合金金属的腐蚀和防护.docx

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合金金属的腐蚀和防护

合金、金属的腐蚀和防护

一周强化

一、一周内容概述

1、合金及常见合金的组成、性能和用途；

2、金属与合金在性能上的主要差异；

3、金属腐蚀的种类和化学原理；

4、金属防护的常用方法，防止金属腐蚀的重要意义；

5、化学在发展生活用材料中的重要作用。

二、重难点知识剖析

（一）合金

1、认识合金

（1）定义

　　由两种或两种以上金属（或金属与非金属）熔合而成的具有金属特性的物质。

（2）物理性质

　　①一般情况下，合金比纯金属硬度大、更坚硬

　　合金内加入了其他元素或大或小的原子，改变了金属原子有规则的层状排列，使原子层之间的相对滑动变得困难。

因此，在一般情况下，合金比纯金属硬度大。

　　②多数合金的熔点一般比各成分金属的低

　　③一般来说，合金的性质并不是各成分的性质的总和，合金具有良好的物理、化学和机械的性能

　　④合金的性能可以通过所添加的合金元素的种类、含量和生成合金的条件等来加以生铁调节。

如：

生铁的熔点比纯铁的低；硬铝（Cu、Mn、Si）的强度和硬度都比纯铝大。

2、常用的合金

（1）铁和铁合金

生铁

钢

含碳量

2％～4.3%

0.03%～2%

性能

生铁硬度大、抗压、性脆，可铸不可锻。

有良好的延展性，机械性能好，可铸可锻。

碳素钢和合金钢的比较

相同点

成分不同

性能

碳素钢

合金

铁的合金

含碳量高，硬度大；含碳量低，韧性较强

合金钢

（不锈钢）

在铁的合金中加入铬和镍

不锈钢在空气中比较稳定，不容易生锈，具有很强的抗腐蚀能力

（2）铝和铝合金

成分

性能

铝

Al

硬度、强度较小

铝合金

向Al中加入少量的合金元素如：

Cu、Mg、Si、Mn、Zn及稀土元素

1、抗腐蚀能力强，强度高，密度较小，如：

高压锅是由铝合金制造的

2、硬铝的性能

（3）铜合金

　　青铜：

Cu—Sn（含Sn10%～30%）

　　黄铜：

Cu—Zn（含Zn20%～36%）

（4）新型合金

　　①储氢合金：

Ti～Fe，La～Ni，室温下吸收氢气速度快，放出氢气速度快。

　　②钛合金：

Ti、V、Fe、Al等，飞机起落架。

　　③耐热合金：

喷气式飞机的发动机叶片。

　　④形状记忆合金：

合金的形状被改变之后，一旦加热到一定的跃变温度时，它又可以魔术般地变回到原来的形状，人们把具有这种特殊功能的合金称为形状记忆合金。

　　⑤泡沫合金

（二）金属的腐蚀与防护

1、金属的腐蚀

　　金属的腐蚀是指金属或合金跟周围接触到的化学物质发生化学反应而腐蚀损耗的过程。

（1）实质

　　金属原子（M）失去电子而被氧化的过程，即M－ne－＝Mn＋。

（2）类型

　　①电化学腐蚀：

不纯的金属（或合金）接触到电解质溶液发生原电池反应，相对较活泼的金属原子失去电子而被氧化所引起的腐蚀。

　　②化学腐蚀：

金属跟接触到的物质（一般为非电解质）直接发生氧化还原反应而引起的一种腐蚀。

化学腐蚀

电化腐蚀

条件

金属与电解质等直接接触

不纯金属或合金与电解质溶液接触

现象

无电流产生

有微弱电流发生

本质

金属被氧化的过程

较活泼金属被氧化的过程

相互关系

化学腐蚀与电化腐蚀往往同时发生,但电化腐蚀更普遍，危害严重

（3）电化学腐蚀的类型

　　通常有析氢腐蚀和吸氧腐蚀两种情况。

这两种腐蚀的差异主要体现在正极反应上。

　　如钢铁的腐蚀：

在潮湿的空气里，钢铁表面吸附了一层薄薄的水膜，这层水膜里含有少量H＋和OH－，还溶解了O2等气体，结果在钢铁表面形成了一层电解质溶液，它跟钢铁里的铁和少量的碳恰好形成无数微小的原电池。

