高中化学鲁科版选修1 化学与生活课题4 金属制品的防护教学设计

课题4　金属制品的防护

学习目标：1.理解金属腐蚀的本质，金属的电化学腐蚀的原理。(重难点)2.掌握金属防护的原理和常用方法。(重点)3.认识金属与合金在组成和性能上的主要区别。(重点)

一、自行车金属部件为什么易被腐蚀

1．钢铁的电化学腐蚀(以吸氧腐蚀为例)

(1)电极反应

负极：2Fe－4e－===2Fe2＋

正极：2H2O＋O2＋4e－===4OH－

(2)电池反应：2Fe＋2H2O＋O2===2Fe(OH)2。

(3)铁锈的形成(用化学方程式表示)

Fe(OH)2不稳定，在空气中进一步被氧化：

4Fe(OH)2＋O2＋2H2O===4Fe(OH)3

氢氧化铁分解生成红色的三氧化二铁，即铁锈的主要成分。

2．金属腐蚀的本质及分类

(1)本质：金属原子失去电子变成金属阳离子，在此过程中金属被氧化。

(2)分类

①化学腐蚀：金属与氧化剂直接接触而被腐蚀的过程。

②电化学腐蚀：

金属在有电解质溶液存在的情况下通过原电池反应发生的腐蚀。

微点拨：化学腐蚀过程中没有电流产生。纯金属一般发生化学腐蚀，合金在潮湿环境中一般发生电化学腐蚀。

二、自行车金属部件的防腐蚀

1．加防护层

如给车架、挡泥板、车后座烤上一层漆，给链条涂上机油，给轴承涂上凡士林，将车把、车圈、车辐条进行电镀，将车座弹簧用一层“烤蓝”保护。

2．电化学保护

(1)根据电化学原理，只要将要保护的金属与比它活泼的金属相连构成原电池，便可以使要保护的金属不被腐蚀，这就是牺牲阳极的阴极保护法。

(2)将要保护的金属和一块不溶性辅助电极，分别连接到电源的负极和正极上，接通直流电源，使电子流入要保护的金属，这种方法称作外加电流的阴极保护法。

三、自行车中的合金材料

1．合金

(1)概念：由金属与其他金属或非金属熔合而成的具有金属特性的物质。

(2)常见的合金：常用的钢铁材料是铁的合金，黄铜是铜锌合金，青铜是铜锡合金。

2．自行车中合金材料的选择

(1)自行车材料选用的标准

重量轻、耐腐蚀、强度高和减震性能好。

(2)几种合金材料的性能比较

1．判断对错(对的在括号内打√，错的在括号内打×)

(1)钢铁在发生电化学腐蚀的负极反应为Fe－3e－===Fe3＋。 (　　)

(2)金属腐蚀的本质是金属失去电子被氧化。 (　　)

(3)牺牲阳极的阴极保护法是依据原电池原理设计的。 (　　)

(4)合金中没有非金属元素。  (　　)

[答案]　(1)×　(2)√　(3)√　(4)×

2．钢铁在很弱的酸性或中性条件下发生电化学腐蚀时，正极的反应式为(　　)

A．Fe－2e－===Fe2＋

B．2H＋＋2e－===H2↑

C．2H2O＋O2＋4e－===4OH－

D．Fe－3e－===Fe3＋

C　[吸氧腐蚀正极反应是O2得电子发生还原反应：2H2O＋O2＋4e－===4OH－。]

3．如图所示自行车各部件防腐措施不恰当的是(　　)

A．涂机油　 B．烤漆

C．镀锌 D．镀铬

A　[车把常与人体接触，涂机油不合适，车齿轮部位可以涂机油防腐。]

吸氧腐蚀示意图　　　析氢腐蚀示意图

[思考交流]

