第4章 金属的电化学表面精饰1
金属的电化学腐蚀与防护》说课稿(全国优质课获奖作品)
金属的电化学腐蚀与防护》说课稿(全国优质课获奖作品)金属的电化学腐蚀与防护》是选修4《化学反应原理》第四章《电化学基础》中的第四节。
教材主要介绍了金属电化学腐蚀的本质，即金属表面形成了微型原电池，并详细阐述了防护金属腐蚀的主要方法，包括牺牲阳极的阴极保护法和外加电流的阴极保护法。
教材不仅运用了原电池原理，也运用了电解原理，加深了学生对化学能和电能相互转化的认识。
教材的特点在于，从知识角度看，它是氧化还原反应知识的延伸。
电化学知识包括原电池、电解和电镀，其原理是利用氧化还原反应完成电能和化学能之间的转化。
因此，在研究电化学知识时，要注重氧化还原反应知识的应用。
教材采用螺旋式组织结构编写，内容在不同阶段逐步扩大范围，并按照螺旋式结构编写，而非一步到位。
这样的安排既体现了教材循序渐进、由易到难的编排意图，又符合学生的知识水平和认知水平，有利于学生更好的掌握知识。
从育人价值功能看，教材的特点在于电化学理论知识在生产生活中的应用。
教材重点介绍了防护金属腐蚀的主要方法，并具体地介绍了牺牲阳极的阴极保护法和外加电流的阴极保护法。
这些方法在现实生活中有着广泛的应用，可以有效地保护金属材料，延长其使用寿命。
因此，学生研究这些知识，不仅可以提高自身的学科素养，还可以为未来的生产和生活提供帮助。
本节教材是在研究氧化还原反应和电化学原理后出现的，旨在将前面研究过的理论知识在具体环境中进行实践应用，强调学以致用。
通过研究本节内容，学生能够将感性认识转化为理性认识，培养发现、分析、解决问题的能力。
为了保持本节内容的系统性和连贯性，课时的划分应遵循化学教学的整体性、巩固性和量力性原则。
利用一课时进行金属电化学腐蚀原理及防护知识的探讨，第二课时进行练巩固，是合理的安排。
本节课的教学目标应根据学生已有的认知水平和本节课的地位及作用，结合《化学课标》的总体目标确定。
教学目标应包括知识与技能目标、过程与方法目标、情感态度与价值观目标。
电化学-金属的表面精饰
主要内容
一、金属电沉积和电镀 二、金属的钝化 三、eposition)过程：简单金属离子 或络离子通过电化学方式在固体（导体或半导体）表面 上被还原为金属原子附着于电极表面，从而获得一金属 层的过程。 电镀(electroplating)：金属电沉积过程的一种，它 是为了改善材料外观，或提高耐蚀性、抗磨性、增强硬 度以及提供特殊的光、电、磁、热等表面性质而进行的 金属电沉积过程。 电镀不同于一般电沉积过程在于：镀层除应具有所需 的机械、物理和化学性能外，还必须很好地附着于物体 表面，且镀层均匀致密，孔隙率少等。 镀层性质取决于其结构，而结构又受电沉积条件影响。
（4）吸附于电极表面的水化原子失去剩余水化层， 成为金属原子进入晶格。过程可表示为： M· （m - n）H2O（ad）- (m - n)H2O M晶格
对于高价金属离子的阴极还原，动力学表达较为复 杂。但一价金属离子的电沉积过程控制步骤一般为电 子转移步骤：
C= (-2.3RT/ nF )lgiº + (2.3RT/ nF)lgIc
对于络离子阴极还原的认识： ⑴ 、加入络离子后，其电极反应并非简单离子的 直接放电； 例如：在1mol/LHClO4中，Ag/Ag+（3*10-2mol/L）体系 平=0.71V,io=1.7A/cm2, =0.26
加入1mol/LNaCN后,简单离子的平衡浓度:3*10-23mol/L,
新平=-0.529V, 计算出的交换电流io=8 *10-16 A/cm2 实际测得的交换电流io=2.8 *10-3 A/cm2 简单离子的作用可忽略!