在这些原电池里，铁是负极，碳是正极。

铁失去电子而被氧化。

　　电化学腐蚀是造成钢铁腐蚀的主要原因。

钢铁的析氢腐蚀与吸氧腐蚀的比较

析氢腐蚀

吸氧腐蚀

条件

水膜酸性较强

水膜酸性很弱或呈中性

正极反应

2H＋＋2e－＝H2↑

O2＋2H2O＋4e－＝4OH－

负极反应

Fe－2e－＝Fe2＋

2、金属的防护

（1）影响金属腐蚀的因素

　　①影响金属腐蚀的因素包括金属的本性和介质两个方面。

就金属本性来说，金属越活泼，就越容易失去电子而被腐蚀。

　　介质对金属腐蚀的影响也很大，如果金属在潮湿的空气中，接触腐蚀性气体或电解质溶液，都容易被腐蚀。

　　②由于钢铁制品通常所处的外部环境干燥度较低，氧气的存在又非常广泛，在相同条件下，原电池反应比一般的氧化还原反应速率高，因此，在钢铁的腐蚀类型中主要是电化学腐蚀，其次是化学腐蚀。

但是，钢铁的腐蚀类型并不单一，一般是电化学腐蚀与化学腐蚀并存，只是有主次之分而已。

　　③无论哪种类型的金属腐蚀，其本质都是金属被氧化。

（2）金属防护的方法

　　①改变金属的内部结构

　　　如在铁中添加一些其它元素形成不锈钢，如镍铬不锈钢。

　　②覆盖保护层

　　③使用电化学保护法

　　　a外加电流的保护法

　　将被保护的金属与外加直流电源负极相连，能导电的惰性材料（如石墨）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氧化而腐蚀。

　b外接活泼电极的保护法

　　在被保护的金属上连接一种更活泼的金属，当发生电化腐蚀时，首先锈蚀的是负极（活泼金属一极），这样就保护了另一极的金属不腐蚀。

此外，还有其它保护方法，这里不再介绍。

高考解析

例1、（2009年广东）出土的锡青铜（铜锡合金）文物常有Cu2（OH）3Cl覆盖在其表面。

下列说法正确的是（　）

A．锡青铜的熔点比纯铜高

B．在自然环境中，锡青铜中的锡对铜起保护作用

C．锡青铜文物在潮湿环境中的腐蚀比干燥环境中快

D．生成Cu2（OH）3Cl覆盖物是电化学腐蚀过程，但不是化学反应过程

解析：

　　合金的熔点一般比各组分的熔点要低，所以锡铜合金的熔点比纯铜低，A错误；Sn与Cu形成原电池，因Sn比Cu金属活泼性强，所以Sn作负极，Cu作正极，Sn对Cu起到保护作用，B正确；合金在潮湿环境下，可以发生电化学腐蚀，比干燥环境腐蚀要快，C正确；电化学腐蚀同样属于化学反应过程，D错误。

答案：

BC

例2、（2009年广东理基）下列有关金属及其合金的说法不正确的是（　）

A．目前我国流通的硬币是由合金材料制造的

B．生铁、普通钢和不锈钢中的碳含量依次增加

C．镁在空气中燃烧发出耀眼的白光，可用于制作照明弹

D．日用铝制品表面覆盖着氧化膜，对内部金属起保护作用

解析：

　　生铁含碳量最高，普通钢次之，不锈钢最少，所以B选项说法不正确。

答案：

B

例3、下图中的每一方格表示有关的一种反应物或生成物，其中粗框表示初始反应物（反应时加入或生成的水，以及生成沉淀J时的其他产物均已略去）。

请填下列空白：

（1）物质B是__________，F是_________，J是_________。

（2）反应①的离子方程式是：

________________________________________。

答案：

　　B是Cl2，F是Fe，J是Fe（OH）3

　　反应①的离子方程式是：

Cl2＋2OH－＝ClO－＋Cl－＋H2O

解析：

　　饱和食盐水电解的产物是NaOH、Cl2、H2。

三者之间存在的反应是H2＋Cl2＝2HCl、2NaOH＋Cl2＝NaCl＋NaClO＋H2O，由图示：

B能与另两种生成物反应，所以B为Cl2；又B与A反应产物有两种，所以C一定为H2，A为NaOH，g为HCl；再由F＋Cl2→I，F＋HCl→H＋H2，H＋Cl2→I，可推知F为变价金属，可确定为Fe；H和I分别为FeCl2和FeCl3；最后注意理解D与H、I的反应。