1．析氢腐蚀和吸氧腐蚀发生的条件有何不同？哪类腐蚀更普遍？

[提示]　析氢腐蚀的形成条件是水膜酸性较强，吸氧腐蚀的形成条件是水膜酸性很弱或呈中性。因为多数情况下水膜酸性较弱，故吸氧腐蚀比析氢腐蚀更普遍。

2．钢铁的析氢腐蚀和吸氧腐蚀正负极材料相同吗？正负极反应有何异同？

[提示]　钢铁的析氢腐蚀和吸氧腐蚀正负极材料相同，发生的负极反应也相同：Fe－2e－===Fe2＋，而正极反应不同：析氢腐蚀为2H＋＋2e－===H2↑；吸氧腐蚀为2H2O＋O2＋4e－===4OH－。

析氢腐蚀与吸氧腐蚀的比较

如图是在法国拍卖会拍卖的我国圆明园兽首——兔首和鼠首，拍卖台上渴望回家的铜器兔首和鼠首看上去仍熠熠生辉。

[思考交流]

(1)防止金属腐蚀可考虑哪些措施？合金和“烤蓝”处理分别属于哪类保护金属的方法？

[提示]　防止金属腐蚀可考虑以下三个途径：改善金属的内部结构，添加保护层，电化学保护法。合金属于改善金属的内部结构而使金属受到保护的方法，金属的“烤蓝”处理则是通过覆盖氧化膜形成保护层而使金属受到保护的方法。

(2)牺牲阳极的阴极保护法和外加电流的阴极保护法分别应用的化学原理是什么？

[提示]　牺牲阳极的阴极保护法应用了原电池的工作原理，外加电流的阴极保护法应用了电解池的工作原理。

金属防护的常用方法

1．改善金属的内部结构

根据不同的用途选择不同的材料组成耐腐蚀合金，或在金属中添加合金元素，提高其耐腐蚀性，可以防止或减缓金属的腐蚀。例如，在钢中加入镍制成不锈钢可以增强防腐蚀能力。

2．形成保护层

(1)金属的氧化处理

将钢铁制品加到NaOH和NaNO2的混合溶液中，加热处理，其表面即可形成一层厚度为0.5～1.5 μm的蓝色氧化膜(主要成分为Fe3O4)，以达到钢铁防腐蚀的目的，此过程称为发蓝处理，简称烤蓝。

(2)非金属涂层

用非金属物质如油漆、塑料、搪瓷、矿物性油脂等涂覆在金属表面上形成保护层，称为非金属涂层，也可达到防腐蚀的目的。

(3)金属保护层

它是以一种金属镀在被保护的另一种金属制品表面上所形成的保护镀层。前一金属常称为镀层金属。金属镀层的形成，除电镀、化学镀外，还有热浸镀、热喷镀、渗镀、真空镀等方法。

3．电化学保护法

(1)牺牲阳极的阴极保护法：在被保护的金属上连接一种更活泼的金属。当发生电化学腐蚀时，首先腐蚀的是负极，又称阳极，即更活泼金属一极，这样保护了另一极的金属不被腐蚀。如在轮船船身上装上一定数量的锌块或铝块，地下钢铁管道连接镁块来防止钢铁的腐蚀等。

(2)外加电流的阴极保护法：将被保护的金属与外加直流电源负极相连，不溶性辅助电极与电源正极相连，通电后，被保护的金属上积累电子而防止其被腐蚀。

题组1　自行车金属部件为什么易被腐蚀

1．关于化学腐蚀与电化学腐蚀的比较正确的是 (　　)

A．金属的化学腐蚀和电化学腐蚀都是金属与电解质溶液直接接触

B．化学腐蚀时无电子转移，电化学腐蚀时，有电子转移

C．化学腐蚀与电化学腐蚀都是失电子被氧化的过程

D．化学腐蚀反应速率快，电化学腐蚀反应速率慢

C　[金属发生化学腐蚀是金属与氧化剂直接反应，电化学腐蚀是与电解质溶液接触形成原电池，A错；化学腐蚀与电化学腐蚀都有电子转移，B错；金属腐蚀的实质是金属失电子被氧化的过程，C正确；电化学腐蚀的反应速率大于化学腐蚀的反应速率，D错。]

