資源簡介

(共24張PPT)
第四章 化學反應與能量
第三節 金屬的腐蝕與防護
教學目標
1、教學目標
1) 通過查閱金屬腐蝕的資料等活動，認識金屬腐蝕的嚴重性及危害；能運用電化學原理解釋金屬腐蝕的現象，進一步增強社會責任。
2) 通過鋼鐵腐蝕的實驗，了解金屬腐蝕的本質；能書寫鋼鐵腐蝕的電極反應及總反應；能根據電化學原理選擇并設計金屬防護的措施。
2、教學重點和難點
1) 重點：金屬的電化學腐蝕及電化學防護原理。
2) 難點：金屬發生吸氧腐蝕的原理。
新課導入
金屬的腐蝕在生活中非常普遍
鐵銹: Fe2O3 . nH2O
金屬的腐蝕
1、金屬的腐蝕
概 念
特 征
本 質
分 類
危 害
金屬或合金與周圍的氣體或液體物質發生氧化還原反應而引起損耗的現象。
金屬被腐蝕后，在外形、色澤及機械性能等方面會發生變化
金屬失電子變為金屬陽離子，即：M﹣ne ＝ Mn+
依據與金屬或合金接觸的氣體或液體不同，金屬腐蝕一般可分為化學腐蝕和電化學腐蝕兩大類。
金屬被腐蝕后會使機器設備、儀器、儀表的精度和靈敏度降低，直至報廢。金屬腐蝕還會使橋梁、建筑物的金屬構架強度降低而造成坍塌，會使地下金屬管道發生泄漏、輪船船體損壞等，造成經濟損失。
金屬的腐蝕
2、化學腐蝕與電化學腐蝕的比較
概 念
條 件
現 象
化學腐蝕
電化學腐蝕
本 質
影響
因素
金屬與其表面接觸的一些物質 (如O2、Cl2、SO2等)直接發生化學反應而引起的腐蝕
不純的金屬與電解質溶液接觸時會發生原電池反應，比較活潑的金屬發生氧化反應而被腐蝕
金屬或合金與
氧化劑直接接觸
不純的金屬或合金與電解質溶液接觸
無電流產生
有微弱電流產生
金屬被氧化而腐蝕
較活潑金屬被氧化而腐蝕
與氧化劑的氧化性及溫度等有關
與電解質溶液的酸堿性及金屬活動性有關
金屬的腐蝕
2、化學腐蝕與電化學腐蝕的比較
示 例
聯 系
化學腐蝕
電化學腐蝕
鐵與氯氣直接反應而腐蝕；輸油、輸氣的鋼管被原油、天然氣中的含硫化合物腐蝕
鋼鐵制品在潮濕的空氣中銹蝕是電化學腐蝕的典型例子
金屬腐蝕的過程中電化學腐蝕和化學腐蝕往往同時發生，但絕大多數屬于電化學腐蝕(多數金屬不是純金屬)，且電化學腐蝕速率比化學腐蝕速率大得多。
金屬的腐蝕
3、鋼鐵的電化學腐蝕
生活小常識：鋼鐵在干燥的空氣里長時間不易被腐蝕，但在潮濕的空氣里卻很快被腐蝕，這是什么原因呢？
化學原理：在潮濕的空氣中，鋼鐵制品表面會形成一薄層水膜，空氣中的CO2、SO2、H2S等物質溶解在其中形成電解質溶液，并與鋼鐵制品中的Fe和少量單質碳在水膜的覆蓋下構成許許多多微小的原電池。
溫馨提示：由于環境的不同，水膜中H＋濃度和O2濃度也不相同，鋼鐵的電化學腐蝕分為析氫腐蝕和吸氧腐蝕。
金屬的腐蝕
3、鋼鐵的電化學腐蝕
1) 析氫腐蝕：
當電解質溶液酸性較強時(pH≤4.3)，腐蝕過程中有氫氣放出。
負 極:
正 極:
總反應:
Fe 2e ＝ Fe2+
2H+ + 2e ＝ H2↑
Fe + 2H+ ＝ Fe2+ + H2↑
解釋：水膜中的H＋在正極得電子后放出H2，水膜中的水不斷電離，OH 濃度升高并向整個水膜擴散，與此同時Fe2＋被空氣中的O2氧化為Fe3＋ ( 4Fe2＋＋O2＋4H＋＝4Fe3＋＋2H2O )；Fe3＋和OH 結合成Fe(OH)3。Fe(OH)3失去部分水生成鐵銹 (主要成分為Fe2O3·xH2O)。
