聯招化學·電化學腐蝕與防護：腐蝕速率和犧牲陽極的法拉第計算

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

自編示意條件：鐵件在潮溼、中性偏弱酸環境發生吸氧腐蝕——負極 Fe − 2e⁻ → Fe²⁺，正極 O₂ + 2H₂O + 4e⁻ → 4OH⁻；若為強酸性則主要走析氫腐蝕，正極 2H⁺ + 2e⁻ → H₂↑。兩種情況下鐵都是負極、都失 2e⁻，所以失重換算電子數不變，變的只是正極反應與後續產物（Fe(OH)₂ → Fe(OH)₃ → 鐵鏽）。

換算鏈固定四步：失重 → n(Fe) → n(e⁻) = 2n(Fe) → Q = n(e⁻)F → I = Q/t，再往後接年腐蝕速率或犧牲陽極耗量。取自編示意常數：M(Fe) = 55.85 g/mol，M(Zn) = 65.38 g/mol，F = 96485 C/mol，ρ(Fe) = 7.87 g/cm³，1 年按 365 d = 3.1536×10⁷ s。下面失重、面積、時間均為自編示意數值。

二、逐題精講

題1

題1 失重法求腐蝕電流與年腐蝕速率

自編示意：一塊表面積 A = 20.0 cm² 的鐵件，在潮溼空氣中放置 24.0 h 後失重 0.1120 g（假設腐蝕產物全部計入失重、鐵只氧化為 Fe²⁺）。(1) 求這 24.0 h 內的轉移電子物質的量、電量 Q 與平均腐蝕電流 I。(2) 求年腐蝕速率（以 mm/a 表示，按 365 d、均勻減薄計）；並用「I = Q/t 反算失重」回代閉合一次。

解析

介質判定：題設為潮溼空氣、中性偏弱酸，正極是吸氧（O₂ + 2H₂O + 4e⁻ → 4OH⁻）；可順手驗電子匹配：4.0107×10⁻³ mol e⁻ 對應消耗 O₂ = n(e⁻)/4 = 1.0027×10⁻³ mol，質量約 0.0321 g。若改成強酸析氫，則 n(H₂) = n(e⁻)/2 = 2.0054×10⁻³ mol，標準狀況體積約 44.9 mL——鐵失重與電子數不變，正極產物變，這是本題的概念判分點。

(2) 年腐蝕速率（mm/a）：24 h 失重對應體積 V = 0.1120/7.87 = 1.4231×10⁻² cm³；均勻減薄厚度 h = V/A = 1.4231×10⁻²/20.0 = 7.1157×10⁻⁴ cm = 7.1157×10⁻³ mm = 7.116 μm / 天。
年速率 = 7.1157×10⁻³ mm/d × 365 d = 2.597 mm/a。

回代閉合：由 I = 4.479×10⁻³ A 反算一年電量 Q_年 = I × 3.1536×10⁷ = 1.4124×10⁵ C；n(e⁻)_年 = 1.4124×10⁵/96485 = 1.4639 mol；n(Fe)_年 = 0.73194 mol；m = 0.73194 × 55.85 = 40.88 g/a。再由密度與面積反算厚度：40.88/7.87 = 5.194 cm³，/20.0 cm² = 0.2597 cm = 2.597 mm/a ✓ 與直接法一致。
另一路更短的驗算：0.1120 g × 365 = 40.88 g/a（線性外推），與上面 40.88 g 完全相同 ✓。三條路閉合，說明「失重→電流→速率」沒有丟係數。

前提說明：失重法默認腐蝕產物全部脫落並被計入失重、鐵均勻減薄、只生成 Fe²⁺。若產物附著增重、或出現點蝕（局部深度遠大於平均減薄），算出的 mm/a 只是平均速率，會低估最大穿孔深度——答題補這一句才算完整。

答案　(1) n(Fe)=2.0054×10⁻³ mol，n(e⁻)=4.0107×10⁻³ mol，Q≈387.0 C，I≈4.48 mA；介質為吸氧腐蝕（強酸才析氫），鐵失 2e⁻ 不變。(2) 7.116 μm/d，年速率 2.597 mm/a；由 I 反算年失重 40.88 g/a 再折厚度同為 2.597 mm/a，閉合。

採分點　寫出 Fe→Fe²⁺+2e⁻ 與吸氧正極式各 1 分；n(Fe)、n(e⁻) 各 1 分；Q=387.0 C 與 I=4.48 mA 各 1 分；指出強酸改析氫而鐵電子數不變 1 分；體積→厚度→μm/d→mm/a 四步 2 分；I 反算年失重 40.88 g 與 2.597 mm/a 閉合 1 分；說明失重法前提與點蝕侷限 1 分。

易錯點　把 Fe 當成失 3e⁻（生成 Fe³⁺），全部結果差 1.5 倍；把 24 h 寫成 1440 s 或漏乘 3600；把 cm³/cm² 換算成 mm 時少一位；只算平均速率不提點蝕會低估局部深度；把中性環境判成析氫腐蝕；Q=nF 時把 n(Fe) 直接當 n(e⁻)。

題2

題2 犧牲陽極年耗量與兩類防護的極性判定

(1) 若改用鋅作犧牲陽極保護同一鐵件，且需要提供的保護電流與題1 的腐蝕電流相同（I = 4.479 mA），求一年消耗鋅的質量；說明為什麼鋅「被消耗」而鐵不被消耗。(2) 比較犧牲陽極法與外加電流陰極保護法：被保護件各接什麼極、各靠什麼提供電子？並判斷三種說法是否正確：①「犧牲陽極法裡鐵作正極」②「外加電流法需把被保護件接電源正極」③「兩種方法中被保護件都發生還原反應或不反應」。

