金属腐蚀教学案（共9篇）
第一节 常见的金属材料
第1课 金属的物理性质 合金（总第1课时）
【学习目标】
1、了解金属的物理特征，能区分常见的金属和非金属；认识金属材料在生产、生活和社会发展中的重要作用。
2、了解常见金属的特性及其应用，认识加入其他元素可以改良金属特性的重要性；知道生铁和钢等重要的合金。
【学习重点】金属的物理性质和一些重要的合金。
【学习过程】
学习任务一：探究金属的物理性质
学生活动1：列举常见或常用的金属制品，总结它们的性质。
学生活动2：阅读课本P26-27。
大多数金属都具有__________ __________和__________较大，__________、______点较高，具有良好的__________性和__________、__________性能，室温下，除__________外，金属都是固体。
学生活动3：在线测试（课本P27）
学生活动4：阅读课本P27“多识一点”《金属材料的分类》
学习任务二：认识合金。
1、_______________________________叫做合金，如___________、___________等。学生活动5：实验探究：金属与合金的性质的比较。
结论：（1）合金比其组成金属的颜色更鲜艳；
（2）合金的硬度___________组成它们的金属；
（3）合金的熔点___________组成它们的金属；
（4）合金的抗腐蚀能力一般___________组成它们的金属；
原因：金属在熔合了其它金属或非金属后，不仅___________发生了变化，其___________也发生了改变，从而引起性质的变化。
学生活动6：阅读课本P29，了解几种常见合金。
二、合作共建
1、在我国北方用的暖气片，是用___________制作的，暖气管是用___________制作的。（填“生铁”或“钢”，2同）
2、日常生活中使用的刀、剪是用___________制作的。
3、一般干电池的负极是用___________制作的，正极是用___________制作的。
4、糖果、烟盒中的包装纸是用___________制作的。
5、保温瓶胆壁上的金属是___________。
6、温度计中填充的金属是___________。
三、系统总结
四、诊断评价
1、下列金属中在工业上属于黑色金属的是（）
A、锌B、钛C、铜D、铁
2、关于合金的下列认识正确的是（）
A、合金就是生铁和钢B、合金具有金属特性
C、纯铁是最常见的合金之一D、合金就是几种金属粉末混合在一起
3、被广泛用于做人造卫星和宇宙飞船天线的是（）
A、钛－镍形状记忆合金B、硬铝C、铝合金D、白铜
4、地壳里含量最多的金属元素是（）
A、氧B、硅C、铝D、铁
5、夏钨股份公司拟生产用于汽车贮氢的钨合金，此合金（）
A、熔点比钨高B、不能导电C、具有金属特性D、是一种不可回收物
6、世界卫生组织把铝确定为食品污染源之一。铝的下列应用要加以控制的是（）
A、用铝合金制门窗B、用铝合金作飞机材料
C、用金属铝制装碳酸饮料的易拉罐D、用金属铝制天线
7、下列关于合金的叙述，：①合金中至少含有金属；②合金中元素以化合物的形式存在；③合金中一定含有金属；④合金一定为混合物；⑤合金依然具有金属特性。其中正确的是（）
A、④B、①②③C、③④D、③④⑤
8、钨用来制造灯丝，因为钨具有导电性且（）
A、密度大B、熔点高C、硬度大D、延展性好
9、下列物质不属于合金的是（）
A、铁锈B、不锈钢C、青铜D、焊锡
1《金属腐蚀与防护》课程概况
课程选择结构材料中应用最多的金属材料为主要对象,重点介绍了金属腐蚀的原理、规律、影响因素,以及腐蚀控制途径、措施和方法。课程以物理化学和电化学为基础,涉及材料科学、金属学、表面科学、环境科学、工程力学、固体物理学等,是一门具有高度交叉性、综合性的课程。同时,该课程是一门理论性和实用型并重的专业课,既需注重学生基本腐蚀理论的学习,又要求掌握基本的防护方法,在学习过程中需注重锻炼学生分析、解决问题的实践能力,以达到培养腐蚀防护方向的应用型高级工程技术人才的目标。《金属腐蚀与防护》是湖南工程学院应用化学专业两个班的专业必修课,大三上半年开课,学时为32,无实验教学。
2 教学中存在的问题
2.1 教学环节设置不恰当
《金属腐蚀与防护》课程知识面广、概念多、原理复杂、内容抽象,有些微观腐蚀机理难理解,甚至有些内容和理论不够完善,因此学习难度较大。我校目前的课时数为仅为32学时,教师很难对课程进行系统地讲解,只能初略的介绍书本知识。另外,该课程的重要理论基础腐蚀热力学和动力学涉及物理化学和电化学方面知识,课程安排在大三上学期,与《电化学》同步教学,学生的理论知识储备不充分,增加了学习难度。
2.2 教学方法上有待改性
《金属腐蚀与防护》课程理论性较强,知识量大,无实验教学环节,在课时有限的条件下,难免出现“填鸭式”知识灌输教学。由此产生的结果是学生学习兴趣不足,学后印象不深,无法理论联系实际,更谈不上学生分析、解决问题的实践能力的锻炼和培养。
2.3 课程考核方式有待完善
该课程的考核方式主要由平时成绩(30%)和期末考试(70%)组成。平时成绩分为出勤和课后作业两项。考试内容涉及基本概念、原理、公式和防腐方法,学生往往通过考前突击复习,强行记忆应付考试,造成考完就忘的情况。
3 教学改革
针对本校《金属腐蚀与防护》课程教学中出现的问题,笔者结合多年教学经验,从培养应用型高级工程技术人才的目标出发,对该课程教学体系做如下改革:
3.1 合理设置教学环节
针对《金属腐蚀与防护》课程课时偏少,无实验课,课程时间安排不合理的问题,我校将总课时调整至56学时,其中课堂讲述40学时,实验课6学时,大型综合实验10学时,并将开课时间调整至大学三年级下学期(物理化学和电化学均已结课)。
3.2 积极调整教学方法
3.2.1 引入案例教学法,增强学生学习兴趣
案例教学法是指对通过对一个含有问题在内的场景的描述,引导学生对解决这些场景所面临的问题进行讨论并参与实践的一种教学方法。该法与传统的讲授法不同,教师在教学中扮演设计者和激励者的角色,鼓励学生积极参与讨论。学生在教学过程中处于主动地位,在讨论过程中将理论运用于实践,从而提高学生对知识的运用能力[5]。
