联招化学·电化学腐蚀与防护：腐蚀速率和牺牲阳极的法拉第计算

题目性质：自编仿真题——题目、材料、选项、数据与情境均为按课程标准与联招常见考点独立编写的原创仿真题，非真题原文，未取自任何题库、教辅或试卷；解析与采分点为教研整理，非官方评分标准。

一、考点定位与做题顺序

自编示意条件：铁件在潮湿、中性偏弱酸环境发生吸氧腐蚀——负极 Fe − 2e⁻ → Fe²⁺，正极 O₂ + 2H₂O + 4e⁻ → 4OH⁻；若为强酸性则主要走析氢腐蚀，正极 2H⁺ + 2e⁻ → H₂↑。两种情况下铁都是负极、都失 2e⁻，所以失重换算电子数不变，变的只是正极反应与后续产物（Fe(OH)₂ → Fe(OH)₃ → 铁锈）。

换算链固定四步：失重 → n(Fe) → n(e⁻) = 2n(Fe) → Q = n(e⁻)F → I = Q/t，再往后接年腐蚀速率或牺牲阳极耗量。取自编示意常数：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、面积、时间均为自编示意数值。

二、逐题精讲

题1

题1 失重法求腐蚀电流与年腐蚀速率

自编示意：一块表面积 A = 20.0 cm² 的铁件，在潮湿空气中放置 24.0 h 后失重 0.1120 g（假设腐蚀产物全部计入失重、铁只氧化为 Fe²⁺）。(1) 求这 24.0 h 内的转移电子物质的量、电量 Q 与平均腐蚀电流 I。(2) 求年腐蚀速率（以 mm/a 表示，按 365 d、均匀减薄计）；并用「I = Q/t 反算失重」回代闭合一次。

解析

介质判定：题设为潮湿空气、中性偏弱酸，正极是吸氧（O₂ + 2H₂O + 4e⁻ → 4OH⁻）；可顺手验电子匹配：4.0107×10⁻³ mol e⁻ 对应消耗 O₂ = n(e⁻)/4 = 1.0027×10⁻³ mol，质量约 0.0321 g。若改成强酸析氢，则 n(H₂) = n(e⁻)/2 = 2.0054×10⁻³ mol，标准状况体积约 44.9 mL——铁失重与电子数不变，正极产物变，这是本题的概念判分点。

(2) 年腐蚀速率（mm/a）：24 h 失重对应体积 V = 0.1120/7.87 = 1.4231×10⁻² cm³；均匀减薄厚度 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。

回代闭合：由 I = 4.479×10⁻³ A 反算一年电量 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。再由密度与面积反算厚度：40.88/7.87 = 5.194 cm³，/20.0 cm² = 0.2597 cm = 2.597 mm/a ✓ 与直接法一致。
另一路更短的验算：0.1120 g × 365 = 40.88 g/a（线性外推），与上面 40.88 g 完全相同 ✓。三条路闭合，说明「失重→电流→速率」没有丢系数。

前提说明：失重法默认腐蚀产物全部脱落并被计入失重、铁均匀减薄、只生成 Fe²⁺。若产物附着增重、或出现点蚀（局部深度远大于平均减薄），算出的 mm/a 只是平均速率，会低估最大穿孔深度——答题补这一句才算完整。

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；介质为吸氧腐蚀（强酸才析氢），铁失 2e⁻ 不变。(2) 7.116 μm/d，年速率 2.597 mm/a；由 I 反算年失重 40.88 g/a 再折厚度同为 2.597 mm/a，闭合。

采分点　写出 Fe→Fe²⁺+2e⁻ 与吸氧正极式各 1 分；n(Fe)、n(e⁻) 各 1 分；Q=387.0 C 与 I=4.48 mA 各 1 分；指出强酸改析氢而铁电子数不变 1 分；体积→厚度→μm/d→mm/a 四步 2 分；I 反算年失重 40.88 g 与 2.597 mm/a 闭合 1 分；说明失重法前提与点蚀局限 1 分。

易错点　把 Fe 当成失 3e⁻（生成 Fe³⁺），全部结果差 1.5 倍；把 24 h 写成 1440 s 或漏乘 3600；把 cm³/cm² 换算成 mm 时少一位；只算平均速率不提点蚀会低估局部深度；把中性环境判成析氢腐蚀；Q=nF 时把 n(Fe) 直接当 n(e⁻)。

题2

题2 牺牲阳极年耗量与两类防护的极性判定

(1) 若改用锌作牺牲阳极保护同一铁件，且需要提供的保护电流与题1 的腐蚀电流相同（I = 4.479 mA），求一年消耗锌的质量；说明为什么锌「被消耗」而铁不被消耗。(2) 比较牺牲阳极法与外加电流阴极保护法：被保护件各接什么极、各靠什么提供电子？并判断三种说法是否正确：①「牺牲阳极法里铁作正极」②「外加电流法需把被保护件接电源正极」③「两种方法中被保护件都发生还原反应或不反应」。

