高中化學第1章化學反應與能量轉化第3節(jié)化學能轉化為電能電池金屬的腐蝕與防治教學設計1高二化學教案

選修4第1章3節(jié)化學能轉變?yōu)殡娔?-電池第3課時金屬的腐化與防治【教課目的】1.知識與技術：認識金屬電化學腐化的原理以及金屬電化學防備的方法；經過對金屬的腐化原由以及金屬防備方法的學習，提升利用課本知識解決實質問題的能力；經過實驗研究，培育學生的剖析和解決問題的能力。過程與方法：經過課前微視頻的學習，培育學生的自學能力，并初步認識鋼鐵的吸氧腐化的原由，聯(lián)合進階練習，穩(wěn)固鋼鐵的吸氧腐化的相關知識；通過講堂上師生的合作研究學習，進一步掌握金屬吸氧腐化的原理及金屬防備的方法，學會利用課本知識為工具解決實質問題；學會設計實驗考證假定的學習方法。感情態(tài)度與價值觀：在體驗科學研究的過程中學會學習，培育尊敬事實的科學態(tài)度，提升學習化學的興趣；深刻領會到化學知識與生活的親密關系；培養(yǎng)學生用可連續(xù)發(fā)展的目光來開發(fā)和使用資源。【教課過程】金屬的腐化現(xiàn)象是廣泛存在的，它所造成的危害也特別巨大。全世界每一分半鐘就有1噸鋼腐化成鐵銹.依據(jù)各國檢查結果，一般說來，金屬腐化所造成的經濟損失大概為該國公民生產總值的4%左右。腐化在世界各國、各行各業(yè)造成過重要損失，飛機墜毀，鋼鐵橋梁忽然斷塌、混凝土工程出現(xiàn)滲漏溶蝕、裂痕、鋼筋斷裂，輸電塔桿坍毀，水輪機葉輪出現(xiàn)空泡腐化、腐化損傷、停電維修以致有的電廠忽然停電，惹起用電工廠成片停產。按美國官方指定的部門檢查，美國腐化損失1975年為＄700億，1986年為＄1260億，1995年達＄3000億。當前我國因為金屬資料所帶來的腐化損失每年大概5000億元人民幣，約占我國公民生產總值的6%左右。腐化不單造成經濟損失，也常常對安全組成威迫。一、金屬的腐化與防備［引入］人們利用氧化復原反響原理研制了多種方便、適用、污染少、便于回收的化學電源。氧化復原反響過程在自然環(huán)境中發(fā)生也給人們帶來一些負面影響，如金屬制品使用一段時間就會銹跡斑斑。［展現(xiàn)］金屬生銹的圖片。金屬的腐化可分為［板書］1、化學腐化［閱讀］課本P27［學生總結］金屬與氧化劑接觸直接發(fā)生反響惹起的腐化為化學腐化。［板書］2、金屬的電化學腐化［展現(xiàn)］金屬鐵腐化實驗，把復原鐵粉涂在試管壁上分別：①放在干燥的空氣中；②浸有稀H2SO4溶液中；③浸有食鹽水溶液中。察看實驗現(xiàn)象：①鐵粉無變化②鐵粉溶解，伴有氣泡生成③鐵粉四周出現(xiàn)紅色物質［議論］鐵生銹的條件以及發(fā)生的電極反響。（1）吸氧腐化條件：在弱酸性或中性溶液中，但溶有必定量的氧氣負極Fe－2e－＝Fe2＋－－22＝4OH正極O＋2HO＋4e2Fe＋O2＋2H2O=2Fe(OH)22Fe(OH)2＋O2＋2HO=4Fe(OH)3Fe(OH)3失掉一部分水為Fe2O3·xH2O,鐵銹成分。（2）析氫腐化條件：在酸性環(huán)境中負極Fe－2e－＝Fe2＋正極2H＋＋2e－＝H2↑總反響Fe＋2H＋2＋2＝Fe＋H↑［小結］不純的金屬和電解質溶液接觸時，因發(fā)生原電池反響而被腐化的過程為電化學腐化。［解說］我們看到了金屬腐化帶來的危害，又清楚了腐化的原理，下邊議論金屬防備的方法。［議論］在平時生活中，金屬的防備常有的有覆蓋保護法在金屬表面加上一層保護層，將金屬與外界空氣、水等物質分開，保護層能夠是耐腐化的油漆、瀝青、塑料、電鍍一層金屬或合金等。