由题知D、E为NaCl、NaClO，通过上述分析可认定D应为NaClO，有关反应为：

I→J：

Fe3＋＋3ClO－＋3H2O＝Fe（OH）3↓＋3HClO。

发生了双水解反应。

而H→J可理解为生成Fe（OH）2，但HClO有强氧化性进而将Fe（OH）2氧化为Fe（OH）3。

说明：

　　本题的难点，是确定F为何种物质，其推断方法：

先推断F为何种类型的物质，因F＋Cl2→I，F＋HCl→H＋H2，所以F必为金属。

再推断这种金属的特点，因I、H均为氯化物，又H→I，所以F是变价金属，而我们熟知的变价金属是铁。

先确定物质的种类，再确认具体物质，这是解推题断中常用的方法。

因为它能分解难点，使一步推断的目标更具体、更明确。

思路也变得非常清晰。

例4、称取0.200g某赤铁矿样品，矿样溶解后，使其中的铁全部转化成Fe2＋（所得溶液中不含其他还原性物质）。

另取7.90g硫酸铈铵2（NH4）2SO4·Ce（SO4）2·2H2O（摩尔质量为632g/mol），溶解后稀释至250mL。

取该溶液30.0mL恰好与上述Fe2＋溶液完全反应。

反应的离子方程式为：

Ce4＋＋Fe2＋＝Ce3＋＋Fe3＋。

请计算该矿样中Fe2O3的质量百分含量（Fe2O3摩尔质量为160g/mol）。

答案：

　　Ce4＋摩尔浓度＝

（mol/L）

解析：

　　根据关系式：

设矿样中Fe2O3质量为x

　　1︰0.0015＝80︰x

　　矿样中Fe2O3质量含量为：

注意：

　　这类阅读量大，信息量大的试题是考查计算能力的常见题型。

课外拓展

铜的冶炼

　　工业上使用的铜有电解铜（含铜99.9%～99.95%）和精铜（含铜99.0%～99.7%）两种。

前者用于电器工业上，用于制造特种合金、金属丝及电线。

后者用于制造其他合金、铜管、铜板、轴等。

　　炼铜的原料是铜矿石。

铜矿石可分为三类：

（1）硫化矿，如黄铜矿（CuFeS2）、斑铜矿（Cu5FeS4）和辉铜矿（Cu2S）等。

（2）氧化矿，如赤铜矿（Cu2O）、孔雀石[CuCO3·Cu（OH）2]、蓝铜矿[2CuCO3·Cu（OH）2]、硅孔雀石（CuSiO3·2H2O）等。

　　（3）自然铜。

　　铜矿石中铜的含量在1%左右（0.5%～3%）的便有开采价值，因为采用浮选法可以把矿石中一部分脉石等杂质除去，而得到含铜量较高（8%～35%）的精矿砂。

　　从铜矿石冶炼铜的过程比较复杂。

以黄铜矿为例，首先把精矿砂、熔剂（石灰石、砂等）和燃料（焦炭、木炭或无烟煤）混合，投入“密闭”鼓风炉中，在1000℃左右进行熔炼。

于是矿石中一部分硫成为SO2（用于制硫酸），大部分的砷、锑等杂质成为As2O3、Sb2O3等挥发性物质而被除去：

　　2CuFeS2＋O2＝Cu2S＋2FeS＋SO2↑

　　一部分铁的硫化物转变为氧化物：

　　2FeS＋3O2＝2FeO＋2SO2↑

　　Cu2S跟剩余的FeS等便熔融在一起而形成“冰铜”（主要由Cu2S和FeS互相溶解形成的，它的含铜率在20%～50%之间，含硫率在23%～27%之间），FeO跟SiO2形成熔渣：