金屬的腐蝕
3、鋼鐵的電化學腐蝕
2) 吸氧腐蝕：
水膜的酸性很弱或呈中性，水中溶解的O2比H＋更容易得到電子，此時將發生吸氧腐蝕。
負 極:
正 極:
總反應:
Fe 2e ＝ Fe2+
O2+2H2O+4e ＝4OH
2Fe+O2+2H2O＝2Fe(OH)2
解釋：Fe(OH)2繼續被O2氧化
4Fe(OH)2＋O2＋2H2O＝4Fe(OH)3
Fe(OH)3失去部分水生成鐵銹(Fe2O3·xH2O)
金屬的腐蝕
3、鋼鐵的電化學腐蝕
鐵銹疏松的覆蓋在鋼鐵表面，不但不能阻止金屬內部被腐蝕，反而會吸附更多的水分加速鋼鐵腐蝕。實際上鋼鐵在空氣中的腐蝕是析氫腐蝕和吸氧腐蝕綜合作用的結果。例如在生成或使用酸性氣體的化工廠、實驗室以及周邊一些場所的鐵制品主要發生的是析氫腐蝕，而日常生活中由于環境中酸性氣體并不多，因而多以吸氧腐蝕為主。
金屬的腐蝕
教材P108·實驗4 3：電化學腐蝕實驗
(1)將經過酸洗除鐵銹的鐵釘用飽和
食鹽水浸泡一下，放入如圖所示的具支
試管中。幾分鐘后，觀察導管中水柱的
變化，解釋引起這種變化的原因。
(2)取兩支試管，分別放入兩顆鋅粒
和等體積、等濃度的稀鹽酸，觀察現象。然后，向其中一支試管中滴加1 ~ 2滴硫酸銅溶液，再觀察現象。解釋產生不同現象的原因。
金屬的腐蝕
現象
原因
分析
(1)鐵釘的吸氧腐蝕實驗
(2)鋅的析氫腐蝕實驗
教材P108·實驗4 3：電化學腐蝕實驗
導管中水柱上升，
鐵釘表面有鐵銹生成
未滴加硫酸銅溶液時，兩支試管中產生氣泡的速率相同；滴加硫酸銅溶液的試管內產生氣泡的速率變快
Fe(負極)、C(正極)、飽和食鹽水(中性)構成原電池，發生吸氧腐蝕
Zn(負)、Cu(正)、稀鹽酸(酸性)構成原電池，發生析氫腐蝕
金屬的腐蝕
金屬腐蝕的主要原因是由于金屬與周圍的物質發生氧化還原反應所引起的，因此金屬的防護主要從金屬、與金屬接觸的物質及兩者反應的條件等方面來確定金屬防護的具體方法。
1、金屬防護的原理
2、金屬防護的方法
1) 改變金屬材料的組成：
在金屬中添加其他金屬或非金屬可以制成性能優異的合金。如：把鉻、鎳等加入普通鋼中制成不銹鋼，以增加鋼鐵的抗腐蝕能力；鈦合金還具有良好的生物相溶性。
金屬的防護
2、金屬防護的方法
2) 在金屬表面覆蓋保護層
①非金屬保護層：在鋼鐵制品的表面噴涂油漆、礦物性油脂或覆蓋搪瓷、塑料等。
②金屬保護層：用電鍍等方法在鋼鐵表面鍍上一層鋅、錫、鉻、鎳等金屬。
③發藍處理：通過化學方法使鋼鐵部件表面生成一層致密的Fe3O4薄膜。
④鈍化處理：利用陽極氧化處理鋁制品，使之形成致密的氧化膜而鈍化等。另外，采用離子注入、表面滲鍍等方式也可形成穩定的鈍化膜等。
金屬的防護
2、金屬防護的方法
3) 電化學保護法
金屬在發生電化學腐蝕時，總是作為原電池的負極被氧化，作為正極的金屬則不被腐蝕。如果能使被保護的金屬作原電池的正極或電解池的陰極，則該金屬就不易被腐蝕。因此電化學保護法通常可以采用“犧牲陽極法”和“外加電流法”兩種陰極保護法。
金屬的防護
①兩種陰極保護法的比較
依 據
原 理
優缺點
犧牲陽極法
外加電流法
應 用
示意圖
原電池原理
電解池原理
被保護的金屬作正極，不反應被保護；活潑金屬作負極，發生反應被腐蝕。
被保護的金屬作陰極，惰性電極作為輔助陽極，在外加直流電的作用下使陰極得到保護。
需定期檢查、更換電極