(3)、有的络合体系，其放电物种的配体与主要络合配体不同。
(4)、金属离子从络离子体系中析出较简单水溶液体系更困难， 涉及更大的电化学极化。尽管pK不稳的数值与超电势无直接联系，
人教化学选修4第四章第四节 金属的电化学腐蚀和防护(共24张PPT)
烤漆
镀铬
涂机油 涂凡士林
镀锌
金属的防护方法 在制金成属合表金面 （覆 不盖 锈保 钢护 ）层 ——改善金属的—内—部电组镀织、结油构漆(内等因)
改变本质
思考讨论
➢金属腐蚀对生活一定不利吗？人们是否可以将金属腐 蚀的原理用于生活，为我们的生活服务呢？
FeCl3溶液腐 蚀铜电路板
情感升华
谢谢 请各位专家、老师批评指正！
小组讨论
常年与海水接触的钢闸门很容易造成腐蚀，你是否能采用原电池 及电解原理来设计两种防腐方法。
钢 闸
Zn
门
牺牲阳极的阴极保护法：原电池原理
小组讨论 常年与海水接触的钢闸门很容易造成腐蚀，你是否能采用本 章所学内容来防止钢闸门被腐蚀？
钢 闸
辅助阳极
门
外加电流的阴极保护法
联系生活
自行车的金属部件采用了什么样的防护措施?
e-
e-
Fen+
Fen+
Fe2+
ee-
Fen+
析氢腐蚀：铁在片酸性较Fe强+条2H件+ 下=F有e2氢+ +气H生2↑成的电石化墨学棒腐蚀。
实验探究
向铁粉中加入少量的炭粉，混合 均匀后，撒入内壁用氯化钠溶液 润湿过的锥形瓶中，按图示装置 好仪器，观察、比较导管中水柱 （在水中滴加几滴红墨水）的变 化。
盐酸溶液 现象：冒气泡 铁片溶解 溶液变成浅绿色
换个角度看反应
e-
e-
Fen+
Fen+
e-
e-
Fen+
微观
Fe2+
e-
e-
Fen+
Fen+
选修一化学第四章知识点总结
选修一化学第四章知识点总结化学选修一的第四章主要涵盖了一些重要的化学知识，包括金属的电化学腐蚀与防护、电解池原理及其应用等。
接下来咱们就一块儿来详细梳理一下这一章的知识点。
一、金属的电化学腐蚀（一）金属腐蚀的本质金属腐蚀就是金属原子失去电子变为金属阳离子，金属发生氧化反应。
（二）化学腐蚀和电化学腐蚀1、化学腐蚀金属跟接触到的物质（一般是气体或非电解质液体）直接发生化学反应而引起的腐蚀。
这种腐蚀过程中没有电流产生。
2、电化学腐蚀不纯的金属跟电解质溶液接触时，会发生原电池反应，比较活泼的金属失去电子而被氧化，这种腐蚀叫做电化学腐蚀。
电化学腐蚀是造成钢铁腐蚀的主要原因。
（三）电化学腐蚀的分类1、析氢腐蚀在酸性较强的溶液中发生的电化学腐蚀，正极上氢离子得电子被还原生成氢气。
例如，钢铁在酸性环境中的析氢腐蚀：负极（Fe）：Fe 2e⁻＝ Fe²⁺正极（C）：2H⁺＋ 2e⁻＝ H₂↑2、吸氧腐蚀在弱酸性或中性溶液中发生的电化学腐蚀，正极上氧气得电子被还原。
例如，钢铁在潮湿空气中的吸氧腐蚀：负极（Fe）：2Fe 4e⁻＝ 2Fe²⁺正极（C）：2H₂O ＋ O₂＋ 4e⁻＝ 4OH⁻（四）影响金属腐蚀快慢的因素1、金属的活动性：金属越活泼，越容易被腐蚀。
2、电解质溶液：电解质溶液的导电性越强，腐蚀越快。
3、环境：湿度越大、温度越高，腐蚀越快。
二、金属的防护（一）改变金属的内部结构例如，把铬、镍等加入普通钢中制成不锈钢。
（二）在金属表面覆盖保护层可以通过涂油漆、电镀、喷镀等方法在金属表面覆盖一层保护层，使金属与外界隔绝。
（三）电化学保护法1、牺牲阳极的阴极保护法这种方法是在被保护的金属上连接一种更活泼的金属，使活泼金属被腐蚀而保护了较不活泼的金属。
2、外加电流的阴极保护法将被保护的金属与电源的负极相连，让其成为阴极，从而得到保护。