　　FeO＋SiO2＝FeSiO3

　　熔渣浮在熔融冰铜的上面，容易分离，借以除去一部分杂质。

　　然后把冰铜移入转炉中，加入熔剂（石英砂）后鼓入空气进行吹炼（1100℃～1300℃）。

由于铁比铜对氧有较大的亲和力，而铜比铁对硫有较大的亲和力，因此冰铜中的FeS先转变为FeO，跟熔剂结合成渣，而后Cu2S才转变为Cu2O，Cu2O跟Cu2S反应生成粗铜（含铜量约为98.5%）。

　　2Cu2S＋3O2＝2Cu2O＋2SO2↑

　　2Cu2O＋Cu2S＝6Cu＋SO2↑

再把粗铜移入反射炉，加入熔剂（石英砂），通入空气，使粗铜中的杂质氧化，跟熔剂形成炉渣而除去。

在杂质除到一定程度后，再喷入重油，由重油燃烧产生的一氧化碳等还原性气体使氧化亚铜在高温下还原为铜。

得到的精铜约含铜99.7%。

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一、选择题

1、埋在地下的自来水铁管，在下列情况下被腐蚀的速率最慢的是（）

A．在含有铁元素较多的酸性土壤中

B．在潮湿、疏松的土壤中

C．在自来水的铁管上用导线连接一块锌块后，再埋入不透气的土壤中

D．在自来水铁管上用导线连接铜块，再埋入潮湿、疏松的土壤中

2、分别放在以下装置（都盛有0.1mol·L－1H2SO4溶液）中的4块相同的纯锌片，其中腐蚀最快的是（）

　A．　　B．　　C．　　D．

3、以下现象与电化腐蚀无关的是（）

A．黄铜（铜锌合金）制作的铜锣不易产生铜绿

B．生铁比软铁芯（几乎是纯铁）容易生锈

C．铁质器件附有铜质配件，在接触处易生锈

D．银质奖牌长期放置后在其奖牌的表面变暗

4、下列有关铁的叙述错误的是（）

A．生铁是含杂质很多的铁合金　　　　　　　　　　B．铁可以在氧气中燃烧

C．铁在潮湿的空气中会生锈　　　　　　　　　　　D．铁与盐酸反应生成氯化铁和氢气

5、钢和生铁中碳的质量分数，前者与后者的关系是（）

A．大于　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　B．小于

C．等于　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　D．不能肯定

6、通常所说的不锈钢是（）

A．锰钢　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　B．钨钢

C．镍铬钢　　　　　　　　　　　　　　　　　　　D．高碳钢

7、下列物质中不能直接作为炼铁矿石的是（）

A．磁铁矿　　　　　　　　　　　　　　　　　　　B．赤铁矿

C．黄铁矿　　　　　　　　　　　　　　　　　　　D．菱铁矿

8、制造焊锡时，把铅加进锡的重要原因是（）

A．增加强度　　　　　　　　　　　　　　　　　　B．降低熔点

C．增加硬度　　　　　　　　　　　　　　　　　　D．增强抗腐蚀能力

9、钛和钛的合金被认为是21世纪的重要材料，它们具有很多优良的性能，如熔点高、密度小、可塑性好、易于加工，钛合金与人体有很好的“相容性”。

根据它们的主要性能，下列用途不切合实际的是（）

A．用来做保险丝　　　　　　　　　　　　　　　　B．用于制造航天飞机

C．用来制造人造骨　　　　　　　　　　　　　　　D．用于制造船舶

10、在面盆、痰盂等铁制品表面烧制搪瓷的目的是（）

A．防止铁生锈且美观　　　　　　　　　　　　　　B．增大厚度防止磨损

C．增大硬度防止撞坏　　　　　　　　　　　　　　D．美观和杀菌消毒作用

二、综合题

11、向一铝制易拉罐中充满CO2后，再往罐中注入足量的质量分数为20%的NaOH溶液，立即严封罐口，不一会儿就发现易拉罐变瘪，再过一会易拉罐又鼓胀起来，解释上述实验现象。