解析

回代閉合：題1 年腐蝕 n(Fe) = 0.73194 mol，與本題 n(Zn) 完全相等——因為兩者都失 2e⁻，提供同樣電量就消耗同樣物質的量；質量比 47.85/40.88 ≈ 1.1705，與 M(Zn)/M(Fe) = 65.38/55.85 ≈ 1.1706 在取位內一致 ✓。這個「等物質的量」是很好的自檢點。
為什麼鋅被消耗：E°(Zn²⁺/Zn) 比 E°(Fe²⁺/Fe) 更負，鋅更活潑、更易失電子；與鐵偶接後鋅作負極（陽極）被氧化溶解，鐵作正極（陰極），其表面只發生 O₂ 得電子的還原反應（吸氧）而本身不失電子。所以消耗的是「替身」鋅，鐵被保護；鋅塊須定期更換，且要保證電接觸與電解質連通。
注意：若按「保護電流需大於腐蝕電流」的工程做法另取裕量（如 1.2 倍），耗量按比例放大即可，本題按題給「相同」計算，不擅自加係數。

(2) 兩類防護對照：
犧牲陽極法：被保護鐵件作正極（陰極），電子由更活潑金屬（Zn/Mg/Al 合金）自身氧化提供，不需要外接電源；活潑金屬是陽極、被消耗。
外加電流陰極保護法：被保護鐵件接直流電源負極，作陰極；電子由外接電源強制供給，另用惰性輔助陽極（如石墨、鍍鉑鈦）接正極完成迴路，輔助陽極上發生氧化（析氧/析氯），本身基本不消耗或消耗很慢。
三條說法判定：
① 說法不嚴謹／按原電池術語為錯：在原電池語境裡應稱鐵為正極（陰極），不說「陽極」；若該說法想表達「鐵不作負極被氧化」，意思對但術語用「正極」才準。答題須寫明「鐵是正極／陰極，發生還原反應或自身不反應」，並指出「正極≠陽極」在電解池裡恰好相反，容易混。
② 錯：外加電流法必須把被保護件接電源負極；接正極會使其成為陽極而加速腐蝕，方向完全反了。
③ 基本正確但需補限定：兩種方法中被保護件都是陰極， itself 不發生氧化；其表面進行的是還原反應（吸氧條件下 O₂ + 2H₂O + 4e⁻ → 4OH⁻，或析氫），嚴格說「被保護件本身不反應、表面發生還原」比「都發生還原反應」更準。若介質中無去極化劑，則只是被強制保持電位、幾乎無淨反應。
一句記憶：不管哪種方法，「被保護的永遠是陰極」；區別只在電子是「活潑金屬自己給」還是「電源硬塞」。

答案　(1) Q年=1.4124×10⁵ C，n(e⁻)=1.4639 mol，n(Zn)=0.73194 mol，m(Zn)≈47.85 g/a；與題1 年腐蝕 n(Fe) 等物質的量，質量比與摩爾質量比約 1.1706，在取位內閉合。鋅更活潑作負極被氧化，鐵作正極僅表面還原。(2) 犧牲陽極：鐵作正極/陰極、電子由活潑金屬提供、無外接電源；外加電流：鐵接電源負極作陰極、惰性輔助陽極接正極。① 術語應為「正極/陰極」② 錯（接正極會加速腐蝕）③ 基本對，宜表述為「被保護件本身不氧化、表面發生還原」。

採分點　Q年 與 n(e⁻) 各 1 分；Zn 失 2e⁻ 得 n(Zn)=0.73194 1 分；m(Zn)=47.85 g 1 分；等物質的量與質量比 ≈1.1706 回代 1 分；用電極電位/活潑性解釋鋅被消耗 1 分；兩類防護的極性與電子來源各 1 分；三條說法逐條判定各 1 分；「被保護永遠是陰極」一句 1 分。

易錯點　把 Zn 當成失 1e⁻ 或 3e⁻；把保護電流乘上自定裕量卻不說明；把犧牲陽極法裡的鐵說成「陽極」；外加電流法把被保護件接正極；認為輔助陽極也像鋅一樣是「犧牲」消耗；把「正極」與「陽極」在兩種池裡混用；只判說法不寫術語訂正。

三、規律小結與對照表

腐蝕這一組，全部換算都走同一條橋：失重 → n(Fe) → 2n(e⁻) → Q = nF → I = Q/t，再往後接年速率或陽極耗量。題1 的 4.48 mA 反推一年失重 40.88 g、折 2.597 mm/a，與直接法分毫不差；題2 鋅耗量與鐵年腐蝕等物質的量（都失 2e⁻），質量比正好是摩爾質量比，回代一眼就能驗。概念上只記一句：被保護的永遠是陰極，電子要麼由更活潑的替身給，要麼由外接電源硬塞。所有失重、面積、電流與材料參數均為自編示意，不代表真實腐蝕記錄或工程數據。

四、自測清單

• □ 先寫 Fe→Fe²⁺+2e⁻，別按 Fe³⁺ 算 3e⁻；
• □ 時間一律化秒，Q=n(e⁻)F 而不是 n(Fe)F；
• □ 中性/弱酸走吸氧、強酸走析氫，鐵的電子數不變；
• □ cm³/cm² → cm → mm → μm 逐步換，別跳位；
• □ 算完用 I 反算年失重回代閉合一次；
• □ 極性只記「被保護件是陰極」，外加電流接電源負極；
• □ 補一句失重法是平均速率、點蝕會低估局部深度。