选择好的案例是案例教学的关键。一个好的案例常常能提出非常有挑战性的问题,一个有吸引力的案例应该具有以下特征:讲述一个真实的故事,包含矛盾冲突,没有明确答案,能激发学生与中心人物的共鸣,鼓励学生思考并决定自己的立场,要求拿出一个决议,比较简明扼要[6]。例如在讲授防腐蚀重要性时,列举出大量桥梁、设备、船舶等被腐蚀的图片,并说明造成腐蚀的原因及损失。引用中国科学院海洋研究所研究员侯保荣院士在“我国腐蚀状况及控制战略研究”重大咨询项目启动会上作上述表示:根据估算,2014年我国腐蚀损失超过2万亿,为自然灾害的4倍。以直观的相片和数字说明腐蚀的危害,使学生意识到腐蚀防护的重要性,激发他们学习的积极性,树立腐蚀防护的理念。
又例如在讲解防腐蚀设计内容时,引入案例:某公司为液压系统设计了一系列大小不一的液压阀块(机械液压系统的一个重要零部件,用作油路的分、集和转换的过渡块体,或者用来安装板式、插装式等阀件的基础块),在防腐蚀设计方案会上,提出几种防腐蚀方案:喷漆、镀锌、镀镍、QPQ处理,你认为哪种合适,为什么?利用问题的探讨,使学生对腐蚀防护方法及其优缺点有较深刻的印象。在授课课程中充分利用案例,设置问题情境,引导学生思考,采用启发、互动、探究、研讨等方式使学生真正成为课程教学的主体,调动学生的积极性、主动性,激发学生的学习兴趣。
3.2.2 加强实验教学,提高学生实践能力
应用型本科院校需特别注重培训学生的实践能力,实验正是锻炼学生实践能力的有效方法[7]。通过实验课,学生能更直观的理解腐蚀理论和防护方法,加深对课堂知识的印象。本校增加了6学时试验课时,分别开展了:重量法测金属腐蚀速度、电位-时间曲线的测量、极化曲线测量腐蚀电位和腐蚀电流、金属阳极钝化曲线的测量、局部腐蚀原理演示、电偶腐蚀的测量6个腐蚀实验。
课程增设了大型综合实验环节,将学生分成若干小组,以小组为单位给定课题,并要求查找资料并拟定防护方法,进行防腐蚀试验,最后比较防护效果。通过大型综合试验让学生自己去思考、去设计、去操作、去试验,去总结试验结果,这样有利于提升学生在面对实际问题时的自信心,有利于锻炼学生分析问题,解决问题的能力。
3.2.3 结合科研教学,培养学生研究和创新能力
科学研究是高等学校的三大职能之一。高等学校的科学研究是发展学生智能,培养学生创新能力的重要手段。只有教学和科研相结合,才有望培养出创新人才。一方面,要在科学研究中进行教学,通过科研带动教学;另一方面,要在教学中加大探索因素,进行研究型教学,把科学研究真正贯穿于教学过程之中[8]。可以说,科学研究是培养创新型人才的根本途径。为了让学生了解腐蚀与防护方面最新的研究情况,我校请本教研室的老师或企业相关领域的研究人员结合自己的研究课题给学生做讲座,介绍腐蚀与防护最新的研究进展,这样的方式既可丰富教学内容、突出课程特色,又可激发学生学习兴趣,培养学生研究和创新能力。另外,通过学校和学院的创新平台,鼓励部分大二、大三学生在课余时间参与到老师的科研课题组中来,使学生接触到前沿的腐蚀领域研究,既加深了学生对课题知识的理解,又锻炼了学生的创新能力。
3.3 完善考核形式
为避免现有考试方式的不足,端正学生的学习态度,全面考核学生的综合能力,本校在教学评价方面采取了多元化的考核方式。考核成绩除期末考试、平时出勤、课后作业外,引入课堂讨论成绩、实验课成绩、参与科研情况。期末考试重点考察学生对基本概念的理解及防腐蚀方法的运用等。这种综合考核方式避免了学生通过突击复习,死记硬背来应付考试的弊端,有利于学生综合学习素质的培养。
4 结语
《金属腐蚀与防护》课程改革通过调整课时及开课时间,引入案例法教学方式,增加实验教学环节,开展以科研促进教学的活动,采用多元考核方式极大的调动了学生的学习兴趣,锻炼了学生的实践能力,提高了教学质量。课程改革也对教师提出了更高的要求,教师不但要求熟悉书本内容,还要求熟悉相关知识的背景、应用价值和现实意义等。案例的精选和科研工作也需要教师不懈的努力。教育改革的路任重而道远,我们需要不断的与时俱进,不断探索才能为社会、为企业培养出综合素质高、业务能力强的应用型人才。
参考文献
[1]人民网.院士:2014年我国腐蚀损失超2万亿,为自然灾害4倍[EB/OL].http://scitech.people.com.cn/n/2015/0612/c1007-27143454.html,2015-6-12.
[2]柯伟.中国工业与自然环境腐蚀调查的进展[J].腐蚀与防护,2004,25(1):1-8.
[3]柯伟.中国工业与自然环境腐蚀调查[J].全面腐蚀控制,2003,17(1):1-10.
[4]朱日彰.金属腐蚀学[M].北京:冶金工业出版社,1989:2-3.
[5]胡裕龙,孔小东,苏小红.案例教学法在《金属腐蚀与防护》教学中的应用[J].广东化工,2015,42(19):182-283.
[6]张楚廷主编,高校教师教育教学技能[M].长沙:湖南师范大学出版社,2015:117-119.
[7]付玲,张敬芝,王传申.《过程装备腐蚀与防护》课程基于实验教学的研究与实践[J].广东化工,2015,42(19):221-222.
本文以项目“合理使用金属制品——金属的性质”的任务2为例，介绍整体教学设计，展示课堂实施过程，并基于实践给出了任务2核心活动的教学实施策略。
“合理使用金属制品——金属的性质”项目是以“制作金属制品合理使用的宣传手册”为最终的项目作品。为了分析解决金属制品的使用问题，并制作项目宣传手册，将此项目拆解成了如下的主要任务：认识金属制品，发现问题→研究金属的性质，金属制品材料的选择→研究金属制品的腐蚀与防腐→研究金属制品的选择和使用→走进社区。
一、任务2整体介绍
1.任务2在本项目中的地位
要合理使用金属制品，学生需要知道金属制品的材料、成分以及金属材料所具有的化学性质。通过调研和观察日常生活中的现象，学生会发现金属制品容易被腐蚀。金属制品为什么会发生腐蚀现象？以此展开对金属的腐蚀和防腐问题的研究。之后针对金属制品的共性和特性以及腐蚀的原理，提出合理使用金属制品的方法和措施。