三、电解池（一）电解池的构成条件1、有与直流电源相连的两个电极。
应用电化学金属电沉积和电镀原理
ⅠⅡ ⅢⅣⅤⅥⅦ
Ⅷ
ⅠⅡⅢⅣⅤⅥⅦ 0
AA BBBBB
BBAAAAA
Li Be
B C N O F Ne
Na Mg
Al Si P S Cl Ar
K Ca Se Ti V Cr Mn Fe Co Ni Cu Zn Ga Ge As Se Br Kr
Rb Sr Y Zr Nb Mo Tc Ru Rh Pd Ag Cd In Sn Sb Te I Xe
专著名称
说明
电镀工艺学（王鸿建）
该书出版年代较早，但电镀基本理论叙 述较详细
电镀工程（张胜涛）
该书收集了大量新工艺
现代实用电镀技术（陈亚）
该书收集了大量新工艺，并有部分新理 论
电镀工艺与理论（黄子勋）
该书出版年代较早，但电镀基本理论叙 述较详细
4.1.2 金属电沉积原理
1、金属离子还原的可能性
可能电沉积的元素
合金共沉积相特点：
低共溶合金 所形成的合金是各金属组分晶体的混 合物。不同组分金属的晶体独立生长。
如Sn－Pb、Cd－Zn、Sn－Zn、Cu－Ag 固溶体合金 固体溶液 金属间化合物 一种新相，不同于A也不同于B
如Cu6Sn5、Ni3Sn2 性质 硬、脆
4.1.3 金属电结晶
金属电结晶的基本概念： 定义：通常把金属离子或络离子的放电并形成金属晶体的过程
2.电镀过程的实施 基本历程：液相传质→前置转化→电荷传递→电结晶
电镀锌彩色钝化
电镀铜锡合金
电镀铬
我们可以利用电沉积技术做：
(1) 表面处理 增强零件的抗腐蚀性能
(2) 表面处理 增强零件的装饰功能
(3) 表面处理 增强零件的特殊功能如抗高温氧化、抗磨、减磨、
高中化学第四章电化学基础4.4金属的电化学腐蚀与防护课件新人教选修4.ppt
4．钢铁的电化学腐蚀 (1)钢铁的电化学腐蚀的分类： 电化学腐蚀析 吸氢 氧腐 腐蚀 蚀
(2)钢铁的析氢腐蚀和吸氧腐蚀比较：
酸性较强
中性 酸性很弱
2H+ + 2e - === H2↑ O2+2H2O+4e- === 4OH Fe+2H + === Fe2 ++H2↑ 2Fe+2H2O+O2 == 2Fe(OH)2
被氧化的金属为 Cu ，被保护的金属为 Fe 。
一、金属的腐蚀 1．概念 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。 2．本质 金属原子 失去 电子变为 阳 离子，金属发生 氧化 反应。
3．分类 (1)化学腐蚀： 金属跟接触到的物质直接发生化学反应而引起的 腐蚀。 (2)电化学腐蚀： 不纯的金属跟电解质溶液接触时，会发生原电池 反应，比较活泼的金属失电子而被氧化。
金属的腐蚀在生活中非常普遍
钢铁生锈
(1)原电池中，较活泼的金属 失去 电子， 发生 氧反化应，而使金属被氧化。如 Zn－Cu－稀H2SO4原电池中，被氧化 的金属为 Z，n 被保护的金属为 C。u
(2)电解池中，若阳极不是惰性电极，则阳极金属 失去 电子，发生 氧化 反应，引起阳极金属不
断损耗，而阴极金属受到保护。如图所示：
2．金属的防护措施
下列有关金属的保护方法的说法中正确的是 ( B )
A．常使用的快餐杯表面有一层搪瓷，搪瓷层破损 后仍能起到防止铁生锈的作用
B．白铁(镀锌铁)镀层破损后，铁皮的腐蚀速率很 慢
C．轮船的船壳水线以下常装有一些锌块，这是利 用了牺牲阴极的阳极保护法
D．钢铁制造的暖气管道外常涂有一些沥青，这是 钢铁的电化学保护法
4.4 金属的电化学腐蚀与防护(精讲课件)-高二化学(人教版选修4)
金属的电化学防护
