备战2021 高考化学 考点36 金属的电化学腐蚀与防护（解析版）

备战2021 高考化学 考点36 金属的电化学腐蚀与防护（解析版）

考点 36 金属的电化学腐蚀与防护 1．金属腐蚀的本质 金属原子失去电子变为金属阳离子，金属发生氧化反应。 2．金属腐蚀的类型 （1）化学腐蚀与电化学腐蚀 类型 化学腐蚀 电化学腐蚀 条件 金属跟非金属单质直接接触 不纯金属或合金跟电解质溶液接触 现象 无电流产生 有微弱电流产生 本质 金属被氧化 较活泼金属被氧化 联系 两者往往同时发生，电化学腐蚀更普遍 （2）析氢腐蚀与吸氧腐蚀 以钢铁的腐蚀为例进行分析： 类型 析氢腐蚀 吸氧腐蚀 图示 条件 水膜酸性较强(pH≤4.3) 水膜酸性很弱或呈中性 电极反应 负极 Fe−2e− Fe2+ 正极 2H++2e− H2↑ O2+2H2O+4e− 4OH− 总反应式 Fe+2H+ Fe2++H2↑ 2Fe+O2+2H2O 2Fe(OH)2 联系 吸氧腐蚀更普遍 铁锈的形成：4Fe(OH)2+O2+2H2O 4Fe(OH)3，2Fe(OH)3 Fe2O3·xH2O(铁锈)+(3−x)H2O。 3．金属腐蚀的防护方法 （1）改变金属的内部组织结构 例如把铬、镍等加入普通钢里制成不锈钢，就大大增加了钢铁对各种侵蚀的抵抗力。 （2）在金属表面覆盖保护层 在金属表面覆盖致密的保护层，从而使金属制品跟周围物质隔离开来，这是一种普遍采用的防护方法。 （3）电化学防护法 牺牲阳极的阴极保护法 外加电流的阴极保护法 依据 原电池原理 电解原理 原理 形成原电池时，被保护金属作正极(阴 极)，不反应受到保护；活泼金属作负 极(阳极)，发生反应受到腐蚀，阳极 要定期予以更换 将被保护的金属与另一附加电极作为电解池的 两个极，使被保护金属作阴极，在外加直流电的 作用下使阴极得到保护 应用 保护一些钢铁设备，如锅炉内壁、船 体外壳等装上镁合金或锌片 保护土壤、海水及水中的金属设备 实例 示意图 考向一 金属的腐蚀快慢与防护方法的比较 典例 1 将铁粉和活性炭的混合物用 NaCl 溶液湿润后，置于如图所示装置中，进行铁电化学腐蚀实验。下 列有关该说法正确的是 A．铁被氧化的电极反应式为 Fe-3e- ==Fe3+ B．电化学腐蚀过程中铁粉的电势比活性炭电势高 C．活性炭的存在会加速铁的腐蚀 D．以水代替 NaCl 溶液，铁不能发生吸氧腐蚀 【答案】C 【分析】 将铁粉和活性炭与 NaCl 溶液构成原电池，其中铁粉作负极，活性炭作正极，在电解质溶液中，溶解在溶液 中氧气的得电子产物与水反应，生成氢氧根离子。 【详解】 A．由以上分析知，铁粉作原电池的负极，则铁被氧化的电极反应式为 Fe-2e- ==Fe2+，A 不正确； B．电化学腐蚀属于原电池反应，在原电池中，正极的电势比负极高，所以铁粉的电势比活性炭电势低，B 不正确； C．活性炭的存在，与铁粉构成原电池，促进铁失电子，加速铁的腐蚀，C 正确； D．以水代替 NaCl 溶液，液体的导电能力弱，但铁仍能发生吸氧腐蚀，D 不正确； 故选 C。 1．下列说法不正确的是( ) A．钢铁表面水膜酸性很弱或呈中性，发生吸氧腐蚀 B．钢铁表面水膜酸性较强，发生析氢腐蚀 C．钢闸门作为阴极而受到保护 D．将锌板换成铜板对钢闸门保护效果更好 【答案】D 【详解】 A、当钢铁表面的水膜酸性很弱或显中性时,铁在负极放电,氧气在正极上放电,发生的是钢铁的吸氧腐蚀,所以 A 选项是正确的; B、当钢铁表面的水膜显酸性时,铁在负极放电,水膜中的氢离子在正极放电生成氢气,发生的是析氢腐蚀,所以 B 选项是正确的; C、在电解池中,阴极被保护,故要保护钢闸门,就要将钢闸门做电解池的阴极,所以 C 选项是正确的. D、在原电池中,正极被保护,当将锌板换成铜板后,铜做正极被保护,钢闸门做负极被腐蚀,起不到对钢闸门的 保护作用,故 D 错误; 综上所述，本题正确答案为 D。 