任务1认识金属制品，通过学习金属制品的成分和金属的性能探究金属的化学性质，建立研究金属化学性质的一般思路方法。任务2通过生活中的现象研究金属的腐蚀和防腐问题，引导学生将研究物质性质的思路方法迁移到研究金属的腐蚀问题上，通过调研，依据已有事实初步预测金属制品腐蚀的条件，然后通过实验进行研究，寻找证据，揭示金属制品腐蚀的实质。任务3在研究金属的腐蚀和防腐问题的基础上，总结出合理使用金属制品的方法。因此，任务2探究金属制品的腐蚀问题将任务1和任务3联系到了一起，起到了承上启下的作用。
2.任务2开展的具体活动。
该任务设置了3个活动，活动1认识铁制品的腐蚀现象，通过寻找日常生活中的铁制品的腐蚀现象，观察比较不同环境下铁制品的腐蚀程度，从而总结出铁制品腐蚀的主要因素，并设计实验进行验证，了解腐蚀的本质。活动2研究其他金属制品的腐蚀问题，通过研究其他金属制品的腐蚀问题，使学生意识到金属制品腐蚀的共性和差异性，巩固控制变量的实验方法及研究金属腐蚀问题的思路方法。活动3分析金属制品的防腐措施，在研究金属制品的腐蚀现象和实质的基础上，提出金属制品的防腐措施。
3.任务2的教学目标。
三、任务2活动2教学实录
【启动】
引入：上一节课我们探究了金属制品中的铁制品的腐蚀现象，学习了铁制品腐蚀的原因。那生活中除了铁制品，还有其他的金属制品，比如铝制品和铜制品，它们是否容易被腐蚀呢？
交流观点：组内回顾金属的化学性质，交流讨论，汇总观点。大部分学生都认为铝不易被腐蚀，因为铝表面形成了致密的氧化膜，阻止反应的进行。对于铜制品的腐蚀情况观点不一致。
信息检索：提供资料检索，让学生对自己的观点进行修正。铝在常温条件下与空气反应后产生致密的氧化膜阻拦内部继续反应，因此有耐腐蚀能力。但在酸性条件下无耐腐蚀能力。
【过程】
教师：俗话说“眼见为实”，下面我们就通过实验来验证一下铝制品是否容易发生腐蚀。做实验之前，我们首先要设计实验方案，请同学们以小组为单位来讨论实验方案。
交流方案：教师对学生的方案进行点评。有的小组设计的方案采用打磨和未打磨的铝片进行对照实验，但却忽略了酸的量的控制。有的小组是对酸的浓度做了对照实验。那么无论是哪种实验方案，我们都得注意变量的控制，这样得出的结论才是可靠的。
实验验证：学生进行分组实验，并交流，发现打磨的铝制品有气泡产生，而未打磨的并没有气泡产生。
结果讨论：通过实验我们发现打磨的铝表面产生了气泡，根据金属活动性顺序我们知道是铝与酸发生了化学反应。而未打磨的铝并没有反应现象产生，说明铝表面致密的氧化膜对铝起到了一定的保护作用。那我们先把实验放一放，过一会儿再观察未打磨的铝片有没有反应现象产生。
教师：如果也把铝片放入NaCl溶液中呢？观察照片，对比放入水中的现象。（教师提供实验图片，使学生体会到铝制品在NaCl溶液中腐蚀更严重。）接下來我们再来研究铜制品的腐蚀问题。铜制品到底容易发生腐蚀吗？（教师展示铜钱和在实验室所做的铜片的腐蚀现象。）
提出猜测：学生看到铜钱是绿色的，试管中的铜也是绿色的，学生也知道铜本身是紫红色的固体。因而能够推断出发生了化学反应。根据铜绿的化学式，并依据元素守恒及之前对铁制品的学习，学生不难猜测铜制品腐蚀的原因，是跟氧气和二氧化碳还有水发生了作用。
信息检索：提供资料，让学生修正观点。铜会缓慢地被腐蚀为碱式碳酸铜[Cu（OH）2CO3]，在酸性条件下稳定，不发生腐蚀。
教师：那你们能不能设计实验来验证是这些因素的作用呢？
学生：学生采用控制变量的方法进行了方案的设计。控制其他的条件不变，改变其中的一个或者两个条件来进行对照。落实控制变量的方法。
教师：那么我们如果也把铜片放入NaCl溶液中呢？观察照片，对比放入水中后的现象，证明NaCl溶液加快了铜制品的腐蚀。
教师：我们现在知道了铜制品容易与氧气、水和二氧化碳发生腐蚀，但是根据金属活动性顺序我们知道铜制品是不与酸发生反应的，所以铜制品在空气中容易发生腐蚀，但是不易被酸腐蚀。那我们回过头来观察一下未打磨的铝制品是否易被酸腐蚀？
学生：学生观察实验，发现未打磨的铝制品表面也产生了气泡。
教师：通过实验我们知道了铝制品表面致密的氧化膜对它起到了一定的保护作用，阻止了它与空气进一步作用，因而不易被空气腐蚀，但是这层氧化膜却容易被酸腐蚀，因而铝制品不宜长时间与酸接触。
【总结】
师生总结：经过上节课和到现在的学习，你们觉得腐蚀是铁、铜、铝的特性吗？
图片展示研究一类物质的基本方法。得出大多数金属制品都容易发生腐蚀，但由于性质不同，腐蚀的具体情况不同，例如腐蚀的环境、程度、发生的具体化学反应等。
四、核心活动教学实施策略
1.“调查分析：寻找铁制品的腐蚀现象”教学策略。
建立对腐蚀问题的感性认识。通过寻找日常生活中不同环境下铁制品的腐蚀现象，知晓铁制品腐蚀的危害，意识到防腐的重要性。铁制品的腐蚀对人类生产生活的影响可以概括为三个方面：一是安全问题，如大桥、飞机等，一旦出现腐蚀，可能会危及人的生命安全；二是人体健康，生锈的厨具等可能会对人体健康有一定的影响；三是经济问题，金属制品被腐蚀需要花费人力、物力、 财力来解决。
腐蚀因素的预测和实验方案的设计。强调学生做实验之前，一定要通过观察不同环境下的腐蚀现象及腐蚀程度，先归纳预测可能的腐蚀条件，再进行实验方案的设计，并提示学生思考当实验中有多个变量因素时，应该采取什么方法，从而掌握科学的探究方法。
2.“实验探究：证明铁制品腐蚀的条件”教学策略。
小组汇报要有理有据，分层进行，体会控制变量的科学方法。学生汇报小组实验时，要讲清楚他们的预测因素是什么，具体的实验方案是什么，以及实验现象和实验结论之间的关系，实验结论与自己的猜想是否一致等。引导学生体会实验方案的设计中所采用的控制变量的方法，明确什么是自变量，什么是因变量。
了解腐蚀的实质，丰富对铁的认识。通过分析归纳，体会到铁在常温下不与氧气发生反应，铁制品腐蚀是与水和氧气发生了反应，是对金属性质的进一步理解，也是对铁的性质的丰富和发展。学生认识到腐蚀的实质是发生了化学变化，并明确判断发生化学变化的依据，如铁生锈后表面有红色的物质生成，是因为铁发生了化学反应，生成了红色的氧化物。
建立研究金属腐蚀的思路方法。将研究一类物质性质的思路方法，迁移到研究金属腐蚀的问题上。通过铁制品腐蚀的研究，帮助学生建立研究金属制品腐蚀的基本思路，引导学生去研究其他金属制品的腐蚀问题，即通过调研，依据已有事实初步预测金属制品腐蚀的条件，然后通过实验进行研究，寻找证据，揭示金属制品腐蚀的实质。
3.“交流研讨：明确铜、铝制品腐蚀问题的观点”教学策略。
