第三单元 金属的腐蚀与防护国家获奖教案

金属的电化学腐蚀与防护

三维目标

【知识与技能】

知道金属腐蚀的两种类型(化学腐蚀和电化学腐蚀)，能解释金属发生电化学腐蚀的原因，认识金属腐蚀的危害，掌握化学腐蚀与电化学腐蚀的原理。

【过程和方法】

从实验探究过程中提高对实验现象的观察能力和分析能力，通过实验探究防止金属腐蚀的措施，查阅资料并交流防止钢铁腐蚀的方法。

【情感态度与价值观】

通过金属腐蚀与生产、生活实际相联系的内容，增强学生学习兴趣；通过课堂探究活动，发展学生的探究能力，学会与人合作交流，研究探讨科学问题。

教学重难点

教学重点

金属的电化学腐蚀及金属的电化学防护。

教学难点

金属发生吸氧、析氢腐蚀的电化学原理。

教学过程设计

导入新课

[展示图片]生活中常见的金属腐蚀以及由此带来的损耗

[资料卡片]金属腐蚀对人类社会的影响——据美国、日本、加拿大等国公布的报告，每年仅因腐蚀所造成的直接经济损失大约占了国民经济总产值的1%～4%，腐蚀生锈的钢铁约占年产量的20%。而在我国，每年金属腐蚀造成的经济损失约占国民生产总值的4%，腐蚀损失甚至超过了火灾、风灾和地震造成损失的总和。

据有关资料统计，世界上每年因腐蚀而报废的金属材料和设备约相当于金属材料产量的20%以上，一些发达国家由于金属腐蚀而造成的经济损失大约占国民经济总产值的2%～4%。钢铁腐蚀后的影响，除了直接损耗以外，从钢结构受力分析，日本统计过这样的资料，在受力情况下钢结构被腐蚀后，若腐蚀1%，其强度下降10%～15%。若双面腐蚀各达5%，其结构将报废。随着全球工业的发展，腐蚀的问题日趋严重。

[指导阅读]阅读“金属的电化学腐蚀内容”，回答下列问题。

①什么是金属腐蚀？其本质是什么？

②金属腐蚀有哪些种类？化学腐蚀和哪些因素有关？

③什么是电化学腐蚀？

推进新课

[投影、板书](学生回答) 一．金属的电化学腐蚀

(一)金属腐蚀

1．定义：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。

2．本质：M－ne＝＝＝Mn(氧化反应)。

－＋3．类型：化学腐蚀——直接反应

电化学腐蚀——原电池反应。

[投影、板书](学生填空划线部分) (二)化学腐蚀

1．定义：金属与接触到的干燥气体(如O2、Cl2、SO2等)或非电解质液体(如石油)等直接发生化学反应而引起的腐蚀。如：钢管被原油中的含硫化合物腐蚀

[展示图片] 常见的化学腐蚀

(三)电化学腐蚀

1．定义：不纯的金属跟电解质溶液接触时。会发生原电池反应，比较活泼的金属失去电子而被氧化，如钢铁在潮湿的空气中生锈。

2．吸氧腐蚀

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，是什么原因？下面我们就来讨论钢铁在潮湿的空气中生锈的原因。

[实验探究]将经过酸洗除锈的铁钉，用饱和食盐水浸泡一下，放入下图具支试管中，观察导管中水柱变化，并思考引起变化的原因

[教师投影、板书]

吸氧腐蚀：中性或酸性很弱及碱性条件下，易发生吸氧腐蚀。

负极：2Fe－4e＝＝＝2Fe2

正极：O2＋2H2O＋4e＝＝＝4OH

－＋－－

离子反应：Fe2＋2OH＝＝＝Fe(OH)2

＋－电池反应：2Fe＋O2＋2H2O＝＝＝2Fe(OH)2

进一步反应：4Fe(OH)2＋O2＋2H2O＝＝＝4Fe(OH)3

2Fe(OH)3＝＝＝Fe2O3·xH2O＋(3－x)H2O [投影] 钢铁在潮湿的空气中表面会形成一薄层水膜，水膜又溶解来自大气的CO2、SO2等气体，使水膜中含有一定量的H，它是由这样一些反应产生的：

H2OH2O＋CO2H＋OH

H2CO3H＋HCO3

＋－＋－＋结果在钢铁表面形成了一层电解质溶液的薄膜，它和钢铁中的铁和少量碳恰好构成原电池，发生探究实验中的吸氧腐蚀。

[投影]电解质浓度越大，反应速率越快，同学们可联想家中炒菜的铁锅前一天晚上刚用过，第二天就锈迹斑斑，就是发生吸氧腐蚀。夏天腐蚀更快，温度高反应快。

3．析氢腐蚀

[投影练习]析氢腐蚀：当钢铁处于酸性环境中，比如硫酸型酸雨，请同学写出电极反应式：

[学生讨论] [投影分析]Fe＋H2SO4＝＝＝FeSO4＋H2↑，反应的离子方程式为Fe＋2H＝＝＝Fe2＋H2↑

＋＋从而写出电极反应式：

负极：Fe－2e＝＝＝Fe2

正极(C)：2H＋2e＝＝＝H2↑

－＋＋－电池反应：Fe＋2H＝＝＝Fe2＋H2↑

＋＋[投影、板书]

