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第四节 金属的电化学腐蚀与防护(上课)


第四章

电化学基础

第四节

金属的电化学腐蚀与防护

创设情景

看后:你有何感想?
金属腐蚀 ? 我国作为世界上钢铁产量最多的国家(2005年全国生 产钢材37117.02万吨) ,每年被腐蚀的铁占到我国钢 铁年产量的十分之一,因为金属腐蚀而造成的损失占 到国内生产总值的2%~4%;约合人民币:3000亿元 ( 2005年我国国内生产总值将达15万亿元) 。 ? 根据各国调查结果,一般说来,金属腐蚀所造成的经 济损失大致为该国国民生产总值的4%左右。 ? 另据国外统计,金属腐蚀的年损失远远超过水灾、火 灾、风灾和地震(平均值)损失的总和,在这里还不 包括由于腐蚀导致的停工、减产和爆炸等造成的间接 损失。

? 金属腐蚀的主要害处,不仅在于金属本身的损失, 更严重的是金属制品结构损坏所造成的损失比金属 本身要大到无法估量。 ? 腐蚀不仅造成经济损失,也经常对安全构成威胁。

? 国内外都曾发生过许多灾难性腐蚀事故,如飞机因 某一零部件破裂而坠毁;桥梁因钢梁产生裂缝而塌 陷;油管因穿孔或裂缝而漏油,引起着火爆炸;化 工厂中储酸槽穿孔泄漏,造成重大环境污染;管道 和设备跑、冒、滴、漏,破坏生产环境,有毒气体 如Cl2、H2S、HCN等的泄漏,更会危及工作人员和 附近居民的生命安全。

? 面对这样惊人的数据和金属腐蚀危害 事实,大家有没有想过,铁怎么会被 腐蚀?怎样防腐?
问题讨论

钢铁及其制品通常为含碳的铁合金,它 们在什么条件下易生锈? 试设计实验来 证明你的结论。

活动探究

钢铁及其制品等生锈的条件

实验结论:



问题讨论

钢铁及其制品通常为含碳的铁合金,若 在潮湿的环境里或湿度较大的环境里长 期放置,常易生锈变红,原因是什么?

活动与探究 P91

向铁粉中加入少量的炭粉,混合 均匀后,撒入内壁分别用氯化钠 和稀醋酸润湿过的两支试管分别 标记为a、b中,按图1-28装置好 仪器。几分钟后,打开止水夹, 观察、比较导管中水柱(在水中 滴加几滴红墨水)的变化和试管 中的现象。

实验现象: 装置a中的导管中水柱上升,装置b中的导管 中水柱下降。 思考:导管中的水柱变化说明什么问题? 讨论,小结:

装置a中的导管中水柱上升,说明大试管内气体压强 减小, a装置中有气体参加反应。 装置b中的导管中水柱下降,说明大试管内气体生成。
思考:向铁粉中加入炭粉的作用是什么?

在a装置中铁、炭、氯化钠溶液及b装置中铁、炭、 醋酸均构成原电池,能加快化学反应速率。

学生活动
请大家根据原电池原理,写出电极反应式及电池反应 方程式。 a装置中:负极: Fe - 2e- = Fe2+ 正极: O2 + 2H2O + 4e-= 4OH-

电池反应: 2Fe+ O2+2H2O =2Fe(OH)2

分析:中性或酸性很弱或碱性条件下,易发生吸氧腐蚀。

a装置中: 进一步反应:

4Fe(OH)2 +O2 + 2H2O =4 Fe(OH)3 2Fe(OH)3=Fe2O3· 2O+(3-n) H2O nH

b装置中:

负极: Fe - 2e- = Fe2+ 正极: 2H++ 2e- =H2 ↑

电池反应: Fe + 2H+ =Fe2+ + H2 ↑
分析:当钢铁处于酸性气氛中时,易发生析氢腐蚀; 析氢腐蚀和吸氧腐蚀都属于电化学腐蚀。

结合课本P90-P91相关内容
1、什么是金属腐蚀?有哪些类别? 2、化学腐蚀和哪些因素有关? 3、什么是电化学腐蚀?有哪些类别?分别 发生哪些电极反应?