经历实验方案的设计过程，巩固控制变量的方法。在研究铝制品的腐蚀问题时，要让学生经历设计实验的过程，设计实验验证铝制品表面的氧化膜的防腐作用，体会研究金属腐蚀的思路方法和科学探究过程，即根据经验进行预测，设计实验方案，实验验证，分析现象，得出结论。在铜制品的腐蚀问题中，巩固通过多变量因素的控制设计出验证铜制品腐蚀条件的实验方案。
运用元素守恒观念，进一步体会腐蚀的本质。对于铜制品的腐蚀问题，通过形象直观的图片让学生认识到铜制品的腐蚀现象，并通过铜绿的化学式，让学生猜想铜制品腐蚀所需的条件，巩固元素守恒的观念，认识到腐蚀的本质是发生了化学变化。
总结提升，加深研究一类问题的思路方法。分析完铜铝制品的腐蚀问题，引导学生总结研究金属腐蝕问题的思路方法，根据已有事实，预测一类物质可能具有的性质，选取代表物进行实验探究，结合事实资料，归纳概括出一类物质所具有的共性和差异性。
4.“交流研讨：日常生活中金属制品的防腐措施”教学策略。
从腐蚀的实质出发讨论防腐措施。通过前两个活动，学生已经知道金属腐蚀的实质是发生了化学变化，所以学生刚开始想到的防腐方法就是阻止反应的进行。而要阻止反应的进行有两种方法：一种办法是使环境不满足该物质发生化学反应的条件，使该物质与其他反应物（水和氧气、酸性溶液、氯化钠溶液）隔绝，如保持干燥环境或使用干燥剂，刷漆、涂油等；另一种办法是使其他物质发生反应，即可以牺牲更活泼的金属，使其与环境中的物质发生反应，如轮船上的锌块等。通过分析生活中的一些金属制品的其他防腐措施，如门窗等，让学生总结出防腐的第三种措施，即改变金属材料，增强抗腐蚀能力，例如制备抗腐蚀能力更强的合金等。
5.“自主学习：大型金属制品的防腐措施”教学策略。
复习：我们已经学习了原电池和电解池的原理，请同学们判断下列装置属于哪类电池？判断装置中电极材料及哪极金属有损耗? 这属于哪类电池？判断电极材料及书写电极反应。
学生：讨论并回答问题
讲述：在实际生活、生产中要应用到原电池原理，如手机电池、汽车用的铅蓄电池等各种电池，这是造福于社会、造福于人类的有益的事，但也有不利的方面，比如这两个装置中分别是锌和铁被腐蚀，而带来危害。本节我们来探究：
板书：第四节
金属的电化学腐蚀与防护
引导：请同学们展示你们收集的有关“金属腐蚀”的资料
讲述：通过以上资料表明，因金属腐蚀而产生的危害是很大的，那什么是金属腐蚀呢？ 指导：请同学们阅读教材P84从金属腐蚀到倒数第二段。学生阅读：
学生回答：指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 点鼠标：
提问：从金属元素的原子结构角度分析，金属为什么会被腐蚀？ 金属失去了电子。点鼠标：
追问：金属腐蚀分为哪能几类？
学生回答：分化学腐蚀和电化学腐蚀
讲述：通过阅读举出属于化学腐蚀和电化学腐蚀的例子? 学生回答：铁和氯气直接反应而腐蚀，钢管被原油中的含硫化合物腐蚀均为化学腐蚀。钢铁在潮湿的空气中生锈是电化学腐蚀。
设疑： 电化学腐蚀是怎样形成的？它具有哪些特征？ 计论：全班分小组讨论，小组代表小结。问题：
1、电化学腐蚀的形成条件和特征。
2、化学腐蚀和电化学腐蚀的区别和联系。小结：填课件中表格
过渡：钢铁在潮湿的空气里所发生的腐蚀，就是电化学腐蚀的最普通的例子。在一般情况下，金属腐蚀大多是电化学腐蚀。
板书：
一、金属的电化学腐蚀
课件：展示图片：船上的铁锚浸泡在海水中，为什么铁与空气接触的位置最容易生锈呢？ 课件：请看演示实验
提问：通过实验可知钢铁生锈的条件是什么？ 学生回答：空气和水
讲解：在潮湿的空气中钢铁表面会形成一薄层水膜，又溶解来自大气中的CO2、SO2、H2S等气体，结果在钢铁表面形成了一层电解质溶液的薄膜，它跟钢铁里的铁和少量的碳恰好形成无数微小的原电池。这些微小的原电池遍布钢铁的表面，使钢铁腐蚀 课件：请观看钢铁腐蚀动画
讲解：当钢铁表面水膜的电解质溶液呈酸性，H参与反应生成氢气，发生的是析氢腐蚀；当钢铁表面水膜的电解质溶液呈弱酸性或中性，因溶有一定量的氧气，氧气参与反应而吸收，发生的是吸氧腐蚀。
板书：
1、析氢腐蚀
2、吸氧腐蚀
讲解：析这是析出的析，吸这是吸收的吸，注意区分。
分析：请同学们讨论钢铁发生的析氢腐蚀和吸氧腐蚀的电极材料、条件并书写电极反应式。投影：利用表格形式归纳总结析氢腐蚀和吸氧腐蚀的相关知识 设疑：潮湿空气中钢铁易生锈，那铁锈是怎么形成的呢？
讲述：氢氧化亚铁在空气中极易被氧化，生成氢氧化铁，氢氧化铁分解生成氧化铁带N个水，则是铁锈的主要成分。
讲述：通过以上的学习我们了解了金属腐蚀的原因，那我们如何来防护金属腐蚀呢？
应采取哪些防护措施呢？请同学们结合生活中的常识分小组讨论。
小结：学生论谈。
投影总结：(1)改善金属的内部组织结构(内因)——制成合金（不锈钢）
(2)在金属表面覆盖保护层——电镀、油漆、钝化等
过渡：除了以上的保护方法外，能否从电化学原理的角度来分析还有哪些保护方法？请同学们阅读教材。
学生阅读
讲述：金属发生电化学腐蚀的原因是在金属表面形成了原电池，那我们也可以利用原电池原理来保护金属不被腐蚀。下面我们来学习：
板书：
二、金属的电化学防护
提问：给出图片，船身是如何防腐蚀的？ 课件：展示图片并讲解
板书：
1、牺牲阳极的阴极保护法
讲解：原理：形成原电池反应时，让被保护金属做正极，不反应，起到保护作用；而活泼金属反应受到腐蚀。
讲解：负极和正极是按电势大小划分的，电化学上将发生氧化反应的电极称为阳极，发生还原反应的电极称为阴极。二者是划分标准不同，通常将些种方法称为牺牲阳极的阴极保护法。
回顾：回顾课前复习的电解池，如何利用电解池原理来保护的金属不被腐蚀呢？ 板书：
2、外加电流的阴极保护法 课件：展示图片并讲解
讲解：原理：将被保护金属与另一附加电极作为电解池的两个极，使被保护的金属作为阴极，在外加直流电的作用下使阴极得到保护。
小结：通过本节课的学习，我们了解了金属腐蚀的原因是发生了化学腐蚀和电化学腐蚀，主要是电化学腐蚀，电化学腐蚀又分为析氢腐蚀和吸氧腐蚀，以吸氧腐蚀为主。在了解金属腐蚀原因的基础上采取了相应的保护措施，牺牲阳极的阴极保护法和外加电流的阴极保护法。
过渡：为了能很好的理解和掌握本节课所学的知识，并达到学有所用，使理论与实践相结合，我们来解决习题。
公开课教案
第四节 金属的电化学腐蚀与防护
一、教学目标 1．知识与技能目标
