高中化学 36 金属的腐蚀与防护

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金属腐蚀的定义及本质

定义：金属或合金与周围接触到的气体或液体进行化学反应而腐蚀损耗的过程。

本质：金属原子失去电子变成金属阳离子，即发生氧化反应。如\(Fe - 2e^{-}=\!=\!=Fe^{2 + }\)。

金属腐蚀的类型

化学腐蚀：金属与接触到的物质直接发生化学反应而引起的腐蚀。例如，铁与氯气直接反应而被腐蚀，反应方程式为\(2Fe + 3Cl_{2}=\!=\!=2FeCl_{3}\)。这种腐蚀一般在高温、干燥的环境中较为常见，其过程中没有电流产生。

电化学腐蚀：不纯的金属或合金与电解质溶液接触时，会发生原电池反应，比较活泼的金属失去电子而被氧化的腐蚀。电化学腐蚀比化学腐蚀更普遍、危害更大。

析氢腐蚀：在酸性较强的溶液中，负极金属铁失去电子变成亚铁离子，正极是溶液中的氢离子得到电子生成氢气。如钢铁在酸性较强的环境中发生析氢腐蚀，负极反应式为\(Fe - 2e^{-}=\!=\!=Fe^{2 + }\)，正极反应式为\(2H^{+}+2e^{-}=\!=\!=H_{2}\uparrow\)。

吸氧腐蚀：在中性或酸性很弱的溶液中，空气中的氧气在正极得到电子发生还原反应，负极金属铁失去电子变成亚铁离子。钢铁在潮湿的空气中发生吸氧腐蚀，负极反应式为\(Fe - 2e^{-}=\!=\!=Fe^{2 + }\)，正极反应式为\(O_{2}+2H_{2}O + 4e^{-}=\!=\!=4OH^{-}\)。

影响金属腐蚀快慢的因素

本性：金属越活泼，越容易被腐蚀。如在相同条件下，镁比铁更容易被腐蚀。

纯度：一般来说，合金比纯金属更易被腐蚀，不纯的金属比纯金属更易被腐蚀。例如，纯铁在稀硫酸中的腐蚀速率比含有杂质碳的生铁慢。

环境：金属在潮湿的空气中、电解质溶液中更易被腐蚀。例如，钢铁在潮湿的空气中比在干燥的空气中更容易生锈；在海水中的钢铁比在淡水中的钢铁腐蚀速率快。

金属腐蚀的防护方法

改变金属的内部结构：如制成合金，不锈钢就是在普通钢中加入铬、镍等元素制成的合金，改变了金属的内部结构，使其具有较强的抗腐蚀性。

覆盖保护层：在金属表面覆盖一层保护膜，使金属与周围的物质隔离开来，从而防止金属被腐蚀。常见的保护层有以下几种：

涂漆：如在铁制品表面涂上油漆，阻止铁与空气、水接触，起到防护作用。

涂油：在金属表面涂上油脂，如机械零件常用涂油的方法来防止生锈。

镀金属：通过电镀、热镀等方法在金属表面镀上一层不易被腐蚀的金属，如在铁制品上镀锌、镀锡、镀铬等。

生成致密的氧化膜：有些金属在空气中能与氧气反应生成致密的氧化膜，从而阻止金属进一步被氧化。如铝在空气中易被氧化生成一层致密的氧化铝薄膜，保护内部的铝不再被腐蚀。

电化学防护：

牺牲阳极的阴极保护法：将被保护的金属与比其更活泼的金属连接在一起，形成原电池。较活泼的金属作为阳极（负极）被腐蚀，而被保护的金属作为阴极（正极）得到保护。例如，在海轮的外壳上镶嵌锌块，锌块作为阳极被腐蚀，而海轮的钢铁外壳作为阴极得到保护。

外加电流的阴极保护法：将被保护的金属与直流电源的负极相连，作为阴极，而将另一惰性电极与电源的正极相连，作为阳极，在外加电流的作用下，使被保护的金属表面的电子富集，从而防止金属被腐蚀。这种方法常用于防止土壤、海水及河水中的金属设备的腐蚀。

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