3．牺牲阳极的阴极保护法的实验
金属的电化学防护
按如图所示连接好装置，往 Fe 电极区滴入 2 滴 K3[Fe(CN)6](铁氰化钾)溶液(已知 Fe2＋与[Fe(CN)6]3－反应生 成 蓝 色 的 铁 氰 化 亚 铁 沉 淀 ： 3Fe2 ＋ ＋ 2[Fe(CN)6]3 － ===Fe3[Fe(CN)6]2↓)，可以看到电压表指针 发生偏转 ， Fe 电极上有 气泡 产生，没有蓝色沉淀生成，说明溶液中 不含 Fe2＋，Fe 受到 保护 。
A．②①③④⑤⑥ C．⑤④②①③⑥
B．⑤④③①②⑥ D．⑤③②④①⑥
即时应用
4.钢铁工业是国家工业的基础，钢铁生锈现象却随处可 见，为此每年国家损失大量资金。请回答钢铁腐蚀与防护过 程中的有关问题。
即时应用
(1)钢铁的电化学腐蚀原理如图所示：①写出石墨电极 的电极反应式____O__2_＋__4_e－_＋__2_H__2_O_=_=_=__4_O_H__－__________；
金属的电化学腐蚀
2．钢铁的化学腐蚀
[重点解读] 金属的化学腐蚀与电化学腐蚀的比较
金属的电化学腐蚀
即时应用
1.铁生锈是一种常见的自然现象，其主要的化学反应方 程式为：4Fe＋3O2＋xH2O===2Fe2O3·xH2O。如图为一放在 水槽中的铁架，水位高度如图。最容易生锈的铁架横杆是
( C)
A．①
B．②
C．③
D．④
即时应用
2．如图装置中，小试管内为红墨水，具支试管内盛有 pH＝5 的雨水和生铁片。观察到开始时导管内液面下降， 一段时间后导管内液面回升，略高于小试管液面。以下有关 解释合理的是( )
即时应用
A．生铁片中的碳是原电池的阳极，发生还原反应 B．雨水酸性较强，生铁片仅发生析氢腐蚀 C．红墨水回升时，碳极反应式： O2＋2H2O＋4e－===4OH－ D．具支试管中溶液 pH 逐渐减小
高中化学金属的电化学腐蚀与防护说课稿（全国一等奖）
高中化学金属的电化学腐蚀与防护说课稿（全国一等奖）《金属的电化学腐蚀与防护》课前说课设计一、说教材1.教材内容《金属的电化学腐蚀与防护》是人教版普通高中化学课程选修4《化学反应原理》第四章《电化学基础》中的第四节。
教材重点介绍了金属电化学腐蚀（析氢腐蚀和吸氧腐蚀）的本质——金属表面形成了微型原电池，讲述了防护金属腐蚀的主要方法，并具体地介绍了牺牲阳极的阴极保护法和外加电流的阴极保护法。
不但运用原电池原理(牺牲阳极的阴极保护法)，也再次运用了电解原理(外加电流的阴极保护法),加深了学生对化学能与电能相互转化的认识。
2.教材的特点（1）从知识角度看，是氧化还原反应知识的延伸电化学知识包括原电池、电解和电镀，其原理均是利用氧化还原反应完成电能和化学能之间的转化。
因此，在学习电化学知识时，要注重氧化还原反应知识的应用。
理论上，每一个可自发进行的氧化还原反应都可以做成一个原电池。
其中发生氧化反应的一极为阳极，即外电路的负极；发生还原反应的一极为阴极，即外电路的正极。
两个电极之间有电势差(电化学上通常叫电动势)，因此反应可以进行。
在金属做两极时，活泼性较强的金属一般做负极，发生氧化反应；活泼性较弱的金属一般做正极，发生还原反应。
在物理学中，通常从电子的流向角度把原电池的两极分别称作负极和正极。
显然，为了突出化学学科的特点，教材中将利用原电池原理防护金属的方法称为“牺牲阳极的阴极保护法”，而并非“牺牲负极的正极保护法”。
（2）从教材的呈现方式看，采用螺旋式组织结构编写教材内容在不同阶段逐步扩大范围，加深程度，按照螺旋式结构编写，并非一步到位。