（1）知道金属腐蚀的两种类型（化学腐蚀和电化学腐蚀）。（2）能解释金属发生电化学腐蚀的原因,认识金属腐蚀的危害。（3）知道防护金属腐蚀的方法。2．过程与方法目标
（1）学会设计控制单一变量进行对比实验以及对实验设计进行评价。（2）从实验探究过程中提高对实验现象的观察能力和分析能力。3．情感态度与价值观目标
（1）通过金属腐蚀与生产、生活实际相联系的内容,增强学生学习兴趣.（2）通过课堂探究活动,发展学生的探究能力,学会与人合作,共同研究，探讨科学问题。（3）通过化学实验（设计、验证和评价）这一科学研究方法，培养学生实事求是的科学精神，帮助学生树立正确的科学态度。
二、教学重难点
教学重点 金属的电化学腐蚀及金属的电化学防护。教学难点 金属发生吸氧腐蚀的电化学原理。
三、教学内容安排
（一）本节内容在教材中的地位
“金属的腐蚀与防护”始终是一个世界性的异常棘手的科技难题。本节开篇提供的统计资料——“发达国家每年由于金属腐蚀造成的直接损失约占全年国民生产总值的2%～4%”，远远超过各种自然灾害造成损失的总和，这无疑会给人们一个重要的警示：金属腐蚀，不可等闲视之！金属曾是人类文明发展的历史标志，如铜器时代、铁器时代。在现代社会中，钢铁等金属材料的产量和质量仍是反映国民经济发展水平的重要指标。然而人们对随处可见的金属腐蚀现象早已习以为常，不以为怪。因此，本节教学一方面是让学生了解金属发生腐蚀的原因及现代防腐措施，同时还要让学生知道：防止金属腐蚀，任重道远。
本节处于该章的最后一节，在学习了原电池原理及电解池原理的基础上展开，介绍了金属腐蚀造成的严重危害、电化学腐蚀的原理及防止金属腐蚀的几种方法，重点是掌握金属电化学腐蚀（析氢腐蚀和吸氧腐蚀）的本质（金属表面形成了微型原电池），同时指出，人们根据对金属电化学腐蚀本质的认识，发现了防护金属电化学腐蚀的方法，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
选修4
公开课教案
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。
本节内容是本章理论知识的实际应用，有利于培养学生发现问题、分析问题、解决问题的能力。
为了拓展学生的知识面与培养他们的合作精神，教科书还安排了一项【实践活动】，要求学生查阅有关防治钢铁腐蚀方法的资料并交流。
（二）学时安排 1课时
附图
教
学
流
程
四、教学资源
1、发挥计算机辅助教学功能，加强教学的直观性
充分利用视频和图片，使抽象问题具体化，降低了学习难度。
2、注意理论在实际中的应用，体现化学知识的社会价值
通过认识实践，再认识，再实践，激发学生学习兴趣。使学生对理论知识不断深化，并应用于生产，生活实际中，认识化学知识的社会价值。
3、充分发挥实验功能,体现学科特色（1）组织学生进行家庭小实验（2）演示实验（3）实验探究
选修4
公开课教案
五、教学方法、学习指导策略 本节内容可大致分为三部分：
揭示金属腐蚀的严重性和危害性→ 分析发生金属腐蚀的原因→探讨防止金属腐蚀的思路和方法。
鉴于金属的电化腐蚀比化学腐蚀更为普遍，也更为严重，教科书中又重点以最常见的钢铁锈蚀为例，剖析了金属的两种电化腐蚀过程——析氢腐蚀和吸氧腐蚀，并重点介绍了金属的电化学防护方法——牺牲阳极的阴极保护法和外加电流的阴极保护法。
（一）实验探究：从生活中的实例入手，引导学生探究金属腐蚀的原因及原理，在此基础上分析教科书中演示实验的实验现象，进一步认识金属的吸氧腐蚀原理。利用师生互动、生生互动的方式，得出金属腐蚀的防护方法。
（二）实际应用：展示学生提供的有关金属腐蚀与金属防护的资料，归纳整理出相关问题并引发讨论→进入电化学腐蚀原理的教学→使学生认识到电化腐蚀的本质→解决实际问题→进入理论应用教学。
（三）充分发挥学生的积极性与主动性：将化学知识与社会生存、发展密切联系起来，激发学生探究化学反应原理的积极性与主动性，提高创造性地解决实际问题能力，体现“从生活中来，到生活中去”的学习理念。
（四）充分利用信息资源，提高学生社会责任感：通过播放视频展示图片，帮助学生对电化学腐蚀与防护形成一些感性认识。利用实验加深对原理本质的理解。通过学生之间的讨论、交流、互动，培养学生自主学习、合作学习的能力。
六、课堂评价建议
1.为了保护地下钢管不受腐蚀，可使它与（）。
A．直流电源负极相连 B．铜板相连
C．锌板相连 D．直流电源正极相连 2.下图各容器中盛有海水，铁在其中被腐蚀时由快到慢的顺序是 。
选修4
公开课教案
【教学目标】 知识技能目标：
①在具体情境中进一步丰富对两条直线互相平行的认识，并会用符号表示两条直线互相平行；
②会用直尺和三角板画已知直线的平行线，并在操作活动中探索，了解平行线的有关性质。
过程方法目标：
①体验平行线概念的探究过程；
②经历画平行线的过程，了解平行线的性质； ③善于发现问题，并能通过讨论交流解决问题。情感态度价值观：
①体会合作讨论交流的力量，感受成功的快乐；
②感受“实践出真知”，体验动手操作与认知活动相结合的愉悦。【教学重点】①探究平行线概念；②平行线画法 【教学难点】平行线概念的引入
【学习方法】自主探索，合作讨论、归纳、概括；直观感知、操作确认。
【教学方法】利用引导发现法、讨论法，引导学生从具体生活情境及已有的知识和生活经验出发，营造自主探索与合作交流的氛围。【教学流程】
一、小组讨论，互检学案
根据学案的完成情况，请同学们小组讨论，初步完成预习工作。重在指导学生合作学习。
二、交流展示，自学质疑
小组内讨论，提出预习中不会的问题，进一步完成预习工作。指引学生如何表达自己的观点。
三、问题情境，互动探究
课本中P163图案，哪些线互相平行？
俗话说：“处处留心皆学问”。在日常生活中，有很多直线平行的实例，你能举例说明吗？
这些图案中主要有什么特殊线条？既然平行线在图案中给我们美的享受，那么，今天我们共同来探索什么叫平行线以及如何画平行线。
分析：一开始展示学生熟悉的图形（课本两幅画），接着用一句俗语提示学生要观察事物，在日常生活中处处有数学，从而引出师生的对话点。教学活动由此展开，并使学生在愉快中进入学习活动。【活动一】平行线的概念
