《化学反应原理》——39、金属的防护

第四章 化学反应与电能

第三节 金属的腐蚀与防护

39金属的防护

二、金属的防护

从金属腐蚀的化学原理看，金属的防护主要从金属自身的性质、与金属接触的物质及两者反应的条件等方面来考虑。

1、改变金属材料的组成

在金属中添加其它金属或非金属改变金属的组成，制成性能优异的合金，使其有较强的抗腐蚀性能。

不锈钢：把镍Ni、铬Cr等金属加入普通钢中，可制成不锈钢产品。

钛合金：不仅具有优异的抗腐蚀性，还具有良好的生物相容性。

2、在金属表面覆盖保护层

在金属表面覆盖致密的保护层，将金属制品与周围的物质（空气、水等）隔开，是一种普遍采用的防护方法。

在钢铁制品的表面喷涂油漆、矿物性油脂或覆盖搪瓷、塑料等。

用电镀等方法在钢铁制品表面镀上一层锌、锡、铬、镍等耐腐蚀的金属。

用化学方法在钢铁制品表面进行发蓝处理，钢铁表面形成一层致密的四氧化三铁薄膜。

利用阳极氧化处理铝制品表面，使之形成致密的氧化膜而钝化。

采用离子注入、表面渗镀等方式在金属表面形成稳定的钝化膜。

3、电化学保护法

思考：常用的白铁皮是在薄钢板表面镀上一层锌，罐装食品用的马口铁是在薄钢板的表面镀上一层锡。若上述两种钢制品的表面出现破损时，分析并说明白铁皮、马口铁的腐蚀情况。 

白铁皮的镀层破坏后，形成原电池发生电化学腐蚀，由于Zn比Fe的金属性强，所以锌作负极（阳极），铁作正极（阴极），锌被腐蚀而铁被保护。

马口铁的镀层被破坏后，形成原电池发生电化学腐蚀，由于Fe比Sn的金属性强，所以铁作负极（阳极），锡作正极（阴极），被腐蚀的金属是铁。

从上面的分析可知，金属发生电化学腐蚀时，总是作原电池的负极（阳极）金属被腐蚀，作为正极（阴极）的金属不被腐蚀。如果能使被保护的金属成为阴极，则该金属不易被腐蚀。

要达到这个目的有两种方法：一种是将其与另一种更活泼的金属组成原电池，作原电池的阴极（正极）；另一种方法是将其与直流电源的负极连接组成电解池，作电解的阴极。

（1）牺牲阳极法

全称牺牲阳极的阴极保护法，如图：

利用原电池的原理，将被保护的金属如钢制闸门作正极（阴极），相对活泼的金属如锌、镁等作负极（阳极），活泼金属不断腐蚀（被牺牲），需要定期检查更换。 

具体做法是在锅炉内壁、船舶的外壳上安装若干锌块或镁合金。

实验：

牺牲阳极法的化学原理

实验操作：

以Fe作保护电极，Zn作辅助电极，以经过酸化的3%NaCl溶液作电解质溶液，按图所示连接装置。观察电流表指针的变化，以及烧杯中的两个电极附近发生的现象。过一段时间，用胶头滴管从Fe电极区域吸取少量溶液于试管中，再向试管中滴入2滴铁氰化钾K3[Fe(CN)6]溶液，观察试管中溶液颜色的变化。

说明：Fe2＋与黄色的铁氰化钾溶液反应，能生成特征蓝色沉淀，这是检验亚铁离子的方法。

将1g琼脂加入250mL烧杯中，再加入50mL饱和食盐水和150mL水。搅拌、加热、煮沸，使琼脂溶解。稍冷后，趁热把琼脂溶液分别倒入两个培养皿中，各滴入5-6滴酚酞溶液和K3[Fe(CN)6]溶液，混合均匀。取两个2-3cm长的铁钉，用砂纸擦光。将裹有锌皮的铁钉和缠有铜丝的铁钉分别放入两个培养皿中。观察并解释实验现象。

实验现象和结论：

试管中无蓝色沉淀生成，说明溶液中不含Fe2＋，金属Fe作正极（阴极）被保护，锌被腐蚀。

裹有锌皮的铁钉：铁钉周围变红色，说明Fe作正极（阴极）被保护，而Zn作负极（阳极）被腐蚀。

缠有铜丝的铁钉：铁钉周围有蓝色沉淀生成，铜丝周围有红色，说明铁钉作负极（阳极）被腐蚀。

小结：

发生原电池的电化学腐蚀时，负极（阳极）金属被腐蚀，正极（阴极）金属被保护。

（2）外加电流法

全称外加直流电源的阴极保护法，如图：

利用电解的原理，把被保护的钢铁如钢闸门连接直流电源负极（阴极），用惰性电极连接直流电源的正极作为辅助阳极，两者均放在电解质溶液如海水圼。

连通直流电源后，调整电压，强制电子流向被保护的钢铁设备，使钢铁表面腐蚀电流降至零或接近零，钢铁设备不腐蚀而被保护。 

总结：

相同条件下，一种金属腐蚀的快慢顺序为：电解池的阳极＞原电池的负极(阳极)＞化学腐蚀＞原电池的正极（阴极）＞电解池的阴极。

附：暖贴的原理

主要成分是铁屑、石墨粉、木屑、少量氯化钠和水，启用时，打开塑料袋轻轻揉搓就会放出热量。使用完后，会发现有大量铁锈存在。

利用原电池的反应，氯化钠溶于水形成电解质溶液，铁屑、石墨粉作电极。铁粉发生吸氧腐蚀，放出热量。

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