知识总结
一、金属腐蚀

1、金属腐蚀:是指金属或合金跟接触的气体或液体发 生氧化还原反应而腐蚀损耗的过程。
失e2、金属腐蚀的本质: 金属原子 氧化反应
化学腐蚀 金属阳离子 M – ne-→Mn+

3、金属腐蚀的类型

析氢腐蚀
电化腐蚀 (常见普遍) 吸氧腐蚀

化学腐蚀与电化腐蚀的比较:
化学腐蚀 金属跟非金属单质直 接接触 无电流产生
金属被氧化

条件

电化腐蚀 不纯金属或合金 跟电解质溶液接触 有微弱电流产生
较活泼金属被氧化

现象 本质
联系

两者往往同时发生,电化腐蚀更普遍

钢铁的析氢腐蚀和吸氧腐蚀比较
析氢腐蚀 条 件 水膜呈酸性。 吸氧腐蚀 水膜呈中性或酸性很弱或碱性。 2Fe-4e-=2Fe2+ O2+2H2O+4e-=4OH2Fe+2H2O+O2= 2 Fe(OH)2 4Fe(OH)2+2H2O+O2=4Fe(OH)3 Fe2O3 · 2O nH (铁锈)

电 负极Fe(- ) Fe-2e-=Fe2+ 极 正极C(+) 2H++2e-=H2↑ 反 应 总反应: Fe + 2H+ = Fe2+ + H2 ↑

联 系

通常两种腐蚀同时存在,但以后者更普遍。

交流与讨论
铁生锈除了必须有空气及水的参与外,还受其他一些因素 的影响。请解释下列有关铁生锈现象的原因。 1.相对于在内河行驶的轮船来说,海轮更容易被腐蚀。 因为海水中含有较多的氯化钠等盐类,导电能力比内河 的水更强,而在电解质溶液中,电化学腐蚀更容易进行。 2. 1910年遗留在南极的食品罐头盒,其表面至今很少有 铁锈出现。 是由于南极的温度常年在0℃以下,说明在较高温度下, 腐蚀更易进行。

交流与讨论
3.用于连接铜板的铁螺丝容易生锈。 是由于铁与铜及空气中的水蒸汽构成了原电池,铁作原 电池的负极,因此铁易被腐蚀而生锈。 4.当化工厂派出的废气为酸性气体时,工厂附近的铁制品 容易生锈。

说明铁制品在酸性条件下比在中性条件下更容易被腐蚀。

课堂练习
1、如图, 水槽中试管内有一枚铁钉,放置数天观察:

(1) 若液面上升,则溶液呈 中性或碱性 性,发生
Fe–2e-=Fe2+ , 吸氧 腐蚀,电极反应式为:负极: O2+2H2O+4e-=4OH- 正极: (2) 若液面下降,则溶液呈 酸性 性,发生 析氢 腐蚀,电极反应式为: 负极: Fe–2e-=Fe2+ 2H++2e-=H2↑。 正极:

交流与讨论
请大家根据铁生锈的原理,思考 应采取什么措施防止铁生锈?
请大家阅读课本P92-93

二、金属的电化学保护
1.牺牲阳极保护法
原理 : 形成原电池反应时,让被保护金属做正 极,不反应,起到保护作用;而活泼金 属反应受到腐蚀。

牺牲阳极的阴极保护法示意图

2.外加电流法 将被保护金属与另一附加电极作为电解池的 两个极,使被保护的金属作为阴极,在外加直流 电的作用下使阴极得到保护。此法主要用于防止 土壤、海水及水中金属设备的腐蚀。

辅助阳极 (不溶性)

外加电流的阴极保护法示意图

除此以外还有其它防护方法?

小结
金属防护的几种重要方法 ①在金属表面覆盖保护层。 ②改变金属内部的组织结构,制成合金。 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。

课堂练习
2、2000年5月,保利集团在香港拍卖会上花费3000多 万港币购回在火烧圆明园时流失的国宝:铜铸的牛首、 猴首和虎首,普通铜器时间稍久容易出现铜绿,其主 要成分是[Cu2(OH)2CO3]这三件1760年铜铸的国宝在 240 年后看上去仍然熠熠生辉不生锈,下列对起原因 的分析,最可能的是

(D)

A、它们的表面都电镀上了一层耐腐蚀的黄金;
B、环境污染日趋严重,它们表面的铜绿被酸雨溶解 洗去; C、铜的金属活动性比氢小,因此不宜被氧化; D、它们是含一定比例金、银、锡、锌的合金;

探究一:镀锌铁皮和镀锡铁皮哪个更易被腐 蚀?为什么? 探究二、纯锌和粗锌哪个更易和酸反应?如 果向酸中再加入硫酸铜又会什么现象?

课堂练习
3.下列各情况,在其中Fe片腐蚀由快到慢的顺序是
(5) (2) (1) (3) (4)


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