同学们能否在一张纸上画一条直线，然后把一支笔作为另一条直线，随意移动笔，观察笔与已知直线有几种位置关系？各种位置关系，分别叫做什么？ ①若我们只研究不重合的情形，在同一平面上两条直线有几种位置关系？ ②若两直线不相交，则这两条直线在同一平面内是什么位置关系？
板书：在同一平面内，不相交的两条直线叫做平行线。
③出示立方体模型，谁能指出立方体框架中哪些棱既不平行也不相交呢？ ④可以怎样理解平行线呢？
a在同一平面内，不相交的两条线段叫平行线。b在同一平面内，不相交的两条射线叫平行线。c不相交的两条直线做平行线。d没有公共点的两条直线互相平行。e互相平行的两条直线没有公共点。
⑤自学课本后，你知道两条平行直线如何表示吗？如何用字母表示？ 板书：直线a与直线b平行，记作a∥b，读作：直线a平行于直线b。总结：利用学生身边的工具，动手摆一摆，启发学生思维，激发学生学习数学的兴趣。教师引导学生亲身经历多角度思维，判断平行概念的正误，使学生享受成功的喜悦。
【活动二】平行线画法
①我们知道什么叫平行线，那么用直尺和三角板或者一副三角板如何画一条直线与已知直线平行？
②大家发挥想象每一步骤用一个字概括出来。
板书：一放、二靠、三推、四画
总结：让学生亲身经历将实际问题抽象成数学模型，培养学生应用意识。
四、精讲点拨，解疑答惑
1.在同一平面内，不相交的两条直线叫做平行线。2．平行线画法：一放、二靠、三推、四画。做一做：A,B是直线l外的的两点
(1)经过点A画与直线l平行的直线，这样的直线能画几条？(2)经过点B画与直线l平行的直线，与(1)中所画的直线平行么？通过画图，你发现了什么？
A.l
B.小结：(1)经过直线外一点，有且只有一条直线与已知直线平行。
(2)如果两条直线与第三条直线平行，那么这两条直线互相平行。
五、反馈练习，迁移应用
①在同一平面内有三条直线，如果要使其中两条且只有两条平行，那么它们（）
A、没有交点
B、只有一个交点
C、有两个交点
D、有三个交点 ②平行用符号“____”来表示，例如直线a和直线b互相平行，记作____________。③在同一平面内，两条不重合的直线的位置关系只有两种：________、________。
六、课堂小结，布置作业
一、铁的吸氧腐蚀实验
1. 实验原理验证
用1张浸有饱和食盐水的滤纸包住1块铁片和1支碳棒 (两者相接触) ，在铁片处滴加2滴铁氰化钾溶液，在碳棒处滴加2滴酚酞试液，静置观察。
实验说明：采用浸有饱和食盐水的滤纸，可以使电解质溶液既充分展开有利于接触氧气，又能富集形成的产物便于检验，还能作为白底衬托出蓝色和红色 (如图1所示) 。
2. 吸氧腐蚀现象实验
将铁粉与碳粉的混合物装入锥形瓶中，用饱和食盐水润湿，并在瓶壁尽量展开；瓶口塞上自制回型管装置 (加有品红溶液) ，调节品红液面至水平位置后，静置观察。
3. 实验说明
自制回型管装置 (如图2所示) ，其中橡皮塞上有2个孔，1个插入回型管，1个插入带玻璃珠的乳胶管。在塞紧橡皮塞后，回型管中的液面会有变形，调节回型管中的液面，使之处于水平位置，便于观察液面高度变化。
二、实验验证牺牲阳极的阴极保护法
1. 实验方法
在2支U型管中分别装入饱和食盐水，分别插入铁丝、连有锌片的铁丝。在铁丝端管口分别滴加几滴铁氰化钾溶液，1 min后再分别滴加1滴稀盐酸 (1 mol/L) ，观察现象。
2. 实验说明
关键词：金属材料；腐蚀；有机涂料
1 概述
金属材料作为三大材料之一，无论是在建筑、机械制造还是工业生产领域都具有广泛的应用，与此同时，金属材料在使用过程中，由于工作环境的影响，金属腐蚀不可避免。金属材质的设备发生腐蚀后，不仅影响设备的正常使用，还造成了金属资源的浪费，因此研究金属的防腐蚀方法，减少金属材料由于腐蚀发生的损失，对于国民经济的发展具有重要的意义。
2 金属的腐蚀与防护
金属腐蚀是指金属在自身性能及外界环境的作用下，其自身的组成结构发生变质或者破坏，从而影响金属使用性能的过程。根据金属矿中主要成分可知，氧化态及其他的化合态是金属的稳定状态，金属冶炼是将金属由氧化态或其他化合态转变为金属态的过程，因此金属态在适当的条件下，能够自发转化为氧化态，金属的这一性质决定了其发生腐蚀是自身性质所决定的。金属发生腐蚀不可避免，但金属腐蚀的过程是可以控制的。一般来说金属腐蚀除与自身性质有关外，还与介质、温度、流速、压力等外界因素有关，对外界因素进行可靠控制，就能延缓金属腐蚀发生的时间及腐蚀速度。
金属腐蚀的防护措施有多种，隔离法，具体包括钝化发、涂层法和电镀法；缓蚀剂法是通过添加少量的缓蚀剂，使金属表面形成一层保护膜，延缓金属材料腐蚀的一种保护方法；电学化保护法，通过电流作用，使金属内部电位发生改变，从而达到抑制或延缓金属腐蚀的作用。在以上各种保护措施方法当中，涂层法可起到隔绝氧气及水分、降低腐蚀速度和电化学保护三重保护，且该法施工工艺简单操作，因此得到了广泛应用。
3 有机防腐涂料的研究進展
3.1 有机涂料的特征 用于金属防蚀的有机涂料应具备以下几项基本特征：①强耐腐蚀性。有机涂料不与所接触的腐蚀介质发生化学反应，也不互相溶解，在腐蚀介质存在的情况下，能保持较高的稳定性。②较小的透气性和渗水性。金属发生腐蚀的根本原因是与空气中的氧气以及水分接触所导致的，因此选择对气体和水分具有良好隔绝性的涂料，更有利于金属防蚀。③附着力和机械性能佳。有机涂层保护功能的大小取决于材料的附着性和机械性能，有机涂层固化后能牢固的附着在金属表面，才能充分发挥其保护作用；有机涂层具有良好的机械性能，才能承受金属设备在工作状态下的应力作用。