[投影练习]1．化学腐蚀与电化学腐蚀的比较

条件

本质

现象

区别

联系

化学腐蚀

金属与接触到的物质直接反应

M－ne===Mn

－＋电化学腐蚀

不纯金属接触到电解质溶液发生

原电池

反应

较活泼金属被腐蚀

有微弱电流产生

金属被腐蚀

无电流产生

普遍性：

电化学

腐蚀比化学腐蚀普遍得多，危害也更严重

2．析氢腐蚀和吸氧腐蚀比较

分类

条件

负极反应

正极反应

总反应

析氢腐蚀

水膜酸性较强

Fe －2e

=== Fe2

－＋吸氧腐蚀

水膜酸性较弱或呈中性

2Fe －4e

=== 2 Fe2

－＋2H

＋

2e=== H2↑

Fe ＋

2H== Fe2

＋

H2↑

＋＋＋－2H2O ＋

O2

＋

4e

== 4OH

2Fe ＋

2H2O ＋

O2 ==2Fe(OH)2

4Fe(OH)2＋2H2O＋O2=== 4Fe(OH)3

Fe2O3.xH2O －－ 次要

主要

[投影]析氢腐蚀当酸性降低时，就发生了吸氧腐蚀

练习1:用压强传感器探究生铁在pH=2和pH=4醋酸溶液中发生腐蚀的装置及得到的图象如下，分析图象以下结论错误的是（ C）

A．溶液pH≤2时，生铁发生析氢腐蚀 B．在酸性溶液中生铁可能发生吸氧腐蚀

B.析氢腐蚀和吸氧腐蚀的速率一样快 D．两溶中负极反应均为：Fe-2e-=Fe2+ 练习2：下面两套实验装置，都涉及金属的腐蚀反应，假设其中的金属块和金属丝都是足量的。请同学们仔细观察

下列叙述正确的是[ ] A．装置Ⅰ在反应过程中自始至终只生成NO2气体

B．装置Ⅱ开始阶段铁丝只发生析氢腐蚀 C．装置Ⅱ在反应过程中能产生氢气

D．装置I在反应结束时溶液中的金属阳离子只有Cu2+ [展示图片]金属的防护

金属防腐问题是一个世界性的问题，下面我们就来学习金属的防护。

[设计意图]通过相关资料，使学生了解金属腐蚀对人类社会的影响，激发学生学习化学知识的兴趣，培养他们具有关心社会的责任感和使命感。

[投影、板书] 二．金属的电化学防护

(一)牺牲阳极的阴极保护法

[投影、学生练习]如下图

在海水中钢闸门上焊一块锌，哪一种金属先被腐蚀？发生什么腐蚀？若是电化学腐蚀，试写出电极反应式。

[分析讨论] [投影] Zn比Fe活泼，锌被腐蚀，发生吸氧腐蚀，反应方程式为2Zn＋O2＋2H2O＝＝＝2Zn(OH)2

负极：2Zn－4e＝＝＝2Zn2

－＋正极：O2＋2H2O＋4e＝＝＝4OH

离子方程式：Zn2＋2OH＝＝＝Zn(OH)2

＋－－－[学生回答] 阳极：发生氧化反应的一极；阴极：发生还原反应的一极。

[教师补充]这是阴、阳极的定义，放之四海皆准。

[投影] 原电池的负极(阳极)的金属被腐蚀，原电池的正极(阴极)的金属被保护，这就是金属防护中利用原电池原理保护金属的方法，叫牺牲阳极的阴极保护法。

（1）原理：形成原电池反应时，让被保护金属做阴(正)极，不反应，起到保护作用；而活泼金属反应受到腐蚀。

（2）实验探究：装置如下图

[投影、实验探究]验证牺牲阳极的阴极保护法

按下图连接好装置，观察电压计和Fe电极上有什么现象发生？往Fe电极区滴入2滴黄色K3[Fe(CN)6](铁氰化钾)溶液，观察烧杯内溶液颜色有无变化。

[投影、学生讨论] ①电压计指针有何变化？为什么？

②Zn、Fe电极上发生了什么反应？

③Fe2与[Fe(CN)6]3反应生成带有特征蓝色的铁氰化亚铁沉淀。

＋－3Fe2＋2[Fe(CN)6]3＝＝＝Fe3[Fe(CN)6]2↓

＋－在这个装置中没有Fe2产生？说明什么问题？

＋

(二)外加电流的阴极保护法

（1）原理：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，直接与电源负极相连使金属不失电子而得到保护。此法主要用于防止土壤、海水及水中金属设备的腐蚀。

