聯招化學·金屬腐蝕與防護：析氫、吸氧與三種保護法

題目性質：自編仿真題——題目、材料、選項、數據與情境均為按課程標準與聯招常見考點獨立編寫的原創仿真題，非真題原文，未取自任何題庫、教輔或試卷；解析與採分點為教研整理，非官方評分標準。

一、考點定位與做題順序

鋼鐵在潮溼環境中形成無數微小原電池：鐵作負極（Fe − 2e⁻ = Fe²⁺，被氧化），碳或雜質作正極，正極反應由水膜的酸鹼性決定。這一步判錯，後面全錯。

兩條主線：酸性較強（pH 較低，如酸雨、酸洗殘液）→ 析氫腐蝕，正極 2H⁺ + 2e⁻ = H₂↑；中性/弱酸性/鹼性（海水、潮溼空氣、土壤）→ 吸氧腐蝕，正極 O₂ + 2H₂O + 4e⁻ = 4OH⁻。後者才是日常生活中鋼鐵生鏽的主因。下面情境與數據均為自編。

二、題目呈現

題1 類型判斷與電極式（自編）

三個自編情境：

甲：一枚鐵釘落在 pH ≈ 3 的酸雨積水裡；

乙：海邊欄杆表面覆一層中性海水膜；

丙：埋在潮溼中性土壤裡的鐵管。

分別判斷主要發生哪種電化學腐蝕，寫出負極與正極反應式，並寫出甲、乙後續生成鐵鏽的關鍵反應。

題2 防護原理（自編）

下列三種防護做法，分別指出所屬方法並解釋原理：

① 鐵質船殼鉚接鋅塊；② 地下鐵管接直流電源負極、惰性輔助陽極接正極；③ 鐵桶表面鍍錫（馬口鐵）與鍍鋅（白鐵）各在鍍層破損後會怎樣？為什麼結論不同？

題3 定量（自編）

某自編情境中，一塊鐵製品在中性潮溼環境中發生吸氧腐蝕，測得某段時間內共消耗 O₂ 0.56 L（已換算為標準狀況）。求：① 轉移電子的物質的量；② 被氧化的鐵的物質的量與質量（Fe 取 56）；③ 若改用析氫腐蝕且轉移同樣多的電子，生成 H₂ 在標況下的體積。

三、分步解析

題1 甲（析氫）　pH≈3 屬酸性較強 → 析氫腐蝕。負極：Fe − 2e⁻ = Fe²⁺；正極（H⁺ 得電子）：2H⁺ + 2e⁻ = H₂↑。總反應：Fe + 2H⁺ = Fe²⁺ + H₂↑。後續：Fe²⁺ 被空氣中 O₂ 氧化並經水解、脫水逐步生成 Fe₂O₃·xH₂O（鐵鏽），關鍵一步可寫 4Fe²⁺ + O₂ + 4H⁺ = 4Fe³⁺ + 2H₂O，再水解成氫氧化物並脫水。注意酸性環境下正極不出現 OH⁻。

題1 乙、丙（吸氧）　中性海水膜與潮溼中性土壤 → 吸氧腐蝕。負極仍為 Fe − 2e⁻ = Fe²⁺；正極：O₂ + 2H₂O + 4e⁻ = 4OH⁻。配平時把負極乘 2：2Fe − 4e⁻ = 2Fe²⁺，相加得 2Fe + O₂ + 2H₂O = 2Fe(OH)₂。後續鏽化：4Fe(OH)₂ + O₂ + 2H₂O = 4Fe(OH)₃，Fe(OH)₃ 失水生成 Fe₂O₃·xH₂O（紅褐色鐵鏽）。乙與丙介質同為中性，電極式相同；差別只在氧氣供給速率（海水膜薄、流動供氧快，土壤供氧慢），影響腐蝕快慢而不改變類型。

題2 ①　犧牲陽極的陰極保護法（原電池原理）。Zn 比 Fe 活潑，鉚接後 Zn 作負極被氧化：Zn − 2e⁻ = Zn²⁺，鐵殼作正極被保護（正極上發生吸氧反應，鐵不失電子）。鋅塊逐漸消耗，需定期更換，故稱「犧牲陽極」。答題必須寫出「誰作負極、誰被保護」，只寫「鋅更活潑」不給滿分。