【点睛】 本题考查了金属的腐蚀与防护，明确原电池和电解池原理是解本题关键，知道作原电池负极或电解池阳极 的金属易被腐蚀。先判断装置是原电池还是电解池，再根据原电池正负极腐蚀的快慢比较，作原电池负极 和电解池阳极的金属易被腐蚀，作原电池正极或电解池阴极的金属易被保护，金属腐蚀快慢顺序是：电解 原理引起的腐蚀＞原电池原理引起的腐蚀＞化学腐蚀＞有防护腐蚀措施的腐蚀。 过关秘籍 （1）判断金属腐蚀快慢的规律 ①对同一电解质溶液来说，腐蚀速率的快慢：电解原理引起的腐蚀>原电池原理引起的腐蚀>化学腐 蚀>有防腐措施的腐蚀。 ②对同一金属来说，在不同溶液中腐蚀速率的快慢：强电解质溶液中>弱电解质溶液中>非电解质溶 液中。 ③活动性不同的两种金属，活动性差别越大，腐蚀速率越快。 ④对同一种电解质溶液来说，电解质浓度越大，金属腐蚀越快。 （2）两种保护方法的比较 外加电流的阴极保护法保护效果大于牺牲阳极的阴极保护法。 考向二 析氢腐蚀和吸氧腐蚀 典例 2 如图各容器中盛有海水，铁会发生锈蚀，其中铁锈蚀的速度最快的是（ ） A． B． C． D． 【答案】B 【详解】 根据图知，A、B、C 装置是原电池，在 A 中，铁做正极，被保护，腐蚀速率变慢；在 B 和 C 中，金属铁做 负极，负极的腐蚀速率均变快，但 B 中 Ag 和铁的活泼性差距较 C 中的大，故 B 的腐蚀速率大于 C；D 装 置不能形成原电池，反应速率没被加快，所以腐蚀速率是最快的是 B，故答案选 B。 2．一定条件下，碳钢腐蚀与溶液 pH 的关系如下： pH 2 4 6 6.5 8 13.5 14 腐蚀快慢 较快 慢 较快 主要产物 Fe2+ Fe3O4 Fe2O3 2FeO 下列说法不正确的是 A．在 pH<4 溶液中，碳钢主要发生析氢腐蚀 B．在 pH>6 溶液中，碳钢主要发生吸氧腐蚀 C．在 pH>14 溶液中，碳钢腐蚀的正极反应为 O2+4H++4e- 2H2O D．在煮沸除氧气的碱性溶液中，碳钢腐蚀速率会减缓 【答案】C 【解析】pH<4 为强酸性，发生析氢腐蚀，A 正确；pH>6 的溶液，氧气得电子，发生吸氧腐蚀，B 正 确；pH>14 的溶液，氧气与水反应得电子：O2+2H2O+4e- 4OH-，C 错误；煮沸后除去了氧气，碳钢的腐 蚀速率会减缓，D 正确。 1．下列关于电解池的叙述中正确的是( ) A．电解池中的闭合回路仅是由电子的定向移动形成的 B．金属导线中,电子从电源的负极流向电解池的阳极,从电解池的阴极流向电源的正极 C．在电解质溶液中,阴离子向阴极运动,阳离子向阳极运动 D．相同时间内,阳离子在阴极上得到的电子与阴离子在阳极上失去的电子数相等 【答案】D 【详解】 A.电解池中的闭合回路既有电子的定向运动，也有溶液中阴阳离子的定向运动，A 不正确； B.电解池中电子只能在外电路中运动，而不能在溶液中运动，溶液导电是靠离子的定向运动，B 不正确； C.在电解池的电解质溶液中，阴离子向阳极移动，阳离子向阴极移动，C 不正确； D.根据电子的得失守恒可知，相同时间内，阳离子在阴极上得到的电子与阴离子在阳极上失去的电子数相 等，选项 D 正确。 答案选 D。 2．关于下列各装置图的叙述不正确的是 A．用装置①精炼铜，则 b 极为精铜，电解质溶液为 CuSO4 溶液 B．装置②的总反应是 Cu+2Fe3+==Cu2++2Fe2+ C．装置③中钢闸门应与外接电源的负极相连 D．装置④中的铁钉几乎没被腐蚀 【答案】B 【详解】 A. 用装置①精炼铜，根据电流方向可知 a 电极是阳极，b 电极是阴极，则 a 极为粗铜，b 极为精铜，电解 质溶液为 CuSO4 溶液，A 正确； B. 装置②中铁是负极，铜是正极，总反应是 Fe+2Fe3+=3Fe2+，B 错误； C. 