犧牲陽極的陰極保護法過程方法：往常是在被保護的鋼鐵設備上，如鍋爐的內壁、船舶的外殼等，裝上若干鎂合金或鋅塊。原理：復原性較強金屬作為負極，發(fā)生氧化反響而消耗，被保護金屬作為正極就能夠避免被腐化。外加電流的陰極保護法原理：將被保護金屬與外加直流電源的負極相連，讓其成為陰極，而將外加直流電源的正極接到一些廢鐵上，使廢鐵成為陽極。二、腐化的定義腐化是資料在環(huán)境的作用下惹起的破壞或變質。金屬和合金的腐化主假如因為化學或電化學作用惹起的破壞，有時還同時伴有機械、物理或生物作用。比如應力腐化破碎就是應力和化學物質共同作用的結果。純真物理作用的破壞，如合金在液態(tài)金屬中的物理溶解，也屬于腐化范圍，但這種破壞實例不多。純真的機械破壞，如金屬被切削、研磨，不屬于腐化范圍非金屬的破壞一般是因為化學或物理作用惹起，如氧化、溶解、溶脹等。三、腐化的危害1．經濟損失腐化的危害特別巨大，它使寶貴的資料變?yōu)閺U物，如鐵變?yōu)殍F銹、（氧化鐵）；使生產和生活設備過早地報廢，并所以惹起生產停留，產品或生產流體的流失，環(huán)境污染，甚至著火爆炸。據(jù)統(tǒng)計，工業(yè)發(fā)達國家每年因為金屬腐化的直接損負約占整年公民經濟總產值的2～4％。中國1988年公民生產總值約為1萬4千億元，因為金屬腐化造成的直接損負約為300～億元。據(jù)外國統(tǒng)計，金屬腐化的年損失遠遠超出水災、火災、風災和地震（均勻值）損失的總和，這還不包含因為歇工減產、火災爆炸等造成的間接損失。比如，發(fā)電廠一合鍋爐管子腐化破壞，其價值不大，但惹起一大片工廠歇工，則損失要大得多。此外，非金屬腐化損失還沒有詳盡檢查，因為混凝上、木材、塑料等用量宏大，腐化損失也是驚人的。資料腐蝕遍布所有的經濟和生活領域，因為腐化主假如資料與化學介質發(fā)生化學反響所惹起的，所以，關于大批使用和生產強腐化性化學產品的化學工業(yè)等，其危害就更大。戰(zhàn)勝腐化危害也是廣大科技工作者的急迫任務。2．對安全和環(huán)境的危害腐化不單造成經濟上的損失；也常常組成對安全的威迫。均勻腐化，如鐵生銹，一般進展遲緩，危險性不大，但一些局部腐化如孔蝕（穿孔）和應力腐化破碎，常常是忽然發(fā)生的，可能引舉事故，造成不測危險。過去國內外都曾發(fā)生過很多難難性腐化事故，如飛機因某一零零件破碎而墜毀，橋梁因鋼梁產生裂痕而塌陷，油管因穿孔或裂痕而漏油，惹起著火爆炸等?；S的腐化事故更多，如貯酸槽穿孔泄露，造成重要環(huán)境污染，液氨貯罐爆炸，造成人員傷亡，管道和設備跑、冒、滴、漏，破壞生產環(huán)境，有毒氣體如氯、硫化氫、氰化氫等的泄露，則更危及工作人員和鄰近居民的生命安全。據(jù)一些化工廠的統(tǒng)計，化工設備的破壞約有60％是因為腐化惹起的，而腐化破壞中約30％是均勻腐化，70％則屬于危險的局部腐化，此中以應力腐化破碎為最多。可見，除了經濟損失之外，腐化對安全和環(huán)境的威脅決不容忽略。3．阻擋新技術的發(fā)展一項新技術、新產品、和新工業(yè)的產生過程中，常常會碰到需要戰(zhàn)勝的腐化問題，只有解決了這些困難的腐化問題，新技術、新產品、新工業(yè)才得以發(fā)展。工業(yè)史上有很多例子，如鉛室法硫酸工業(yè)是在找到了耐稀硫酸的鉛材才得以發(fā)展起來的;發(fā)了然不銹鋼此后，生產硝酸和應用硝酸的工業(yè)才蓬勃盛行。