無需更換電極，但消耗電能
鍋爐內壁、船舶的外殼等
保護土壤、海水中的金屬設備
金屬的防護
教材P110·實驗4 4：犧牲陽極法的兩個實驗
(1)以Fe作保護極，Zn作輔助電極，以經過酸化的3% NaCl溶液作電解質溶液，按圖所示連接裝置。觀察電流表指針的變化，以及燒杯中兩個電極附近發生的現象。過一段時間，用膠頭滴管從Fe電極區域取少量溶液于試管中，再向試管中滴入2滴K3[Fe(CN)6](鐵氰化鉀)溶液，觀察試管中溶液顏色的變化。
資料卡片：Fe2＋的檢驗
Fe2＋與K3Fe(CN)6溶液(黃色)反應生成KFe[Fe(CN)6](藍色)沉淀
Fe2＋＋K＋＋Fe(CN)63 ＝KFe[Fe(CN)6]↓
金屬的防護
教材P110·實驗4 4：犧牲陽極法的兩個實驗
(1)以Fe作保護極，Zn作輔助電極，以經過酸化的3% NaCl溶液作電解質溶液，按圖所示連接裝置。觀察電流表指針的變化，以及燒杯中兩個電極附近發生的現象。過一段時間，用膠頭滴管從Fe電極區域取少量溶液于試管中，再向試管中滴入2滴K3[Fe(CN)6](鐵氰化鉀)溶液，觀察試管中溶液顏色的變化。
實驗
現象
實驗結論
電流表指針發生偏轉；Zn電極逐漸溶解；Fe電極無明顯現象；試管內不顯特征藍色
Fe、Zn、3%NaCl溶液構成原電池；該裝置中鐵未被腐蝕
金屬的防護
教材P110·實驗4 4：犧牲陽極法的兩個實驗
(2)將1 g瓊脂加入250 mL燒杯中，再加入50 mL飽和食鹽水和150mL水。攪拌、加熱煮沸，使瓊脂溶解。稍冷后，趁熱把瓊脂溶液分別倒入兩個培養皿中，各滴入5 ~ 6滴酚酞溶液和K3[Fe(CN)6溶液，混合均勻。取兩個2~3cm長的鐵釘，用砂紙擦光。如圖a所示，將裹有鋅皮的鐵釘放入上述的一個培養皿中；如圖b所示，將纏有銅絲的鐵釘放入另一個培養皿中。觀察并解釋實驗現象。
(a)
(b)
金屬的防護
教材P110·實驗4 4：犧牲陽極法的兩個實驗
(a)
(b)
實驗
操作
實驗
現象
有關
反應
實驗
結論
鋅皮處瓊脂溶液顏色無變化；
鐵釘處瓊脂溶液逐漸變紅
銅絲處瓊脂溶液變紅；
鐵釘處出現藍色
Zn﹣2e ＝ Zn2＋
O2+2H2O+4e ＝4OH
Fe﹣2e ＝ Fe2＋
O2+2H2O+4e ＝4OH
Fe、Zn和NaCl溶液構成原電池；Zn被腐蝕， Fe被保護
Fe、Cu和NaCl溶液構成原電池； Fe被腐蝕， Cu被保護
金屬的防護
練、下圖是實驗室研究海水對鐵閘不同部位腐蝕情況的剖面示意圖。
(1)該電化學腐蝕稱為___________
(2)圖中A、B、C、D四個區域，生成鐵銹
最多的是____(填字母)
(3)以鋅為負極，采用犧牲陽極的陰極保
護法防止鐵閘的腐蝕，圖中鋅塊的固定
位置最好應在____處(填字母)
吸氧腐蝕
B
C
金屬的防護
練、下列各情況下Fe片腐蝕由快到慢的順序是_____________
⑤②①③④
金屬腐蝕的快慢
1、同一金屬在相同電解質溶液中：
電解池陽極＞原電池負極＞化學腐蝕＞原電池正極＞電解池陰極
2、同一金屬在不同電解質溶液中：
強電解質溶液＞弱電解質溶液＞非電解質溶液
3、與構成微電池兩極材料：活動性差別越大，活潑金屬被腐蝕的速率越快
謝謝

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