初中化学中曾进行过“活动与探究”《铁钉锈蚀的条件》实验；在必修2“电化学知识”中初步学习了原电池的概念及构成条件等知识；在本章前三节分别较详尽的介绍了原电池的工作原理、几种常见的电池和电解池的工作原理及应用。
在学习以上知识之后，及时学习电化学的应用顺理成章。
这样的安排，让学生对电化学知识的学习得到巩固和补充，并逐步深化，既体现了教材循序渐进、由易到难的编排意图，又符合学生的知识水平和认知水平；既分散了难点，让学生分期“消化”，又减轻了负担，有利于学生更好的掌握知识。
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Material electrochemistry
材料电化学
主讲：谢亚红 教授
新疆大学化学化工学院材料化学与工程教研室
第四章 金属的电化学表面精饰
1
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第四章 金属的电化学表面精饰
§4.1 金属电沉积和电镀原理
§4.2 电镀过程
§4.3 金属的阳极氧化
2
§4．1 金属电沉积和电镀原理
第四章 金属的电化学表面精饰
3
金属电沉积(electrodeposition) 简单金属离子或络离子通过电化学方法在固体表面放电 还原为金属原子附着于电极表面，获得金属层的过程。 电镀(electroplating)
金属电沉积的一种，通过改变固体表面特性而改善外观， 提高耐蚀性、抗磨性，增强硬度，提供特殊的光、电、磁、 热等表面性质。
第四章 金属的电化学表面精饰
9
×
络离子的阴极还原机理
（1）络离子可以在电极上直接放电，一般放电络离子的配位 数都比溶液中的主要存在形式低。 阴 电极表面溶液本体 极
M (n-x)+L
Mn+L
原因：具有较高配位数的络离子比较稳定，放电 时需要较高活化能，而且它常带较多负电荷，受 到阴极电场的排斥力较大，不利于直接放电。同 时，在同一络合体系中，放电的络离子可能随配 体浓度的变化而改变。
第四章 金属的电化学表面精饰
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§ 4.1.2 金属络离子的还原
阴 极
Mn+
阴 极
n+ M L
为获得均匀、致密镀层，常要求较大的电化学极化条件， 当向简单金属离子溶液中加入络离子时可使平衡电极电势变 负，可满足金属电沉积在较大的超电势下进行。 络离子先解离成简单离子，再在阴极上还原？？？ 简单计算表明，在络合体系中络离子的不稳定常数pK不稳 很小，存在的简单金属离子浓度极低，在此情况下使简单金 属离子在阴极上放电所需施加的电势要很负。
第四章 金属的电化学表面精饰
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金属离子还原规则
金属水化离子
×
水溶液中的电沉积
√
第四章 金属的电化学表面精饰
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越靠右，在电极上还原的可能性越大
简单金属离子的还原过程包括以下步骤
水化金属离子由本体溶液向电极表面的液相传质
(1)
本体溶液
电极表面
水化数降低，水化层重排
(2)
M 2+ · mH2O - nH2O → M 2+ · (m—n)H2O (4.1)
(3)
吸附，电荷转移，水化原子 M2+· (m-n)H2O+ e → M+· (m-n)H2O (吸附离子) (4.2) M+ · (m-n)H2O + e → M· (m-n)H2O (吸附原子) (4.3) (4) M· (m-n)H2O (ad) - (m-n)H2O → M晶格 水化原子失去剩余水化层成为金属原子进入晶格
