09 · 金属的腐蚀与防护 整理中

金属腐蚀的概述

1. 定义：金属或合金与周围接触到的气体或液体发生氧化还原反应而引起损耗的现象。
2. 本质：金属原子失去电子被氧化：$\mathrm{M}-\mathrm{ne}{\phantom{A}}^{-}⟶\mathrm{M}{\phantom{A}}^{n+}$。
3. 危害：全球每年因腐蚀报废的金属设备相当于年产量的 $20\mathrm{\%}\sim 40\mathrm{\%}$。

腐蚀的分类

类别	反应条件	是否有电流	举例
化学腐蚀	金属与氧化剂直接反应	无	铁与氯气反应、钢管被硫酸腐蚀
电化学腐蚀	不纯金属与电解质溶液构成原电池	有	钢铁在潮湿空气中生锈

注意 两者常同时发生，但电化学腐蚀更普遍、危害更大（速率更快）。

钢铁的电化学腐蚀

钢铁是铁与碳的合金，在潮湿空气中表面形成一层水膜（溶有 $\mathrm{CO}{\phantom{A}}_2$、$\mathrm{SO}{\phantom{A}}_2$ 等成为电解质溶液），构成无数微小原电池：铁作负极，碳作正极。

析氢腐蚀（水膜酸性较强时）

• 负极（Fe）：$\mathrm{Fe}-2\mathrm{e}{\phantom{A}}^{-}=\mathrm{Fe}{\phantom{A}}^{2+}$
• 正极（C）：$2\mathrm{H}{\phantom{A}}^{+}+2\mathrm{e}{\phantom{A}}^{-}=\mathrm{H}{\phantom{A}}_2\uparrow$
• 后续：$\mathrm{Fe}{\phantom{A}}^{2+}+2\mathrm{OH}{\phantom{A}}^{-}=\mathrm{Fe}(\mathrm{OH}){\phantom{A}}_2\downarrow$，再被氧化为 $\mathrm{Fe}(\mathrm{OH}){\phantom{A}}_3$

吸氧腐蚀（水膜酸性很弱或呈中性，更普遍）

• 负极（Fe）：$2\mathrm{Fe}-4\mathrm{e}{\phantom{A}}^{-}=2\mathrm{Fe}{\phantom{A}}^{2+}$
• 正极（C）：$\mathrm{O}{\phantom{A}}_2+2\mathrm{H}{\phantom{A}}_2\mathrm{O}+4\mathrm{e}{\phantom{A}}^{-}=4\mathrm{OH}{\phantom{A}}^{-}$
• 后续：$\mathrm{Fe}(\mathrm{OH}){\phantom{A}}_2$ 被氧气继续氧化

$$4\mathrm{Fe}(\mathrm{OH}){\phantom{A}}_2+\mathrm{O}{\phantom{A}}_2+2\mathrm{H}{\phantom{A}}_2\mathrm{O}=4\mathrm{Fe}(\mathrm{OH}){\phantom{A}}_3$$

$\mathrm{Fe}(\mathrm{OH}){\phantom{A}}_3$ 部分失水生成铁锈（主要成分 $\mathrm{Fe}{\phantom{A}}_2\mathrm{O}{\phantom{A}}_3\cdot x\mathrm{H}{\phantom{A}}_2\mathrm{O}$）。

提示 判断要点：正极反应看水膜酸碱性——酸性较强放 $\mathrm{H}{\phantom{A}}_2$（析氢腐蚀），中性/弱酸性吸 $\mathrm{O}{\phantom{A}}_2$（吸氧腐蚀）。吸氧腐蚀中氧气的浓度越大、温度越高、电解质离子浓度越大，腐蚀越快。

影响腐蚀速率的因素

1. 金属活动性越强，越易腐蚀；
2. 与金属接触的电解质溶液浓度越大、氧气浓度越高，腐蚀越快；
3. 温度越高，腐蚀越快；
4. 构成原电池时，作负极的金属加速腐蚀（如镀锌铁破损后锌先腐蚀，铁被保护；镀锡铁破损后铁作负极，反而加速腐蚀）；
5. 干燥、隔绝空气的环境中腐蚀极慢（如干燥空气中铁器长期不锈）。

金属的防护

改变金属的内部结构

制成合金，如不锈钢（加 $\mathrm{Cr}$、$\mathrm{Ni}$），增强抗腐蚀能力。

覆盖保护层（隔绝空气和水）

1. 涂油漆、搪瓷、塑料；
2. 电镀耐腐蚀金属（镀铬、镀镍）；
3. 形成致密氧化膜（铝表面氧化、发蓝处理）。

电化学保护法

方法	原理	适用	示例
牺牲阳极的阴极保护法（原电池原理）	被保护金属作正极，活泼金属作负极被消耗	海水中船舶、锅炉	船体焊接锌块，锌溶解保护铁
外加电流的阴极保护法（电解原理）	被保护金属与电源负极相连作阴极	大型设施、地下管道	钢闸门接电源负极，废铁作阳极

重点 两种方法的共同点：都是让被保护的金属成为阴极（发生还原反应、不被氧化）；区别在于电子来源——牺牲阳极法中电子来自活泼金属的氧化（原电池，被保护金属为正极），外加电流法中电子来自外接电源（电解池，被保护金属接电源负极）。

注意事项

1. 吸氧腐蚀正极反应式 $\mathrm{O}{\phantom{A}}_2+2\mathrm{H}{\phantom{A}}_2\mathrm{O}+4\mathrm{e}{\phantom{A}}^{-}=4\mathrm{OH}{\phantom{A}}^{-}$ 是电化学考频最高的电极反应式之一，务必熟记；
2. 镀层破损后：镀锌铁仍受保护（Zn 活泼），镀锡铁加速腐蚀（Fe 作负极）；
3. 牺牲阳极法消耗的是更活泼的辅助金属，不是被保护金属；
4. 铁锈是 $\mathrm{Fe}{\phantom{A}}_2\mathrm{O}{\phantom{A}}_3\cdot x\mathrm{H}{\phantom{A}}_2\mathrm{O}$，生成过程：$\mathrm{Fe}\to \mathrm{Fe}{\phantom{A}}^{2+}\to \mathrm{Fe}(\mathrm{OH}){\phantom{A}}_2\to \mathrm{Fe}(\mathrm{OH}){\phantom{A}}_3\to \mathrm{Fe}{\phantom{A}}_2\mathrm{O}{\phantom{A}}_3\cdot x\mathrm{H}{\phantom{A}}_2\mathrm{O}$，不要写成一步反应。