3.2 有机涂料研究现状 ①新型氟树脂。氟树脂是指分子结构中含有C-F键的树脂，该类型涂料具有耐久性、耐候性、耐化学药品性；非粘附性好、表面张力低、光滑性好；对油、水具有良好的防渗透性，此外还具有较好绝缘性能。利用氟树脂为主要材料制成的防腐涂料能耐对强酸、强碱、盐等多数化学成分具有良好的惰性，在-40℃-200℃范围内能保持稳定状态。以聚四氟乙烯（PTFE）为例，除与熔融的碱金属、强氧化剂、氟、氢氧化钠（300℃下）反应外，与其他常见化学试剂均不反应，因此具有广泛的应用范围。缺点是熔点高，熔融后粘度大，在有机溶剂中溶解性较差，其加工性能较低，孔隙率高，不能单独用作涂料层材料。可溶性聚四氟乙烯加工性能较好，高温下机械性能较高，但高价格限制了材料的应用；聚氟乙烯树脂使用寿命较长，在大气中可使用25年以上，熔点较低，不能采用传统的加工方法，应加入一定量的潜溶剂，以提高涂料加工成膜的成功率。②聚苯硫醚。聚苯硫醚树脂热稳定性较好，是热塑性树脂中耐热性最好的一种材料；耐腐蚀性强，除与强氧化性酸反应外，对常见的酸碱盐等化学试剂的腐蚀具有良好的稳定性；粘合性好，对玻璃、钢材、银、陶瓷等常见材料具有良好的粘结能力，尤其对玻璃的粘结，超过了玻璃的内聚力；机械性能好，绝缘性、阻燃性、稳定性和可加工性都较为理想，但在耐冲击性和韧性方面需要进一步改进。实验表明，添加增韧树脂后，可提高材料的抗拉伸性能和抗冲击性能，获得了良好的改进效果。③氯化聚醚树脂。氯化聚醚树脂中含氯量可达到45.5%，该物质主链为C-C和C-O-C，无活性官能团，因此具有良好的耐热性和耐腐蚀性，能抵抗大多数的酸碱盐及溶剂的侵蚀，熔点和分解温度差值较大，为粉末涂料的涂装提供了方便，但缺点是使用温度有限，在-40℃以下脆性较强。④聚苯胺树脂。聚苯胺具有良好的电学特性，是导电聚合物的典型代表之一，除具有一般导电聚合物的性质外，还具有独特的掺杂现象、电化学活性、高导电率，另外与其他类物质一样，化学和热稳定性较好，制作方法简单，因此具有广泛的应用。⑤聚氨酯。聚氨酯中含有氨基甲酸酯键、不饱和双键、异氰酸酯键和脲键等，因此具有良好的耐腐蚀性和物理机械性能，如坚硬、柔韧、耐磨、附着力强等。聚氨酯能与其他树脂拼用，扩大其应用范围，不仅可应用在普通的防蚀领域，还可用在重防腐蚀领域。单组分聚氨酯具有低温固化的优点，可用于地下油槽内壁防腐和油罐车防腐。⑥环氧树脂。环氧涂料是目前应用较为普遍的防腐涂料，其耐水性及耐化学腐蚀性较好，可稳定存储，附着力较好，因此可广泛应用于重腐蚀环境中的金属保护涂料，如海上、工业区、海岸等地区的钢结构物，储罐内表面的应用也较为广泛。环氧树脂可根据固化剂、改性树脂基应用状态不同，分为不同种类的涂料，如胺固化环氧树脂、树脂改性环氧树脂以及新型环氧树脂等。⑦橡胶涂料。橡胶涂料是以天然或合成橡胶为主要原料制成的一种防腐涂料，具有快速干化、耐化学腐蚀的特点，并且物理机械性能良好，柔韧性好、耐摩性好、抗老化性强等，可用于船舶、水闸、化工设备的防腐蚀保护。
4 总结
金属腐蚀不仅造成了金属资源的浪费，还影响了金属设备的使用寿命，给企业带来严重的经济损失。金属锈蚀主要与氧气和水分有关，因此隔绝氧气和水分与金属的接触，能有效减少金属腐蚀，保护金属资源。有机涂料由于其自身具有的耐腐蚀性可广泛应用于金属防蚀领域，但各类有机涂料在一定阶段内仍存在一定的局限性，需要进一步改进，完善其性能，以确保金属材料及金属设备的使用性能。
参考文献：
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[3]周晓.试论金属腐蚀的防护方法[J].科技与企业，2013（08）：357.
近些年来,随着水处理技术与工艺的不断进步与完善,城市水厂供水水质通常已能达标,但是自来水在管网输配过程中,往往由于管网腐蚀等原因发生“二次污染”,水质出现不同程度的下降,严重时出现用户水质指标超标以及管网“红水”、“有色水”、“黑水”等现象,对人民生活及工业用水的安全和正常使用造成严重影响。因此,在饮用水工业中,管道腐蚀长期以来都是改善和提高用户水质的一个重大瓶颈问题,受到各国的重视[1]。
在城市供水领域中,金属管道作为主要给水管材之一已经应用了几个世纪,根据统计,我国目前90%以上的供水管道是铸铁管、钢管,近几年新建的给水管道仍有85%采用金属管道。因此,金属管道腐蚀在今后较长时期内仍将是影响管网水质的主要原因之一。我国关于金属管道腐蚀的研究工作起步较晚,当前很多城市的输配水管网仍没有建立起相对完整有效的腐蚀防护体系,腐蚀状况普遍十分严重。因此,开展相关课题的调查研究对于维持输配水系统的正常运行,控制和提高管网水质具有极其重要的意义。
1 金属腐蚀基本理论
1.1 金属腐蚀的本质及分类
金属腐蚀,就是金属与周围环境(介质)之间发生化学或电化学作用而引起的破坏或变质。金属腐蚀的现象与机理十分复杂,分类的方法多种多样[2]。
1)按照腐蚀形态分类
(1)全面腐蚀,是指腐蚀分布在整个金属表面上,它可以是均匀的也可以是不均匀的。一般而言,这类腐蚀易于控制和监测,危害性不大。
(2)局部腐蚀,是指腐蚀主要集中在金属表面的一定区域。这类腐蚀不论是控制还是监测都比较困难,并且易于造成局部破坏引起重大事故。局部腐蚀又可以分为小孔腐蚀(点蚀)、斑点腐蚀、电偶腐蚀、应力腐蚀、晶间腐蚀、氢脆、磨损腐蚀、裂缝腐蚀等。
2)按照腐蚀机理分类
(1)物理腐蚀,是指金属由于单纯的物理溶解作用而引起的破坏。
(2)化学腐蚀,是指金属表面与非电解质直接发生纯化学作用而引起的破坏。
(3)电化学腐蚀,是指金属与离子导电的介质(电解质)发生电化学作用所引起的破坏。电化学作用既可单独引起金属腐蚀,又可和机械作用、生物作用共同导致腐蚀。在城市供水管网中,金属管道的腐蚀主要是电化学腐蚀。
1.2 金属电化学腐蚀基本原理
金属处于腐蚀介质中时,由于金属表面物理或化学性质不均匀,即构成腐蚀电池。如图1所示:阳极发生氧化发应,金属释放电子溶解,成为离子态进入电解质溶液;阴极发生还原反应,氧化剂获得电子被还原,氧化剂通常是氢离子(酸性溶液中)或溶解氧(中性或碱性溶液中),在输配水系统中溶解氧是主要的氧化剂;电子在金属中传递形成腐蚀电流,离子在电解质溶液中传递形成离子流。
阳极反应:
阴极反应:
(中性或碱性介质) (3)
以上电化学过程即构成了完整的腐蚀电池反应。当腐蚀电池的阴阳极区在金属材料表面较均匀的随机分布时,便发生均匀腐蚀;当阳极区面积很小而阴极区面积很大时,就导致严重的局部腐蚀。
以上电化学腐蚀过程,多数伴随有微生物的参与并发生重要作用。根据统计,每年因微生物腐蚀造成的损失,占金属腐蚀损失的10%左右,地下管线腐蚀的50%～80%是由微生物引起或参与造成的。
在供水管网中,微生物腐蚀主要以铁细菌和硫酸盐还原菌为主。铁细菌是一类能将二价铁盐氧化成三价铁化合物,并能利用此氧化过程中产生的能量来同化二氧化碳进行生长的细菌的总称。铁细菌容易在铁质管道内壁附着生长,从管道表面吸收铁分,作为其生长繁殖所用。产生的氢氧化铁,经过长期积累成为褐铁矿(针铁矿、纤铁矿、水针铁矿、水纤铁矿以及含水氧化硅、泥质等的混合物),形成结瘤,所以它们不仅能造成机械堵塞,而且还能形成氧差电池,持续腐蚀管道。