近代還有一個風趣的例子，美國人在實行登月計劃的過程中，碰到一個嚴重的腐化問題：盛四氧化二氮（氧化劑）的容器是用鈦合金（6％A1，4％V）制成的，試驗中幾小時內就破碎，經查是應力腐化所致。此后科學家找到了防備破碎的方法：在氧化劑中加入少許水（＞1.5％）或加0.6％NO，作為緩蝕劑，控制了應力腐化，戰(zhàn)勝了這道阻礙，人類終于登上了月球。此刻和將來在發(fā)展新技術、新產品的過程中，還會不停碰到各樣新的腐化問題，并且是愈來愈困難的問題，比如化學、能源（包含核能）、航天工業(yè)等都有向高溫、高壓方向發(fā)展的趨向，這樣可獲取更高的生產率，更快的速度和更低的生產成本。但高溫高壓會造成更為苛刻的腐化環(huán)境。初期的噴氣機油泵溫度約為790℃，此刻已達到約1100℃，這就需要適應高溫、高速的新資料。因為石油和天然氣的欠缺，特別是我國，利用儲藏量巨大的煤轉變?yōu)闅饣蛞后w燃料，是有重要意義的，但這就會碰到一連串的腐化問題：高溫（超出1650℃）、高壓、宏大的容器、粉塵的磨損腐化，硫化氫以及加氫惹起的氫腐化，適應高溫、高速、高磨蝕的泵和閥等。解決了這一系列問題，將可能獲取低價的煤的液化、氣化燃料，將使我國以致世界的經濟相貌大為改觀。．促使自然資源的耗費地球只有薄薄的一層外殼儲藏著可用的礦藏，而金屬礦的貯量是有限的，此刻已越來越減少。人類從礦石中提煉出金屬，腐化又使金屬變?yōu)闊o用的、不可以回收的散碎的氧化物等，因此加快了自然資源的耗費。從延緩自然資源耗竭的看法看，防備腐化的工作也是十分重要的。四、腐化的分類依據(jù)腐化的形態(tài)，可分為均勻（全面）腐化和局部腐化兩類，局部腐化還可分為若干小類。依據(jù)腐化的作用原理，可分為化學腐化和電化學腐化。二者的差別是當電化學腐化發(fā)生時，金屬表面存在隔絕的陰極與陽極，有細小的電流存在于兩極之間，純真的化學腐化則不形成微電池。過去以為，高溫氣體腐化（如高溫氧化）屬于化學腐化，但近代看法指出在高溫腐化中也存在隔絕的陽極和陰極區(qū)，也有電子和離子的流動。據(jù)此，出現(xiàn)了另一種分類：干腐化和濕腐化。濕腐化是指金屬在水溶液中的腐化，是典型的電化學腐化，干腐化則是指在干氣體（往常是在高溫）或非水溶液中的腐化。純真的物理腐化，關于金屬極少見，關于非金屬，則多數(shù)產生純真的化學或物理腐化，有時兩種作用同時發(fā)生。四、金屬腐化形態(tài)金屬腐化的形態(tài)可分為全面（均勻）腐化和局部腐化兩大類。前者較均勻地發(fā)生在所有表面，后者只發(fā)生在局部。比如孔蝕，空隙腐化，晶間腐化，應力腐化破碎，腐化疲憊，氫腐化破碎，選擇腐化，磨損腐化，脫層腐化等。五、控制腐化的方法陰極保護陰極保護的效應合金化表面辦理金屬在接觸使用環(huán)境從前先用鈍化劑或成膜劑（鉻酸鹽、磷酸鹽、堿、硝酸鹽和亞硝酸鹽混淆液等）辦理，表面生成穩(wěn)固密實的鈍化膜，抗蝕性大大增添。它與緩蝕劑防備法的不同之處，在于它在此后的使用環(huán)境中（如大氣、水）不需要再加入緩蝕劑，鋁經過陽極辦理，表面能夠生成比在大氣中生成的更為密實的膜。這種膜在平和的腐化環(huán)境（大氣和水）中有優(yōu)秀的抗蝕能力。鋼鐵零件表面發(fā)藍也是一個廣為應用的例子。整體合金化造價比較昂貴，可采納表面合金化的方法，將易鈍化的合金成分如鉻、鉬、硅滲人鋼鐵表面，一般將鋼零件放在充滿粉末鉻、鋁、硅中，或在金屬蒸氣中，進行加熱滲鍍。表面滲鍍層在氧化性環(huán)境內產生鈍化膜，它的抗高溫氧化力和某些耐蝕性優(yōu)于基層鋼。