解析

回代闭合：题1 年腐蚀 n(Fe) = 0.73194 mol，与本题 n(Zn) 完全相等——因为两者都失 2e⁻，提供同样电量就消耗同样物质的量；质量比 47.85/40.88 ≈ 1.1705，与 M(Zn)/M(Fe) = 65.38/55.85 ≈ 1.1706 在取位内一致 ✓。这个「等物质的量」是很好的自检点。
为什么锌被消耗：E°(Zn²⁺/Zn) 比 E°(Fe²⁺/Fe) 更负，锌更活泼、更易失电子；与铁偶接后锌作负极（阳极）被氧化溶解，铁作正极（阴极），其表面只发生 O₂ 得电子的还原反应（吸氧）而本身不失电子。所以消耗的是「替身」锌，铁被保护；锌块须定期更换，且要保证电接触与电解质连通。
注意：若按「保护电流需大于腐蚀电流」的工程做法另取裕量（如 1.2 倍），耗量按比例放大即可，本题按题给「相同」计算，不擅自加系数。

(2) 两类防护对照：
牺牲阳极法：被保护铁件作正极（阴极），电子由更活泼金属（Zn/Mg/Al 合金）自身氧化提供，不需要外接电源；活泼金属是阳极、被消耗。
外加电流阴极保护法：被保护铁件接直流电源负极，作阴极；电子由外接电源强制供给，另用惰性辅助阳极（如石墨、镀铂钛）接正极完成回路，辅助阳极上发生氧化（析氧/析氯），本身基本不消耗或消耗很慢。
三条说法判定：
① 说法不严谨／按原电池术语为错：在原电池语境里应称铁为正极（阴极），不说「阳极」；若该说法想表达「铁不作负极被氧化」，意思对但术语用「正极」才准。答题须写明「铁是正极／阴极，发生还原反应或自身不反应」，并指出「正极≠阳极」在电解池里恰好相反，容易混。
② 错：外加电流法必须把被保护件接电源负极；接正极会使其成为阳极而加速腐蚀，方向完全反了。
③ 基本正确但需补限定：两种方法中被保护件都是阴极， itself 不发生氧化；其表面进行的是还原反应（吸氧条件下 O₂ + 2H₂O + 4e⁻ → 4OH⁻，或析氢），严格说「被保护件本身不反应、表面发生还原」比「都发生还原反应」更准。若介质中无去极化剂，则只是被强制保持电位、几乎无净反应。
一句记忆：不管哪种方法，「被保护的永远是阴极」；区别只在电子是「活泼金属自己给」还是「电源硬塞」。

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；与题1 年腐蚀 n(Fe) 等物质的量，质量比与摩尔质量比约 1.1706，在取位内闭合。锌更活泼作负极被氧化，铁作正极仅表面还原。(2) 牺牲阳极：铁作正极/阴极、电子由活泼金属提供、无外接电源；外加电流：铁接电源负极作阴极、惰性辅助阳极接正极。① 术语应为「正极/阴极」② 错（接正极会加速腐蚀）③ 基本对，宜表述为「被保护件本身不氧化、表面发生还原」。

采分点　Q年 与 n(e⁻) 各 1 分；Zn 失 2e⁻ 得 n(Zn)=0.73194 1 分；m(Zn)=47.85 g 1 分；等物质的量与质量比 ≈1.1706 回代 1 分；用电极电位/活泼性解释锌被消耗 1 分；两类防护的极性与电子来源各 1 分；三条说法逐条判定各 1 分；「被保护永远是阴极」一句 1 分。

易错点　把 Zn 当成失 1e⁻ 或 3e⁻；把保护电流乘上自定裕量却不说明；把牺牲阳极法里的铁说成「阳极」；外加电流法把被保护件接正极；认为辅助阳极也像锌一样是「牺牲」消耗；把「正极」与「阳极」在两种池里混用；只判说法不写术语订正。

三、规律小结与对照表

腐蚀这一组，全部换算都走同一条桥：失重 → n(Fe) → 2n(e⁻) → Q = nF → I = Q/t，再往后接年速率或阳极耗量。题1 的 4.48 mA 反推一年失重 40.88 g、折 2.597 mm/a，与直接法分毫不差；题2 锌耗量与铁年腐蚀等物质的量（都失 2e⁻），质量比正好是摩尔质量比，回代一眼就能验。概念上只记一句：被保护的永远是阴极，电子要么由更活泼的替身给，要么由外接电源硬塞。所有失重、面积、电流与材料参数均为自编示意，不代表真实腐蚀记录或工程数据。

四、自测清单

• □ 先写 Fe→Fe²⁺+2e⁻，别按 Fe³⁺ 算 3e⁻；
• □ 时间一律化秒，Q=n(e⁻)F 而不是 n(Fe)F；
• □ 中性/弱酸走吸氧、强酸走析氢，铁的电子数不变；
• □ cm³/cm² → cm → mm → μm 逐步换，别跳位；
• □ 算完用 I 反算年失重回代闭合一次；
• □ 极性只记「被保护件是阴极」，外加电流接电源负极；
• □ 补一句失重法是平均速率、点蚀会低估局部深度。