装置③中钢闸门应与外接电源的负极相连作阴极，被保护，C 正确； D. 装置④中铁在浓硫酸中钝化，铜是负极，铁是正极，因此铁钉几乎没被腐蚀，D 正确；答案选 B 。 3．下列电化学装置及用途正确的是 A B C D 铜的精炼 铁上镀银 防止 Fe 被腐蚀 构成铜锌原电池 【答案】C 【详解】 A. 根据电解原理，铜的精炼中，粗铜作阳极，与电源的正极相连，纯铜作阴极，与电源的负极相连，故 A 错误； B. 电镀，镀件作阴极，镀层金属作阳极，即 Fe 为阴极，Ag 为阳极，故 B 错误； C. 该装置为电解池装置，Fe 为阴极，根据电解原理，Fe 不参与反应，即该装置能防止 Fe 被腐蚀，故 C 正 确； D.锌与硫酸铜直接反应，没有电流产生，不能构成原电池；锌电极应盛放 ZnSO4 溶液，Cu 电极盛放 CuSO4 溶 液，这样才能构成原电池，故 D 错误； 答案为 C。 4．将金属 M 连接在钢铁设施表面，可减缓水体中钢铁设施的腐蚀。在题图所示的情境中，下列有关说法正 确的是 A．阴极的电极反应式为 2Fe 2e Fe   B．金属 M 的活动性比 Fe 的活动性弱 C．钢铁设施表面因积累大量电子而被保护 D．钢铁设施在河水中的腐蚀速率比在海水中的快 【答案】C 【分析】 该装置为原电池原理的金属防护措施，为牺牲阳极的阴极保护法，金属 M 作负极，钢铁设备作正极，据此 分析解答。 【详解】 A.阴极的钢铁设施实际作原电池的正极，正极金属被保护不失电子，故 A 错误； B.阳极金属 M 实际为原电池装置的负极，电子流出，原电池中负极金属比正极活泼，因此 M 活动性比 Fe 的活动性强，故 B 错误； C.金属 M 失电子，电子经导线流入钢铁设备，从而使钢铁设施表面积累大量电子，自身金属不再失电子从 而被保护，故 C 正确； D.海水中的离子浓度大于河水中的离子浓度，离子浓度越大，溶液的导电性越强，因此钢铁设施在海水中 的腐蚀速率比在河水中快，故 D 错误； 故选：C。 5．在生产生活中，金属腐蚀所带来的损失非常严重，所以防止金属腐蚀已经成为科学研究和技术领域的重 大问题。某化学兴趣小组的同学在实验室对金属腐蚀进行了探究。 （1）分别在三个洁净干燥的试管中各加入一个洁净无锈的铁钉，再向Ⅰ、Ⅱ号两个试管中分别加入经煮 沸迅速冷却的蒸馏水，然后向Ⅱ号试管中加入少量植物油，将Ⅲ号试管塞上木塞。请判断：________号 试管中的铁钉最容易生锈。由此可见，铁制品生锈需要的条件是________________。 （2）如图 2 所示，处于 A、B、C 三种不同环境中的铁片，被腐蚀的速率由大到小的顺序是________(用 字母表示)。 （3）据报道，全世界每年因为金属腐蚀造成的直接经济损失约达 7 000 亿美元，我国因金属腐蚀造成的 损失约占国民生产总值的 4%。 ①钢铁在发生电化学腐蚀时，负极反应为__________________。 ②请写出用稀硫酸除去铁锈的化学方程式：________________。 ③请根据不同的原理，提出防止钢铁腐蚀的两条合理措施：_______________、______________。 【答案】（1）Ⅰ 有水和氧气 （2）A>C>B （3）①Fe-2e- Fe2+ ②Fe2O3+3H2SO4 Fe2(SO4)3+3H2O ③改变金属内部结构 刷漆(合理即可) 【解析】（1）铁生锈的条件：与氧气接触，有水参加。二者缺一不可，具备该条件的只有Ⅰ。 （2）铁处于 A 环境中作原电池的负极，腐蚀速度较快；处于 B 环境中作原电池的正极被保护，腐蚀速 度很慢；处于 C 环境中发生吸氧腐蚀，腐蚀速度较慢。 （3）①发生电化学腐蚀时，负极上金属铁发生失电子的氧化反应。②铁锈的主要成分是氧化铁，可以和 酸反应生成盐和水。