之一。(1)鋼鐵腐蝕主要是吸氧腐蝕，該腐蝕過(guò)程中的電極反應(yīng)式為：正極：_，負(fù)極：_。(2)為了降低某水庫(kù)的鐵閘門(mén)被腐蝕的速率，可以采用甲圖所示的方案，其中焊接在閘門(mén)上的固體材料R可以采用_。A銅B鈉C鋅D石墨(3)乙圖所示的方案也可以降低鐵閘門(mén)的腐蝕速率，其中鐵閘門(mén)應(yīng)該連接在直流電源的_極。【解析】(1)發(fā)生吸氧腐蝕時(shí)，負(fù)極上Fe失去電子，正極上O2得到電子。(2)鐵閘門(mén)上連接一塊比鐵活潑的金屬如鋅，就可由鋅失去電子，鋅被溶解，而鐵被保護(hù)，屬于犧牲陽(yáng)極的陰極保護(hù)法。(3)屬于外加電流的陰極保護(hù)法，需把被保護(hù)的鐵閘門(mén)連接在電源的負(fù)極?！敬鸢浮?1)O22H2O4e=4OH2Fe4e=2Fe2(2)C(3)負(fù)2如圖各燒杯中盛有海水，鐵在其中被腐蝕由快到慢的順序?yàn)?)ABC D【解析】中Fe放置在海水中，形成了無(wú)數(shù)微小原電池，發(fā)生電化學(xué)腐蝕。均構(gòu)成了原電池。中Fe的活潑性強(qiáng)于Sn，F(xiàn)e作負(fù)極發(fā)生了電化學(xué)腐蝕；中Zn的活潑性比Fe強(qiáng)，Zn作負(fù)極被腐蝕，而Fe被保護(hù)；中Fe的活潑性遠(yuǎn)遠(yuǎn)強(qiáng)于Cu，所以Fe作負(fù)極被腐蝕，并且中形成的電流弱于中電流，所以中Fe比腐蝕得快，比腐蝕得慢。因此Fe被腐蝕由快到慢的順序?yàn)椤！敬鸢浮緾【教師備課資源】下圖中，鐵腐蝕由快到慢的順序?yàn)?電解質(zhì)溶液為水)_?！窘馕觥恐杏捎谒腥芙饬搜鯕?，鐵與雜質(zhì)碳會(huì)形成原電池，發(fā)生電化學(xué)腐蝕；中鐵在油中，氧氣難以溶解，無(wú)電解質(zhì)溶液，不能形成原電池；、都形成原電池，但中鐵為正極，受到保護(hù)；中鐵為負(fù)極，被氧化；、都形成了電解池；中鐵與電源的正極相連，作陽(yáng)極，氧化速率加快；中鐵與電源的負(fù)極相連，作陰極，受到保護(hù)。所以鐵腐蝕由快到慢的順序?yàn)?gt;>>>>。【答案】>>>>>金屬的腐蝕與防護(hù)金屬的腐蝕實(shí)質(zhì)Mne=Mn類型化學(xué)腐蝕電化學(xué)腐蝕吸氧腐蝕析氫腐蝕影響因素和快慢比較金屬的防護(hù)覆蓋保護(hù)層改變金屬內(nèi)部結(jié)構(gòu)電化學(xué)保護(hù)法犧牲陽(yáng)極的陰極保護(hù)法外加電流的陰極保護(hù)法1以下現(xiàn)象與電化學(xué)腐蝕無(wú)關(guān)的是()A鍍錫鐵器比鍍鋅鐵器表面破損時(shí)更易被腐蝕B純鐵不容易生銹C鑲有相鄰的銀牙和金牙容易引起頭痛D輸送氯氣的鋼管易被氯氣腐蝕【解析】A項(xiàng)中鍍錫鐵器表面破損時(shí)形成原電池，F(xiàn)e作負(fù)極，易被腐蝕，而鍍鋅鐵器表面破損時(shí)形成原電池，F(xiàn)e作正極，被保護(hù)。B項(xiàng)中純鐵不能形成原電池，所以不容易被腐蝕。C項(xiàng)中相鄰的銀牙和金牙容易形成原電池產(chǎn)生電流，使人頭痛惡心。D項(xiàng)中鐵和Cl2直接發(fā)生反應(yīng)，為化學(xué)腐蝕，與電化學(xué)腐蝕無(wú)關(guān)。【答案】D2鋼鐵發(fā)生吸氧腐蝕時(shí)，正極上發(fā)生的電極反應(yīng)是()A2H2e=H2BFe22e=FeC2H2OO24e=4OHDFe3e=Fe2【解析】鋼鐵發(fā)生吸氧腐蝕，正極反應(yīng)為2H2OO24e=4OH?！敬鸢浮緾3下列有關(guān)金屬的保護(hù)方法的說(shuō)法中正確的是()A常使用的快餐杯表面有一層搪瓷，若搪瓷層破損后仍能起到防止鐵生銹的作用B白鐵(鍍鋅鐵)鍍層破損后，鐵皮的腐蝕速率很慢C輪船的船殼水線以下常裝有一些鋅塊，這是利用了犧牲陰極的陽(yáng)極保護(hù)法D鋼鐵制造的暖氣管道外常涂有一層瀝青，這是鋼鐵的電化學(xué)保護(hù)法【解析】A項(xiàng)中涂層破損后，鐵直接暴露在空氣中，因而搪瓷層不能對(duì)破損部分進(jìn)行保護(hù)；B項(xiàng)中鍍層破損后由于鋅的金屬性比鐵強(qiáng)，和鐵構(gòu)成原電池，鋅作負(fù)極，保護(hù)鐵不被腐蝕；C選項(xiàng)應(yīng)是犧牲陽(yáng)極的陰極保護(hù)法；D項(xiàng)中應(yīng)是用瀝青作涂層的涂層保護(hù)法?！敬鸢浮緽4潛艇的金屬外殼浸在海水中，在海水和空氣的作用下會(huì)被腐蝕。(1)若海水呈中性，一艘鋼制外殼的潛艇在海水中發(fā)生腐蝕的電極反應(yīng)式為：正極：_，負(fù)極：_。(2)為有效地保護(hù)潛艇，下列措施中最好的是_。A采用純鐵制造潛艇外殼B采用耐腐蝕的合金制造潛艇外殼C在潛艇外殼上涂一層油D在潛艇外殼上裝一定數(shù)量的鋅塊【解析】金屬防護(hù)的方法很多，可以采取以下措施進(jìn)行。(1)改變金屬的內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)。合金鋼中含有合金元素，使組織結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，耐腐蝕。如不銹鋼。(2)在金屬表面覆蓋保護(hù)層。常見(jiàn)方式有：涂油脂、油漆或覆蓋搪瓷、塑料等；使表面生成致密氧化膜；在表面鍍一層有自我保護(hù)作用的另一種金屬。(3)電化學(xué)保護(hù)法：外加電源的陰極保護(hù)法：接上外加直流電源構(gòu)成電解池，被保護(hù)的金屬作陰極。犧牲陽(yáng)極的陰極保護(hù)法：外加負(fù)極材料，構(gòu)成原電池，被保護(hù)的金屬作正極。【答案】(1)O22H2O4e=4OH2Fe4e=2Fe2(2)B10