11
金属共沉积条件
（1）当两种离子的φΘi相差较小时: 调 节 离 子 浓 度 的 方
法实现共沉积。如φΘSn2+/Sn =-0.136V，φΘPb2+/Pb = 0.126V ，两者仅相差10mV,，且φi都不大，故可用此 法实现Sn和Pb的共沉积。 （2） 当两种离子的φΘi相差不大（<0.2V），且两者极化 曲线（E-i或η-i关系曲线）斜率又不同的情况下: 调节电流密度使其增大到某一数值，此时，两种 离子的析出电势相同，也可实现共沉积。
1,eq 1,c 2,eq 2,c
RT RT 1,eq lnc1 1,c 2 ,eq lnc2 2 ,c （4.10） z1 F z2 F
因此，只要选择适当的金属离子浓度、电极材料（决定 超电势大小）和标准电极电势就可使两种离子同时析出。
第四章 金属的电化学表面精饰
（2） 有的络合体系，其放电物种的配体与主要络合配体不同。 （3） pK不稳的数值与超电势无直接联系，一般K不稳较小的络
离子还原时，呈现较大的阴极极化。
第四章 金属的电化学表面精饰
10
§ 4.1.3
金属共沉积原理
两种金属实现在阴极上共沉积？
相近的析出电势，即:
1,析 2 ,析
（4.8）
（4.9）
第四章 金属的电化学表面精饰
12
（3）当两种离子的φΘi相差很大: 可加入络合剂以改变平衡电极电势，实现共沉积。如 φΘZn2+/Zn=-0.763V，φΘCu2+/Cu=0.337V，ΔφΘ=1.1V，
加入络合离子CN-后，两个标准电极电势分别变为-0.763V
和 -1.108V ， 两 者 相 差 减 小 ； 当 ic=0.05A· cm-2 时 ， ηCu,c=0.685V ，ηZn,c=0.316V ，此时φCu ，析 =-1.448V ，
电镀与电沉积的不同
电镀 良好的机械、物理和化学性能
很好地附着于物体表面，镀层均匀致密，孔隙率少
电沉积 不需要
不需要 4
第四章 金属的电化学表面精饰
§ 4.1.1 简单金属离子的还原
什么样的金属离子能够实现电极上的还原？ 溶液中的任何金属离子，只要电极电势足够负，原 则上都可能在电极上得到还原。 现实中有没有什么特殊情况？ 若溶液中某一组分的还原电势较金属离子的还原电 势更正，则不可能实现该金属离子的还原。 对特殊情况应如何处理？ 如阴极还原产物是合金，由于合金中金属的活度一 般较纯金属小, 此时仍可能实现金属的电沉积。例如活泼 金属Na离子在汞阴极上还原而形成相应的汞齐。
第四章 金属的电化学表面精饰
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简单金属离子阴极还原的动力学表达
对于简单一价金属离子的电沉积过程的速度控制步骤是： 电子转移步骤，其动力学表达式为： ic为阴极还原电流，
超电极ηc=ψc-ψeq aF lg ic hc lg i0 (4.7) 2.3RT
当电沉积的速度控制步骤是放电步骤时，lgic-ηc是直线关系。
二价或多价金属离子放电过程的动力学可从Butler-Volmer方程入手。
简单金属离子阴极还原过程的动力学参数常与溶液中存 在的阴离子有关（如卤素） ？ （1）可能是卤素离子在电极／溶液界面发生吸附，改变了电 极／溶液界面的双电层结构和其他一些界面性质，降低 了金属离子还原的活化能。 （2）可能是溶液中的金属离子与卤素离子发生了配合作用， 因而可以使平衡电极电势发生移动。