因為保護層薄，不耐磨損，壽命比整體的合金短，不適于長久接觸強腐化介質。較新的一種表面技術是離子注入法，一般用硼、碳、磷、硅、氮、鉬、鈀、鉑等元素或貴金屬用離子注入機使其電離、加快，使高能離子與基體金屬相撞擊，進入表面，形成必定深度和濃度的非晶態(tài)合金層。擁有比基體金屬高得多的耐蝕性，現(xiàn)已應用于小零件。金屬鍍層和包覆層在鋼鐵基層上可用一薄層更耐腐化的金屬（如鉻、鎳、鉛等）保護。常用的方法是電鍍，一般鍍2～3層，只有幾十微米厚，因此不行防止地存在微孔，溶液可滲人微孔，將組成鍍層～基層腐化電池。鍍層如為貴金屬（金、銀等）或易鈍化金屬（鉻、鈦）以及鎳、鉛等時，因為電位比鐵高，將成為陰極，會加快基層鐵腐化。所以這種鍍層不適于強腐化環(huán)境（如酸），但可用于大氣、水等環(huán)境，遲緩產生的腐化產物可將微孔擁塞，電阻增大，有必定的壽命。假如用賤金屬鋅、鎘等作鍍層，組成腐化電池的極性則與上述相反，孔內裸露的鋼為陰極，鋅或鎘鍍層為陽極。鋅、鎘作為犧牲陽極，使鋼獲取陰極保護，在和緩的腐化環(huán)境中，鋅的腐化慢，能夠保持較長壽命。鍍錫的鐵（馬口鐵）寬泛用于食品罐頭，錫的標準電位高于鐵，但在食品有機酸中，它卻低于鐵也起了犧牲陽極的作用。除了電鍍外還常用熱浸鍍（熔融浸鍍）、火焰噴鍍、蒸氣鍍和整體金屬薄板包鍍。后者因無微孔，耐蝕性強，壽命也更長，但價錢高些。涂層用有機涂料保護大氣中的金屬構造，是最廣用的防腐手段。市售各種油漆、清漆、假漆等都屬這一類，主假如由合成樹脂、植物油、橡膠漿液、溶劑、助干劑、顏料、填料等配制而成。品種很多，過去以植物油為主的油漆此刻多為合成樹脂漆所代替。涂料覆蓋在金屬面上，干后形成多孔薄膜，固然不可以使金屬與介質完整隔斷，但增大介質經過微孔的擴散阻力和溶液電阻，使腐化電流降落。在和緩的環(huán)境如大氣、海水等中，微孔底金屬腐化遲緩，腐蝕產物可擁塞微孔，有很長的使用壽命，但不適于強腐化溶液如酸中，因為金屬腐化快速，并產生氫氣，會使漆膜破碎。涂料的施工程序以下：第一是表面辦理，這是最重要的一環(huán)，表面銹垢、油污等要用噴砂、噴丸和火焰消除等方法完全除凈，否貝會影響涂層與金屬的粘結力，壽命大大縮短；其次是采納底漆，一般加人紅丹，鉛酸鈣，鉻酸鋅和鋅粉等緩蝕劑，當微孔中滲人介質后可起緩蝕作用。最后是面漆，除了耐蝕外，雅觀也是重要的目的。一般要涂幾層面漆，使微孔盡量減少。常用的合成樹脂優(yōu)秀品種有：環(huán)氧、過氯乙烯、聚氨酯、氯磺化聚乙烯、氯化聚醚、酚醛、呋喃（糠醇）等。瀝青是低價但性能優(yōu)秀的涂料，也常和環(huán)氧樹脂等混淆應用于地下管道。天然樹脂生漆是我國特產，擁有優(yōu)秀耐酸性和耐候性，是一種高級涂料。無機涂層中寬泛應用的是以鋅粉為主的富鋅漆，以合成樹脂為粘結劑，干后表面鋅膜是導電的，作用和陰極保護同樣，在大氣中可使用好久，也可使用于較高溫。六、奇特的古代金屬防腐金屬腐化現(xiàn)象特別廣泛，象金屬制成的日用品、機器零件、船底艦殼、生產工具等養(yǎng)護不好，就會腐化，進而造成大批金屬耗費。造成沒法估計的損失。所以防腐意義特別重要?？墒牵诠糯鷧s留下了一些令現(xiàn)代人都感覺詫異的防腐技術。在南非的克萊克山坡，礦工們發(fā)現(xiàn)了幾百個金屬球，而這些球所處的地層據(jù)考據(jù)有大概億年的歷史。圍繞鐵球的凹槽十分雅致，連制鐵技術的專家也很難解說。1968年，兩個考古學家在法國一個地方，在6500萬年前的白堊紀地層中發(fā)現(xiàn)了一根金屬管。1871