③防止钢铁锈蚀的关键是使铁与氧气、水隔绝，可以进行表面防护处理(如涂油、刷 漆、表面镀金属等)，还可以改变金属内部结构(如制成不锈钢)等。 1．（2020·江苏卷）将金属 M 连接在钢铁设施表面，可减缓水体中钢铁设施的腐蚀。在题图所示的情境中， 下列有关说法正确的是 A．阴极的电极反应式为 2Fe 2e Fe   B．金属 M 的活动性比 Fe 的活动性弱 C．钢铁设施表面因积累大量电子而被保护 D．钢铁设施在河水中的腐蚀速率比在海水中的快 【答案】C 【解析】该装置为原电池原理的金属防护措施，为牺牲阳极的阴极保护法，金属 M 作负极，钢铁设备作正 极，据此分析解答。阴极的钢铁设施实际作原电池的正极，正极金属被保护不失电子，故 A 错误；阳极金 属 M 实际为原电池装置的负极，电子流出，原电池中负极金属比正极活泼，因此 M 活动性比 Fe 的活动性 强，故 B 错误；金属 M 失电子，电子经导线流入钢铁设备，从而使钢铁设施表面积累大量电子，自身金属 不再失电子从而被保护，故 C 正确；海水中的离子浓度大于河水中的离子浓度，离子浓度越大，溶液的导 电性越强，因此钢铁设施在海水中的腐蚀速率比在河水中快，故 D 错误；故选 C。 2．[2019江苏]将铁粉和活性炭的混合物用NaCl溶液湿润后，置于如图所示装置中，进行铁的电化学腐蚀实 验。下列有关该实验的说法正确的是 A．铁被氧化的电极反应式为Fe−3e− Fe3+ B．铁腐蚀过程中化学能全部转化为电能 C．活性炭的存在会加速铁的腐蚀 D．以水代替NaCl溶液，铁不能发生吸氧腐蚀 【答案】C 【解析】根据实验所给条件可知，本题铁发生的是吸氧腐蚀，负极反应为：Fe−2e−=Fe2+；正极反应为： O2+2H2O +4e−=4OH−；据此解题； A．在铁的电化学腐蚀中，铁单质失去电子转化为二价铁离子，即负极反应为：Fe−2e−=Fe2+，故 A 错误； B．铁的腐蚀过程中化学能除了转化为电能，还有一部分转化为热能，故 B 错误； C．活性炭与铁混合，在氯化钠溶液中构成了许多微小的原电池，加速了铁的腐蚀，故 C 正确； D．以水代替氯化钠溶液，水也呈中性，铁在中性或碱性条件下易发生吸氧腐蚀，故 D 错误； 综上所述，本题应选 C。 【点睛】本题考查金属铁的腐蚀。根据电解质溶液的酸碱性可判断电化学腐蚀的类型，电解质溶液为酸 性条件下，铁发生的电化学腐蚀为析氢腐蚀，负极反应为：Fe−2e−=Fe2+；正极反应为：2H+ +2e−=H2↑； 电解质溶液为碱性或中性条件下，发生吸氧腐蚀，负极反应为：Fe−2e−=Fe2+；正极反应为：O2+2H2O +4e−=4OH−。 3．[2018 北京]验证牺牲阳极的阴极保护法，实验如下（烧杯内均为经过酸化的 3%NaCl 溶液）。 ① ② ③ 在 Fe 表面生成蓝色沉淀 试管内无明显变化 试管内生成蓝色沉淀 下列说法不正确的是 A．对比②③，可以判定 Zn 保护了 Fe B．对比①②，K3[Fe（CN）6]可能将 Fe 氧化 C．验证 Zn 保护 Fe 时不能用①的方法 D．将 Zn 换成 Cu，用①的方法可判断 Fe 比 Cu 活泼 【答案】D 【解析】②中 Zn 作负极，发生氧化反应生成 Zn2＋，Fe 作正极被保护，所以取出的少量 Fe 附近的溶液中 滴入铁氰化钾溶液，试管内无明显变化。但③中没有 Zn 保护 Fe，Fe 在酸性环境中发生析氢腐蚀，Fe 作 负极被氧化生成 Fe2＋，所以取出的少量 Fe 附近的溶液中滴入铁氰化钾溶液，生成蓝色沉淀，对比②③可 知 Zn 保护了 Fe，A 项正确；①与②的区别在于：前者是将铁氰化钾溶液直接滴入烧杯中，而后者是在 取出的少量 Fe 附近的溶液中滴加铁氰化钾溶液，①中出现了蓝色沉淀，说明有 Fe2＋生成。