2014年高中化學選修四教學案4-4 金屬的電化學腐蝕與防護

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第四節(jié) 金屬的電化學腐蝕與防護課標要求1能解釋金屬發(fā)生電化學腐蝕的原因。2認識金屬腐蝕的危害。3通過實驗探究防止金屬腐蝕的措施。課標解讀1.從原電池原理分析金屬發(fā)生電化學腐蝕的原因及危害。2用原電池、電解池的原理采取措施，防止金屬腐蝕。教學地位在學習了原電池原理及電解池原理的基礎上展開，介紹了金屬腐蝕造成的嚴重危害、電化學腐蝕的原理及防止金屬腐蝕的幾種方法，重點是掌握金屬電化學腐蝕(析氫腐蝕和吸氧腐蝕)的本質(金屬表面形成了微型原電池)，同時指出，人們根據(jù)對金屬電化學腐蝕本質的認識，發(fā)現(xiàn)了防護金屬電化學腐蝕的方法。本節(jié)內容是本章理論知識的實際應用，有利于培養(yǎng)學生發(fā)現(xiàn)問題、分析問題、解決問題的能力。新課導入建議聳立于美國紐約港外一個海島上15層樓高的自由女神銅像，歷來被認為是美利堅合眾國的象征。然而，經(jīng)過近百年的風風雨雨，它和人一樣，已經(jīng)生“病”了。自由女神銅像近百年來一直受著一種“疾病”的折磨，那就是電化學腐蝕?！白杂膳瘛钡耐鈿げ牧鲜倾~，而支撐整個雕像的內支架卻是鐵的，在它們之間僅用一層浸透油的毛氈隔開。隨著時光的流逝，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溶液的作用，結果加速了鐵的腐蝕。面對自由女神雕像的腐蝕問題，應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。教學流程設計步驟1：導入新課、本課時教材地位分析。步驟2：師生互動完成“探究1，化學腐蝕和電化腐蝕的比較”，可利用【問題導思】中的內容，由淺入深地進行。步驟3：教師通過【例1】和教材P8485頁教材研析，對“探究1”的內容進行總結。步驟4：在教師引導下學生完成【變式訓練1】和【當堂雙基達標】中的1、2兩題，驗證學生對探究1的掌握情況。步驟8：先讓學生自主總結本課時學習的主要知識，然后對照【課堂小結】以明確掌握已學的內容，安排學生課下完成【課后知能檢測】。步驟7：在教師指導下學生自主完成【變式訓練2】和【當堂雙基達標】中的3、4兩題，驗證學生對探究2的理解掌握情況。步驟6：教師通過例2的講解，對“探究2”進行總結。步驟5：師生互動完成“探究2”。課標解讀重點難點1.了解金屬腐蝕的原因。2.了解防止金屬腐蝕的方法。1.金屬電化學腐蝕的原因及反應原理。(重難點) 2.金屬電化學防護的方法。(重點)金屬的電化學腐蝕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發(fā)生氧化還原反應而引起損耗的現(xiàn)象特征金屬被腐蝕后，在外形、色澤以及機械性能方面會發(fā)生變化本質金屬腐蝕的本質是金屬失去電子變成陽離子，發(fā)生氧化反應類型化學腐蝕金屬與接觸到的干燥氣體(如O2、Cl2、SO2等)或非電解質液體(如石油)等直接發(fā)生化學反應而引起的腐蝕電化學腐蝕不純的金屬與電解質溶液接觸時，會發(fā)生原電池反應，比較活潑的金屬失去電子而被氧化的腐蝕。電化學腐蝕比化學腐蝕更普遍，危害更大2.電化學腐蝕(1)析氫腐蝕含義：金屬表面的電解質溶液酸性較強。腐蝕過程有H2放出電極反應負極：Fe2e=Fe2正極：2H2e=H2總反應：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，氧氣參加電極反應電極反應負極：2Fe4e=2Fe2正極：O22H2O4e=4OH總反應：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？(用化學方程式表示)【提示】4Fe(OH)2O22H2O=4Fe(OH)32Fe(OH)3Fe2O33H2O金屬的電化學防護1.犧牲陽極的陰極保護法應用原電池原理，讓被保護金屬作正極，另找一種活潑性較強的金屬作負極。2外加電流的陰極保護法利用電解池原理，把被保護的鋼鐵設備作為陰極，用惰性電極作為輔助陽極，兩者在電解質溶液里，接外加直流電源。2電化學防護的實質是什么？【提示】把被保護的金屬作原電池正極或電解池陰極，不參與電極反應，從而不被氧化?