年一個考古學家在美國伊利諾斯州鉆井時，在距地表

114英尺深處發(fā)現(xiàn)了一枚類似于錢幣的東西，據(jù)伊利諾斯州地質勘探局判定，其所處地層屬于更新世（

20~40萬年前）。1852年6月5日《科學美國人》從前的前寒武紀巖石層中發(fā)現(xiàn)了金屬花瓶，

"過去時代的遺物"為題報導，在馬薩諸塞州6億年是一種呈鋅白色的合金，經測定，含有大批的銀成份。1966年夏，美國地質勘探學家維吉尼亞麥金泰爾博士在墨西哥判定了一批在麥阿科勒克出土的鐵矛。起初預計這些鐵矛的歷史不到兩萬年。但測試結果表示是

25萬年。直立在印度新德里一座寺院里的、一根預計起碼有

4000

多年歷史的古代鐵柱，到現(xiàn)在沒有任何生銹現(xiàn)象，磷、硫、風雨侵害對它都不起任何作用。七、檢測題1.以下金屬防腐的舉措中，使用外加電流的陰極保護法的是

(

)A．水中的鋼閘門連結電源的負極B．金屬護欄表面涂漆C．汽車底盤噴涂高分子膜D．地下鋼管連結鎂塊2.以下表達錯誤的選項是

(

)A．生鐵中含有碳，抗腐化能力比純鐵弱B．用錫焊接的鐵質器件，焊接處易生銹C．在鐵制品上鍍銅時，鍍件為陽極，銅鹽為電鍍液D．鐵管上鑲嵌鋅塊，鐵管不易被腐化3.以下圖所示的各容器中盛有海水，鐵在此中被腐化時由快到慢的次序是( )A．④＞②＞①＞③B．②＞①＞③＞④C．④＞②＞③＞①D．③＞②＞④＞①4.以下相關金屬腐化的說法中正確的選項是()A．金屬腐化指不純金屬與接觸到的電解質溶液進行化學反響而消耗的過程B．電化學腐化指在外加電流的作用下不純金屬發(fā)生化學反響而消耗的過程C．鋼鐵腐化最廣泛的是吸氧腐化，負極汲取氧氣，產物最后轉變?yōu)殍F銹D．金屬的電化學腐化和化學腐化實質同樣，但電化學腐化伴有電流產生5.以下現(xiàn)象與電化學腐化沒關的是( )A．鍍錫鐵器比鍍鋅鐵器表面損壞時更易被腐化B．純鐵不簡單生銹C．鑲有相鄰的銀牙和金牙簡單惹開端痛D．輸送氯氣的鋼管易被氯氣腐化6.為研究鋼鐵的吸氧腐化原理，設計了以下圖的裝置，以下相關說法中錯誤的選項是( )－－A．正極的電極反響方程式為O2＋2H2O＋4e===4OHB．將石墨電極改成Mg電極，難以察看到鐵銹生成C．若向自來水中加入少許NaCl(s)，可較快地看到鐵銹D．斷開連結石墨和鐵的導線，鐵便不會生銹參照答案1.【分析】抓住題干中的重點字“使用外加電流”即可快速解答。A.水中的鋼閘門連結電源的負極，即便用了外加電流，正確。B.金屬護欄表面涂漆，是一種使用外加涂層而使金屬隔斷空氣和水分的保護方法。C.汽