（1）易拉罐开始变瘪的原因是：

______________________________，反应的化学方程式为：

___________________________。

（2）易拉罐又鼓胀起来的原因是：

______________________________，其反应的离子方程式为：

___________________________。

12、烧过菜的铁锅未及时洗净，第二天便出现红棕色锈斑（该锈斑为Fe（OH）3失水的产物），试用有关的电极反应式，离子方程式和化学方程式表示Fe（OH）3的生成。

（1）负极______；　　　　　　　　　　　　　　

（2）正极_____；

　　（3）离子方程式______；　　　　　　　　　　　（4）化学方程式______。

13、如图所示的装置，在盛有水的烧杯中，铁圈和银圈的连接处吊着一根绝缘的细丝，使之平衡。

小心地从烧杯中央滴入CuSO4溶液。

（1）片刻后可观察到的现象是（指悬吊的金属圈）_______。

A．铁圈和银圈左右摇摆不定　　　　　　　　　B．保持平衡状态不变

C．铁圈向下倾斜　　　　　　　　　　　　　　D．银圈向下倾斜

（2）产生上述现象的原因是_______________________________。

14、航天技术上使用的氢—氧燃料电池具有高能、轻便和不污染环境等优点。

氢——氧燃料电池有酸式和碱式两种，它们放电时的电池总反应均可表示为2H2＋O2＝2H2O。

酸式氢——氧燃料中电解质是酸，其负极反应可表示为：

2H2－4e－＝4H＋，则其正极反应可表示为______________；碱式氢——氧燃料电池中的电解质是碱，其正极反应表示为：

O2＋2H2O＋4e－＝4OH－，则其负极反应可表示为___________。

答案：

CCDADBCCBAA

1、在四个选项的有关化学反应中，都存在原电池反应，但只有C项的原电池是铁管作正极，铁管受保护。

2、在稀酸溶液中，两种金属用导线相连，活泼金属失去了电子被氧化而受腐蚀，本题中要使纯锌腐蚀，应选择某种不活泼金属跟纯锌相连接，选项C满足此条件，可加速纯锌的腐蚀。

选项A腐蚀较慢。

选项B中锌与镁相连，金属镁受腐蚀，锌受保护。

选项D中是一电解装置，连接锌的是电源的负极，在电解中为阴极，发生还原反应，可使H＋获得电子还原成氢气。

它可保护金属锌不受腐蚀。

所以，A、B、D均不是题解。

3、A中，Cu—Zn构成了原电池，Zn活泼而被腐蚀。

　B中，生铁是铁碳合金，构成了Fe—C原电池，Fe活泼而被腐蚀。

而纯铁在电解质溶液中不容易形成原电池，主要是化学腐蚀，因此生铁容易生锈，软铁芯不容易生锈。

　C中，构成了Fe—Cu原电池，Fe比Cu活泼而容易被腐蚀。

　D中，银在空气中时间较长，它与接触的氧气或硫发生化学腐蚀生成了Ag2S等化合物而使表面变暗，应选D。

7、黄铁矿为FeS2，硫的含量太高。

11.

（1）NaOH与CO2反应，罐内压强减小，大气压将易拉罐压瘪。

　　2NaOH＋CO2＝Na2CO3＋H2O

（2）NaOH溶液与Al反应，产生H2，使罐内压强增大。

　　2Al＋2OH－＋2H2O＝2AlO2－＋3H2↑

12.

（1）2Fe－4e－＝2Fe2＋

（2）O2＋2H2O＋4e－＝4OH－

（3）Fe2＋＋2OH－＝Fe（OH）2

（4）4Fe（OH）2＋O2＋2H2O＝4Fe（OH）3

13.答案：

（1）D

（2）原电池反应Fe＋Cu2＋＝Fe2＋＋Cu，生成的铜附着在银圈上。

提示：

该装置是一个Fe为负极、Ag为正极、CuSO4溶液为电解质溶液的原电池。

14.答案：

O2＋4H＋＋4e－＝2H2O　　H2＋2OH－－2e－＝2H2O

提示：

原电池正极发生还原反应：

O2＋2H2O＋4e－＝4OH－，但在酸性介质中又会发生：

OH－＋H＋＝H2O，故正极反应实际为：

O2＋4H＋＋4e－＝2H2O。

原电池负极发生氧化反应：

H2－2e－＝2H＋，由于处于碱性介质，故又会继续发生：

H＋＋OH－＝H2O，故负极反应实际是：

H2＋2OH－－2e－＝2H2O。