2.如图所示，水槽中试管内有一枚铁钉，放置数天后观察：

(1)铁钉在逐渐生锈，则铁钉的腐蚀属于________腐蚀。

(2)若试管内液面上升，则原溶液是________性，发生________腐蚀，电极反应：负极：________，正极：________。

(3)若试管内液面下降，则原溶液呈________性，发生________腐蚀，电极反应：负极：________，正极：________。

[解析]　由铁钉生锈所处的环境知，应该是电化学腐蚀，不会是化学腐蚀；若试管内液面上升，说明气体减少，应该是吸氧腐蚀；若试管内液面下降，说明有气体生成，应该是析氢腐蚀。

[答案]　(1)电化学

(2)弱酸性或中　吸氧　2Fe－4e－===2Fe2＋

O2＋2H2O＋4e－===4OH－

(3)较强的酸　析氢　Fe－2e－===Fe2＋

2H＋＋2e－===H2↑

1金属接触的介质不同，发生腐蚀的情况也不同，一般情况下两种腐蚀会同时发生。

2金属腐蚀的本质是金属原子失去电子变成金属离子被氧化的过程。

题组2　自行车金属部件的防腐蚀

3．下列各种方法中：

①金属表面涂抹油漆

②改变金属内部结构

③保持金属表面清洁干燥

④在金属表面进行电镀

⑤使金属表面形成致密的氧化物薄膜

能对金属起到防护或减缓腐蚀作用的是(　　)

A．①②③④　　 B．①③④⑤

C．①②④⑤ D．全部

D　[金属腐蚀的防护方法有加保护层，如①④⑤。改变内部结构，加入某种金属制成合金，如②。由于化学腐蚀比电化学腐蚀慢，保持表面清洁干燥可防止电化学腐蚀的发生，如③。]

4．现有①汽车　②机器上的齿轮　③门把手　④锯条

⑤铁制洗脸盆等常见铁制品。为了防止它们生锈，通常适合采用下面哪一种方法。(填序号)

(1)在表面喷漆________；

(2)在表面涂油________；

(3)在表面镀一层其他金属________；

(4)在表面烧制搪瓷________；

(5)使其表面形成致密的氧化物保护膜________。

[解析]　防止金属被腐蚀主要采用：(1)表面上加保护层，如烤漆、涂机油或凡士林、电镀、“烤蓝”等；(2)电化学方法，如牺牲阳极的阴极保护法、外加电源的阴极保护法；(3)改变金属的内部结构等。

[答案]　(1)①　(2)②　(3)③　(4)⑤　(5)④

题组3　自行车中的合金材料

5．下列关于合金的说法中错误的是(　　)

A．铝合金中除Al外，还含有Cu、Mg、Si、Zn等金属

B．生铁和钢都是铁碳合金

C．我国在商代就已制造和使用的青铜器其成分主要是Cu­Zn合金

D．金首饰中常加入一定量的Cu或Ag以增大硬度

C　[可依据常见合金的成分来进行判断，A、B项正确；青铜应为Cu­Sn合金，Cu­Zn合金是黄铜的成分，C项错误；纯金较软，为了增加其硬度和强度，常加入Cu、Ag等金属，D项正确。]

6．用于飞机制造业的重要材料是(　　)

A．Mg­Al合金 B．Cu­Sn合金

C．Cu­Zn合金 D．不锈钢

A　[镁和铝的主要用途是制造合金，镁和铝制成合金可克服纯镁和纯铝的硬度、强度较低，不适于制造机器零件的缺点。例如，含有硅、铜、镁、锰等元素的镁、铝合金就具有质轻、坚韧、机械性能较好等许多优良性质，用途极为广泛。]