硫酸盐还原菌是一种厌氧菌,能还原硫酸盐为硫化物,它们利用有机物为给氢体,在还原硫酸盐的过程中获得能量。硫酸盐还原菌代谢产生的硫化氢是强还原剂,具有强腐蚀性,因此硫酸盐还原菌对金属的腐蚀趋向于孔洞腐蚀,导致铁管由于局部的穿孔而发生破坏。根据国外研究成果,金属管线的腐蚀半数以上是由该菌参与或引起的。
2 输配水系统中常用金属管材的腐蚀特性及应用现状
1)镀锌钢管
镀锌钢管的镀锌层容易遭受侵蚀性水体的腐蚀,尤其是低硬度水体;在温度较高或热水系统中,腐蚀速度加快;其腐蚀程度受管道制作工艺及镀锌层性能影响大。镀锌钢管发生腐蚀可能给水体带来铁、锌、钙、铅污染物。
由于镀锌钢管极易发生腐蚀,工业发达国家已经较少应用。但它具有加工制作简单,价格低廉的优点,因此在我国很多中小城市,镀锌钢管仍作为小口径用户配水管大量沿用。近年来,随着新型管材的不断推出以及水质标准的提高,已经逐渐采用PE管、不锈钢管等替代镀锌钢管。
2)钢管
钢管通常易遭受均匀腐蚀,在溶解氧和余氯含量高,缓冲能力差的水体中遭受腐蚀较为严重。钢管腐蚀可能给水体带来铁污染,造成浊度升高及“红水”现象。
在城市供水管网中,钢管作为主要金属管材之一已经应用了5个世纪。虽然钢管易发生腐蚀,但它具有耐压力高,韧性强,管壁薄,重量轻等优点,因此在城市供水领域仍将大量沿用。
3)铸铁或球墨铸铁管
对于侵蚀性强的水体,易于遭受冲蚀;在缓冲能力差的水体中,易于生成腐蚀瘤。铸铁管腐蚀可能给水体带来铁污染,造成浊度、色度升高及“红水”现象。
铸铁及球墨铸铁管耐腐蚀性能较好,价格便宜,缺点是质脆,质量大、不均匀、易于发生爆管。在城市供水领域中,它主要作为大口径供水干管使用。
4)不锈钢管与铜管
不锈钢管与铜管管均具有良好的耐腐蚀性,在国外应用广泛,但由于价格昂贵,国内应用较少,多应用于用户小口径配水管及热水系统的中小口径管道。
以深圳市深圳水务集团市政管网(未包含小区与用户管网)为例,其钢管、铸铁管和球墨铸铁管分别占27%、21%和4%,金属管道在市政管网中比例超过50%。深圳特区的供水管网建设年限不长,但根据用户问卷调查显示,投诉水中有杂质、沉渣、铁锈,水管破旧,腐蚀生锈,有漏水问题的在用户投诉中占80%以上。由此可见,我国城市金属供水管网的腐蚀状况及其造成的管网维护与水质恶化等问题十分严重。
3 金属管道腐蚀产物及其主要危害
3.1 腐蚀产物的形态结构及其主要成分
自来水在管网中长期运行和停留,会在电化学和微生物作用下持续腐蚀金属管道,产生的腐蚀产物聚集在管道内壁,逐渐形成沿管道内壁环生的腐蚀垢层,也称之为“生长环”[3];腐蚀垢层的生长是不均匀的,在腐蚀较为严重的局部通常会形成半球状腐蚀瘤,腐蚀瘤形状各异,大小不一,将密集分布于管道内壁,如图2所示。
给水管网内壁腐蚀垢层的形成与生长是长期而复杂的过程,它的物理结构与化学成分,与管材、管网水质及水力条件密切相关。水质的影响因素包括pH、硬度、碱度、缓冲强度、自然有机物(NOM)浓度、溶解氧(DO)浓度和水温等;水力的影响因素包括流速、流态及水流方向的变化;水处理工艺中采用的缓蚀剂同样对腐蚀瘤的形成与成长起着重要的影响(缓蚀剂在国内城市供水领域应用较少)。由于腐蚀瘤形成与成长过程的影响因素复杂,不同材质、不同位置、不同管径的管段附着的腐蚀瘤都可能有着不同的物理化学性质,但研究表明它们仍然有许多相似的属性。Benjamin等人发现铁管腐蚀瘤内物质的化学成分通常包括α-FeOOH、γ-FeOOH、Fe3O4、γ-Fe2O3、5Fe2O3·9H2O、FeO、FeCO3、Fe(OH)2、Fe(OH)3、CaCO3、绿垢(green rusts)等。同时,腐蚀垢层表面还可能吸附和沉积管网水体中的泥砂、杂质、重金属、有机污染物及微生物等。
3.2 金属管道腐蚀的主要危害
1)严重影响管网通水能力,增加水头损失与输水能耗。根据上海、天津等市定期测定管网粗糙系数统计,发现无防腐措施的管道输水能力已降低了1/3以上。
2)对管网的安全运行造成重大影响,管道长期腐蚀引起管壁变薄、穿孔、破裂导致管网安全事故与水体“二次污染”。
3)增加管网的更换和维护费用,造成巨大的直接或间接经济损失。美国供水协会(AWWA)于1999年估计,美国的供水企业在今后20年内将花费3 250亿美元来更新城市供水管网。
4)使管网水质浊度、色度、细菌种类和数量、铁、锰以及有毒重金属离子浓度等水质指标恶化,引发管网“红水”、“黑水”或“有色水”现象。对占全国总供水量42.44%的36个城市调查表明,出厂水平均浊度为1.3度,而管网水增加到1.6度;色度由5.2度增加到6.7度;铁由0.09 mg/L增加到0.11 mg/L;细菌总数由6.6 cfu/mL增加到29.2 cfu/mL[2,3]。根据芝加哥1968年供水管网水样与出厂水水样的水质对比得出,镉、铬、钴、铜、铁、铅、锰、镍、银、锌等元素的浓度在15%～67%的水样中有所增加。
4 金属管道腐蚀主要控制措施
1)采用物理或者化学方法在管道内壁形成保护膜,阻隔水体与管壁的接触。例如水泥砂浆衬里、环氧树脂薄膜等,或者投正磷酸盐、硅酸盐等缓蚀剂。
2)改善管道使用的金属材料物理化学性质以及管道的加工制作工艺,增强管体材料的耐蚀性和材质均匀性,从而阻滞电化学腐蚀反应以及局部腐蚀的发生,有效减缓腐蚀。
3)合理设计管网布局和结构,避免出现“死水”区域以及水力条件急剧变化的情况,使管道内壁表面水流性质稳定均匀。
4)提高管道施工质量,加强管网维护管理。
5)改善出厂水水质,提高水质的化学稳定性和生物稳定性。
6)采取阴极保护措施,通过牺牲阳极或提供外加电源对管网进行腐蚀防护(目前在城市供水领域还应用较少)。
摘要：介绍了国内外关于城市金属给水管道腐蚀的研究现状及进展,着重阐述了输配水系统中金属管道的腐蚀特性、主要危害及控制措施。
关键词：供水管网,金属管道,腐蚀,水质
参考文献
[1]许保玖.给水处理理论[M].北京:中国建筑工业出版社,2000.
[2]陈鸿海.金属腐蚀学[M].北京:北京理工大学出版社,1995.
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