；瘜W腐蝕與電化學腐蝕的比較【問題導思】純鐵和生鐵分別與等濃度的鹽酸反應，哪種反應更快？【提示】生鐵(因為形成原電池)自然界中，鋼鐵的腐蝕以哪種形式為主？【提示】電化學腐蝕?；瘜W腐蝕電化學腐蝕(主要)定義金屬跟接觸到的干燥氣體或非電解質液體等直接發(fā)生化學反應而引起的腐蝕不純金屬與電解質溶液接觸時，會發(fā)生原電池反應，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)直接接觸水膜中溶有O2，呈極弱酸性或中性水膜酸性較強區(qū)別無電流產生有微弱電流產生反應式2Fe3Cl2=2FeCl3負極：Fe2e=Fe2正極：2H2OO24e=4OH正極：2H2e=H2聯(lián)系兩種腐蝕往往同時發(fā)生，電化學腐蝕比化學腐蝕更普遍、危害更大化學腐蝕與電化學腐蝕雖然發(fā)生腐蝕的過程不同，但其實質相同，都是金屬元素被氧化。如何防止鐵的銹蝕是工業(yè)上研究的重點內容。為研究鐵銹蝕的影響因素，某同學做了如下探究實驗：序號內容實驗現(xiàn)象1常溫下將鐵絲放在干燥空氣中一個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鐵絲表面已變得灰暗6將浸過氯化鈉溶液的鐵絲放在高于常溫的氧氣流中一小時鐵絲表面灰暗程度比實驗5嚴重回答以下問題：(1)上述實驗中發(fā)生了電化學腐蝕的是(填實驗序號)_；在電化學腐蝕中，負極反應是_；正極反應是_；(2)由該實驗可知，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)?！窘馕觥拷獯鸬?1)題應注意聯(lián)系金屬的化學腐蝕與電化學腐蝕的區(qū)別，不純的金屬與電解質溶液接觸，因發(fā)生原電池反應，較活潑的金屬失電子而被氧化，分析題中實驗可知，實驗3、4、5、6發(fā)生了電化學腐蝕，其中負極反應是Fe2e=Fe2，正極反應是O22H2O4e=4OH。解答第(2)題時，對比實驗1和3可得出濕度增大，可使鐵銹蝕速率加快；對比實驗2、4可知增大O2濃度可加快鐵銹蝕的速率；對比實驗4、5可知升高溫度可加快鐵銹蝕的速率；對比實驗5、6可知電解質的存在會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，可采用犧牲陽極的陰極保護法、外加電流的陰極保護法，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、水等物質隔離，以防止金屬腐蝕。【答案】(1)3、4、5、6Fe2e=Fe2(或2Fe4e=2Fe2)2H2OO24e=4OH(2)溫度、濕度、O2的濃度、電解質存在(3)電鍍、烤藍等表面覆蓋保護層，犧牲陽極的陰極保護法、外加電流的陰極保護法等(答案合理即可)1用鋁制飯盒盛放醋酸，一段時間后，飯盒被腐蝕，該種腐蝕屬于_，反應的化學方程式可表示為_，若用鋁制飯盒盛放食鹽水，一段時間后，飯盒被腐蝕，這種腐蝕屬于_，反應原理是_(寫電極反應式和總反應方程式)?！窘馕觥夸X制飯盒盛放醋酸，鋁與醋酸直接反應使鋁氧化而損耗，屬于化學腐蝕，鋁制飯盒盛食鹽水時，則能形成原電池，因而發(fā)生的是電化學腐蝕。【答案】化學腐蝕2Al6CH3COOH=2Al(CH3COO)33H2電化學腐蝕負極：4Al12e=4Al3，正極：6H2O3O212e=12OH總反應方程式：4Al6H2O3O2=4Al(OH)3金屬腐蝕快慢的判斷以及金屬的防護【問題導思】把生鐵放在水中與放在食鹽水中，哪個腐蝕的快？【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腐蝕有防護措施的腐蝕。(2)對同一種金屬來說，腐蝕的快慢：強電解質溶液弱電解質溶液非電解質溶液。(3)活潑性不同的兩種金屬，構成原電池活動性差別越大，腐蝕越快。(4)對同一種電解質溶液來說，一般是電解質溶液濃度越大，腐蝕越快。2金屬的防護金屬防護改變金屬內部結構而增強抗腐蝕能力不銹鋼金屬表面覆蓋保護層涂礦物油、油漆或覆蓋搪瓷、塑料鍍抗蝕金屬電鍍、熱鍍、噴鍍法用化學方法使其表面形成一層致密的氧化膜，金屬的鈍化電化學保護法外加電流的陰極保護法犧牲陽極的陰極保護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量的四分之一。