对比分析可知， 可能是铁氰化钾氧化 Fe 生成了 Fe2＋，B 项正确；通过上述分析可知，验证 Zn 保护 Fe 时不能用①的方 法，C 项正确；若将 Zn 换成 Cu，铁氰化钾仍会将 Fe 氧化为 Fe2＋，在铁的表面同样会生成蓝色沉淀，所 以无法判断 Fe2＋是不是负极产物，即无法判断 Fe 与 Cu 的活泼性，D 项错误。 4．[2017 江苏][双选]下列说法正确的是 A．反应 N2(g)+3H2(g) 2NH3(g)的ΔH < 0，ΔS >0 B．地下钢铁管道用导线连接锌块可以减缓管道的腐蚀 C．常温下，Ksp[Mg(OH)2]=5.6×10−12，pH=10 的含 Mg2+溶液中，c(Mg2+)≤5.6×10−4 mol·L−1 D．常温常压下，锌与稀 H2SO4 反应生成 11.2 L H2，反应中转移的电子数为 6.02×1023 【答案】BC 【解析】A．该反应气体的分子数减少了，所以是熵减的反应，ΔS<0，A 错误；B．锌比铁活泼，形成原 电池时锌做负极，所以可以减缓钢铁管道的腐蚀，B 正确；C．常温下，在 pH=10 的溶液中， c(OH−)=1 410 mol/L，溶液中含 Mg2+浓度最大值为     12 sp 22 4 5.6 10 OH 1 10 K c      =5.6 410 mol/L，C 正确； D．在锌和稀硫酸的反应中每生成 1 mol H2，电子转移的数目为 2 mol e−，在常温常压下，11.2 L H2 的物 质的量不是 0.5 mol，所以反应中转移的电子数不是 6.02 2310 ，D 不正确。 5．[2017 新课标Ⅰ]支撑海港码头基础的钢管桩，常用外加电流的阴极保护法进行防腐，工作原理如图所示， 其中高硅铸铁为惰性辅助阳极。下列有关表述不正确的是 A．通入保护电流使钢管桩表面腐蚀电流接近于零 B．通电后外电路电子被强制从高硅铸铁流向钢管桩 C．高硅铸铁的作用是作为损耗阳极材料和传递电流 D．通入的保护电流应该根据环境条件变化进行调整 【答案】C 【解析】本题使用的是外加电流的阴极保护法，钢管柱与电源的负极相连，被保护。A．外加强大的电 流可以抑制金属电化学腐蚀产生的电流，从而保护钢管柱，A 正确；B．通电后，被保护的钢管柱作阴 极，高硅铸铁作阳极，因此外电路电子被强制从高硅铸铁流向钢管桩，B 正确；C．高硅铸铁为惰性辅助 阳极，所以高硅铸铁不损耗，C 错误；D．通过外加电流抑制金属电化学腐蚀产生的电流，因此通入的 保护电流应该根据环境条件变化进行调整，D 正确。答案选 C。 【名师点睛】该题难度较大，明确电化学原理是以及金属的防腐蚀原理是解答的关键，钢管桩表面腐蚀 电流的理解是难点，注意题干信息的挖掘，即高硅铸铁为惰性辅助阳极，性质不活泼，不会被损耗。 6．[2015 上海]研究电化学腐蚀及防护的装置如图所示。下列有关说法错误的是 A．d 为石墨，铁片腐蚀加快 B．d 为石墨，石墨上电极反应为：O2 + 2H2O + 4e–→ 4OH– C．d 为锌块，铁片不易被腐蚀 D．d 为锌块，铁片上电极反应为：2H+ + 2e–→ H2↑ 【答案】D 【解析】由于活动性：Fe>石墨，所以铁、石墨及海水构成原电池，Fe 为负极，失去电子被氧化变为 Fe2+ 进入溶液，溶解在海水中的氧气在正极石墨上得到电子被还原，比没有形成原电池时的速率快，正确。 B．d 为石墨，由于是中性电解质，所以发生的是吸氧腐蚀，石墨上氧气得到电子，发生还原反应，电极 反应为：O2 + 2H2O + 4e–→ 4OH–，正确。C．若 d 为锌块，则由于金属活动性：Zn>Fe，Zn 为原电池的 负极，Fe 为正极，首先被腐蚀的是 Zn，铁得到保护，铁片不易被腐蚀，正确。D． d 为锌块，由于电解 质为中性环境，发生的是吸氧腐蚀，在铁片上电极反应为：O2 + 2H2O +4e–→ 4OH–，错误。