題2 ②　外加電流的陰極保護法（電解池原理）。鐵管接電源負極作陰極，被強制供應電子、不發生氧化；惰性輔助陽極接正極，發生氧化（如析氧）。與①的區別：①靠自發原電池、不需外接電源、犧牲金屬；②靠外加直流電、被保護金屬始終作陰極、輔助陽極本身不溶解（或消耗很小）。

題2 ③　鍍鋅（白鐵）破損後仍保護鐵：Zn 比 Fe 活潑，破損處形成原電池時 Zn 作負極被腐蝕、Fe 作正極被保護，直到鋅耗盡。鍍錫（馬口鐵）破損後鐵腐蝕更快：Sn 不如 Fe 活潑，破損處 Fe 作負極被氧化、Sn 作正極，且由於「小負極（暴露的鐵）＋大正極（完好的錫層）」的面積比，腐蝕電流集中，鐵比裸鐵鏽得還快。結論不同的根因是鍍層金屬與鐵的相對活潑性相反。這一「破損後反而不利」是馬口鐵題的固定採分點。

題3 定量　① 標況下 n(O₂) = 0.56/22.4 = 0.025 mol；吸氧正極每 1 mol O₂ 得 4 mol e⁻，故 n(e⁻) = 4 × 0.025 = 0.10 mol。
② 負極 Fe − 2e⁻ = Fe²⁺，每 1 mol Fe 失 2 mol e⁻，故 n(Fe) = 0.10/2 = 0.050 mol，m(Fe) = 0.050 × 56 = 2.80 g。
③ 析氫正極 2H⁺ + 2e⁻ = H₂↑，每 1 mol H₂ 對應 2 mol e⁻，故 n(H₂) = 0.10/2 = 0.050 mol，V(H₂) = 0.050 × 22.4 = 1.12 L。
守恆回驗：吸氧路線 0.025 mol O₂ 收 0.10 mol e⁻，負極 0.050 mol Fe 放出 0.10 mol e⁻，收支相等 ✓；析氫路線同為 0.10 mol e⁻，故 H₂ 為 O₂ 物質的量的 2 倍（0.050 對 0.025），體積比 1.12:0.56 = 2:1，與「每分子 O₂ 得 4e⁻、每分子 H₂ 只需 2e⁻」一致 ✓。

四、採分點對照

五、高頻易錯點

• 不先判介質酸鹼性，中性海水膜裡也寫 2H⁺+2e⁻=H₂↑。
• 吸氧腐蝕正極漏乘 4e⁻，寫成 O₂+2H₂O+2e⁻=4OH⁻（電荷不守恆）。
• 負極式寫成 Fe−3e⁻=Fe³⁺：電化學腐蝕第一步生成的是 Fe²⁺。
• 把兩類腐蝕都叫「生鏽」而不區分，答題缺類型詞。
• 犧牲陽極法只寫「鋅比鐵活潑」，不點明誰作負極、誰被保護。
• 把外加電流法說成「鐵管接正極」——被保護金屬必須接負極作陰極。
• 認為鍍錫破損後仍能保護鐵，忽略 Sn 不如 Fe 活潑與面積效應。
• 定量題把 O₂ 與 e⁻ 的比例記成 1:2，或忘標況 22.4 L/mol。

六、小結與自查清單

• □ 第一句先判介質酸鹼性，再決定正極式。
• □ 負極一律 Fe−2e⁻=Fe²⁺，不要寫成 Fe³⁺。
• □ 正極式寫完查原子守恆 + 電荷守恆（吸氧是 4e⁻）。
• □ 防護題寫清「方法名 + 誰作負極 + 誰被保護」。
• □ 鍍層破損題先比鍍層金屬與鐵的活潑性，再判面積效應。
• □ 定量用一條電子線貫通兩極，最後回代驗收支相等。
• □ 氣體體積先確認是否標況，再乘 22.4 L/mol。

腐蝕題的所有分岔都從「介質酸鹼性」那一句開始：判對了，析氫與吸氧兩套電極式各歸其位；判錯了，後面寫得再整齊也全廢。防護題再補一句「誰作負極、誰被保護」，鍍層破損題補一句「相對活潑性」，這塊就閉合了。本組情境、裝置與數據均為原創自編仿真內容。