(1)鋼鐵腐蝕主要是吸氧腐蝕，該腐蝕過程中的電極反應式為：正極：_，負極：_。(2)為了降低某水庫的鐵閘門被腐蝕的速率，可以采用甲圖所示的方案，其中焊接在閘門上的固體材料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的腐蝕速率，其中鐵閘門應該連接在直流電源的_極?！窘馕觥?1)發(fā)生吸氧腐蝕時，負極上Fe失去電子，正極上O2得到電子。(2)鐵閘門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，屬于犧牲陽極的陰極保護法。(3)屬于外加電流的陰極保護法，需把被保護的鐵閘門連接在電源的負極?！敬鸢浮?1)O22H2O4e=4OH2Fe4e=2Fe2(2)C(3)負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為()ABC D【解析】中Fe放置在海水中，形成了無數(shù)微小原電池，發(fā)生電化學腐蝕。均構成了原電池。中Fe的活潑性強于Sn，F(xiàn)e作負極發(fā)生了電化學腐蝕；中Zn的活潑性比Fe強，Zn作負極被腐蝕，而Fe被保護；中Fe的活潑性遠遠強于Cu，所以Fe作負極被腐蝕，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為?！敬鸢浮緾【教師備課資源】下圖中，鐵腐蝕由快到慢的順序為(電解質溶液為水)_。【解析】中由于水中溶解了氧氣，鐵與雜質碳會形成原電池，發(fā)生電化學腐蝕；中鐵在油中，氧氣難以溶解，無電解質溶液，不能形成原電池；、都形成原電池，但中鐵為正極，受到保護；中鐵為負極，被氧化；、都形成了電解池；中鐵與電源的正極相連，作陽極，氧化速率加快；中鐵與電源的負極相連，作陰極，受到保護。所以鐵腐蝕由快到慢的順序為?！敬鸢浮拷饘俚母g與防護金屬的腐蝕實質Mne=Mn類型化學腐蝕電化學腐蝕吸氧腐蝕析氫腐蝕影響因素和快慢比較金屬的防護覆蓋保護層改變金屬內部結構電化學保護法犧牲陽極的陰極保護法外加電流的陰極保護法1以下現(xiàn)象與電化學腐蝕無關的是()A鍍錫鐵器比鍍鋅鐵器表面破損時更易被腐蝕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項中鍍錫鐵器表面破損時形成原電池，F(xiàn)e作負極，易被腐蝕，而鍍鋅鐵器表面破損時形成原電池，F(xiàn)e作正極，被保護。B項中純鐵不能形成原電池，所以不容易被腐蝕。C項中相鄰的銀牙和金牙容易形成原電池產生電流，使人頭痛惡心。D項中鐵和Cl2直接發(fā)生反應，為化學腐蝕，與電化學腐蝕無關?！敬鸢浮緿2鋼鐵發(fā)生吸氧腐蝕時，正極上發(fā)生的電極反應是()A2H2e=H2BFe22e=FeC2H2OO24e=4OHDFe3e=Fe2【解析】鋼鐵發(fā)生吸氧腐蝕，正極反應為2H2OO24e=4OH?！敬鸢浮緾3下列有關金屬的保護方法的說法中正確的是()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極保護法D鋼鐵制造的暖氣管道外常涂有一層瀝青，這是鋼鐵的電化學保護法【解析】A項中涂層破損后，鐵直接暴露在空氣中，因而搪瓷層不能對破損部分進行保護；B項中鍍層破損后由于鋅的金屬性比鐵強，和鐵構成原電池，鋅作負極，保護鐵不被腐蝕；C選項應是犧牲陽極的陰極保護法；D項中應是用瀝青作涂層的涂層保護法?！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)生腐蝕的電極反應式為：正極：_，負極：_。(2)為有效地保護潛艇，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】金屬防護的方法很多，可以采取以下措施進行。(1)改變金屬的內部組織結構。合金鋼中含有合金元素，使組織結構發(fā)生變化，耐腐蝕。如不銹鋼。(2)在金屬表面覆蓋保護層。常見方式有：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作用的另一種金屬。(3)電化學保護法：外加電源的陰極保護法：接上外加直流電源構成電解池，被保護的金屬作陰極。犧牲陽極的陰極保護法：外加負極材料，構成原電池，被保護的金屬作正極。【答案】(1)O22H2O4e=4OH2Fe4e=2Fe2(2)B10