（2）装置如下图：

[投影、讨论] 联系生活实际，除此以外还有哪些防护方法？

[投影、归纳小结] ①改变金属的内部结构(钢→不锈钢，在钢中加入镍和铬)。

②覆盖保护膜(涂油漆、电镀、钝化等)。

③金属被保护的效果比较：电解池的阴极保护(外加电流的阴极保护法)＞原电池的正极(牺牲阳极的阴极保护法)＞一般保护。

[投影、练习] ①为了防止钢铁锈蚀，下列防护方法中正确的是(

) A．在精密机床的铁床上安装铜螺钉

B．在排放海水的钢铁阀门上用导线连接一块石墨，一同浸入海水中

C．在海轮舷上用铁丝系住锌板浸在海水里

D．在地下输油的铸铁管上接直流电源的负极

②下列事实不能用电化学理论解释的是(

) A．轮船水线以下的船壳上装一定数量的锌块

B．铝片不用特殊方法保存

C．纯锌与稀硫酸反应时，滴入少量硫酸铜溶液后放出气泡的速率加快

D．镀锌的铁皮比镀锡的铁皮耐用

[学生讨论、教师投影] ①A选项是构成Fe—Cu原电池，加快铁的腐蚀；B选项是构成Fe—C原电池，加快钢铁阀门的腐蚀；C选项是通过构成Zn—Fe原电池，在海轮舷上系Zn板构成原电池负极，从而保护海轮不被腐蚀；D选项是直接加负电使铁不失电子而起到保护作用。

答案：CD ②A选项是通过构成Zn—Fe原电池，在船壳上加Zn块构成原电池负极，从而保护船体不被腐蚀。B选项是靠氧化膜保护铝。C选项Zn＋Cu2＝＝＝Cu＋Zn2，生成的Cu与Zn在＋＋溶液中构成原电池加快反应的速率。D选项中Zn—Fe原电池Zn为负极，而Fe—Sn原电池中Fe为负极，故前者Zn被氧化保护了铁。

答案：B [投影、问题探究] 纯锌和粗锌哪个更易和酸反应？如向酸中再加硫酸铜又会有什么现象？

三．金属腐蚀快慢比较

[投影、练习]下列各情况，在其中Fe片腐蚀由快到慢的顺序是________。

[投影分析] A选项发生正常腐蚀；B选项发生原电池反应，铁作负极，反应速率加快；C选项发生原电池反应，锌作负极，锌被腐蚀，铁被保护，不易腐蚀；D选项中铁接负极被保护，腐蚀最不容易；E选项中铁接正电，加快腐蚀，比B选项还快，是腐蚀最快的。

答案：E＞B＞A＞C＞D [投影、板书] 1．金属材料作为原电池正极、电解池阴极时受到保护。

2．在同一电解质溶液中，金属腐蚀的快慢规律如下：

电解原理引起的腐蚀＞原电池原理引起的腐蚀＞化学腐蚀＞防腐措施的腐蚀。

[实践活动] 可组织社会调查等活动，然后进行交流。相关专题可以是：

1．在当地，金属腐蚀的现状及其危害。

2．在当地，人们对金属腐蚀的严重性和危害性的认识程度。

3．通过观察和资料收集，你了解哪些防治金属腐蚀的方法？在社会上相关的科学技术有无新的进展？

板书设计

一．金属的电化学腐蚀

(一)金属腐蚀

1．定义：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。

2．本质：M－ne＝＝＝Mn(氧化反应)。

－＋3．类型：化学腐蚀——直接反应；电化学腐蚀——原电池反应。

(二)化学腐蚀

1．定义

2Fe＋3Cl2=====2FeCl3

点燃

2．影响因素

(三)电化学腐蚀

1．定义

2．吸氧腐蚀

中性或酸性很弱及碱性条件下：

负极：2Fe－4e＝＝＝2Fe2；

－＋正极：O2＋2H2O＋4e＝＝＝4OH；

离子反应：Fe2＋2OH＝＝＝Fe(OH)2；

＋－－－电池反应：2Fe＋O2＋2H2O＝＝＝2Fe(OH)2；

进一步反应：4Fe(OH)2＋O2＋2H2O＝＝＝4Fe(OH)3；

2Fe(OH)3＝＝＝Fe2O3·xH2O＋(3－x)H2O。

3．析氢腐蚀

硫酸型酸雨

Fe＋H2SO4＝＝＝FeSO4＋H2↑。

负极：Fe－2e＝＝＝Fe2；

－＋正极(C)：2H＋2e＝＝＝H2↑；

电池反应：Fe＋2H＝＝＝Fe2＋H2↑

＋＋＋－二．金属的电化学防护

(一)牺牲阳极的阴极保护法

(二)外加电流的阴极保护法

三．金属腐蚀快慢比较