Ăn mòn điện hóa (Ăn mòn hấp thụ oxygen), Thiết kế túi sưởi ấm và Bảo vệ kim loại

Phương trình / Quy luật áp dụng: 2Fe + O₂ + 2H₂O = 2Fe(OH)₂

Giải thích chuẩn SGK: Bốn trạm thí nghiệm là bốn góc nhìn của cùng một nguyên lý: Sự ăn mòn sắt trong không khí ẩm là ăn mòn điện hóa học, trong đó chủ yếu xảy ra quá trình khử oxygen hòa tan.

Lưu ý trọng tâm khi kiểm tra – đánh giá: Trọng tâm kiểm tra: Phân biệt ăn mòn hóa học và ăn mòn điện hóa học; ăn mòn gang thép trong không khí ẩm chủ yếu là ăn mòn điện hóa tiêu thụ oxygen.

Phương trình / Quy luật áp dụng: 2H₂O + O₂ + 4e⁻ = 4OH⁻

Giải thích chuẩn SGK: Ăn mòn điện hóa trong môi trường trung tính đòi hỏi phải có oxygen hòa tan: Khí O₂ trong ống nghiệm nhận electron trên bề mặt carbon và bị tiêu thụ, làm thể tích khí giảm xuống, áp suất khí quyển bên ngoài đẩy cột nước dâng lên.

Lưu ý trọng tâm khi kiểm tra – đánh giá: Câu hỏi thường gặp: Điều kiện và hiện tượng ăn mòn điện hóa của sắt trong không khí ẩm; giải thích nguyên nhân cột nước dâng lên trong ống dẫn.

Phương trình / Quy luật áp dụng: Fe − 2e⁻ = Fe²⁺ (Cực âm / Anode · Sắt)

Giải thích chuẩn SGK: Kim loại không nguyên chất tiếp xúc với dung dịch chất điện li sẽ tạo thành vô số pin điện hóa vi mô: Trong gang thép, sắt và các hạt carbon tạo thành pin điện hóa, trong đó sắt làm cực âm (anode) bị oxi hóa, còn carbon làm cực dương (cathode).

Lưu ý trọng tâm khi kiểm tra – đánh giá: Câu hỏi thường gặp: Tại sao gang thép dễ bị gỉ hơn sắt nguyên chất; xác định vai trò của Fe và C trong pin điện hóa ăn mòn gang thép.

Phương trình / Quy luật áp dụng: Fe + 2H⁺ = Fe²⁺ + H₂↑

Giải thích chuẩn SGK: Trong môi trường acid mạnh, quá trình ăn mòn giải phóng liên tục khí H₂: Cực âm (anode) Fe − 2e⁻ = Fe²⁺; cực dương (cathode) 2H⁺ + 2e⁻ = H₂↑.

Lưu ý trọng tâm khi kiểm tra – đánh giá: Câu hỏi thường gặp: Viết phương trình điện cực tại cathode khi ăn mòn trong môi trường acid và môi trường trung tính.

Phương trình / Quy luật áp dụng: Fe − 2e⁻ = Fe²⁺ · 2H₂O + O₂ + 4e⁻ = 4OH⁻

Giải thích chuẩn SGK: Sắt và lượng nhỏ đơn chất carbon tạo thành pin điện hóa: Sắt làm cực âm (anode) bị oxi hóa, còn oxygen (hoặc H⁺) nhận electron trên bề mặt carbon (cathode) để bị khử.

Lưu ý trọng tâm khi kiểm tra – đánh giá: Câu hỏi thường gặp: Cơ chế vi mô của ăn mòn điện hóa; tại sao O₂ nhận electron trên bề mặt carbon (cực dương).

Phương trình / Quy luật áp dụng: 2Fe + O₂ + 2H₂O = 2Fe(OH)₂ · Tỏa nhiệt

Giải thích chuẩn SGK: Túi sưởi ấm thương mại được chế tạo dựa trên nguyên lý ăn mòn điện hóa kim loại: Bột sắt mịn bị oxi hóa với tốc độ kiểm soát được, chuyển hóa năng lượng hóa học thành nhiệt năng một cách êm dịu và duy trì trong thời gian dài.

Lưu ý trọng tâm khi kiểm tra – đánh giá: Trọng tâm dự án học tập: Nguyên lý tỏa nhiệt của túi sưởi ấm và các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu quả tỏa nhiệt (bản chất nguyên liệu, diện tích bề mặt, tỉ lệ phối trộn).

Phương trình / Quy luật áp dụng: 2H₂O + O₂ + 4e⁻ = 4OH⁻ (Ngắt O₂ là phản ứng dừng)

Giải thích chuẩn SGK: Quá trình ăn mòn tiêu thụ oxygen bắt buộc phải có nguồn cấp O₂: Nếu không có O₂ thì bán phản ứng cathode 2H₂O + O₂ + 4e⁻ = 4OH⁻ không thể xảy ra; dù bột sắt, bột carbon và nước muối có phối trộn chuẩn đến đâu túi sưởi cũng không tỏa nhiệt.

Lưu ý trọng tâm khi kiểm tra – đánh giá: Trọng tâm dự án học tập: Các điều kiện cần thiết để túi sưởi hoạt động (bột sắt, bột carbon, dung dịch muối, màng thoáng khí cấp O₂).

Phương trình / Quy luật áp dụng: Zn − 2e⁻ = Zn²⁺ · 2H₂O + O₂ + 4e⁻ = 4OH⁻

Giải thích chuẩn SGK: Magnesium (Mg) và kẽm (Zn) hoạt động hóa học mạnh hơn sắt (Fe); khi nối với sắt, chúng đóng vai trò cực âm (anode) của pin điện hóa và bị ăn mòn (cần thay thế định kỳ), nhờ đó thiết bị bằng gang thép đóng vai trò cực dương (cathode) được bảo vệ an toàn.

Lưu ý trọng tâm khi kiểm tra – đánh giá: Câu hỏi thường gặp: Nguyên lý bảo vệ điện hóa (phương pháp điện cực hi sinh); so sánh tôn tráng kẽm và sắt tây (tráng thiếc) khi lớp mạ bị trầy xước.

Phương trình / Quy luật áp dụng: 2Fe + O₂ + 2H₂O = 2Fe(OH)₂

Giải thích chuẩn SGK: Tổng kết thực hành: Phối hợp đồng bộ «Bột sắt + Bột carbon + Nước muối + Thoáng khí» giúp túi sưởi ấm tỏa nhiệt nhanh và ổn định; vận dụng ngược lại nguyên lý pin điện hóa này chính là phương pháp bảo vệ kim loại bằng điện cực hi sinh ở Bước 8.

Lưu ý trọng tâm khi kiểm tra – đánh giá: Cấu trúc đạt điểm tối đa: Bột sắt + Bột carbon + Nước muối + Màng thoáng khí — bốn yếu tố không thể thiếu.

Giải thích chuẩn SGK: Đáp án đúng: Ăn mòn tiêu thụ O₂. Sự gỉ của các vật dụng bằng gang thép trong không khí ẩm là ví dụ điển hình của ăn mòn điện hóa học; khi lớp màng nước có tính trung tính hoặc acid rất yếu thì chủ yếu xảy ra quá trình ăn mòn điện hóa tiêu thụ oxygen.

Giải thích chuẩn SGK: Đáp án đúng: 2H₂O + O₂ + 4e⁻ = 4OH⁻. Trong ăn mòn điện hóa tiêu thụ oxygen, tại cực dương (cathode) khí O₂ nhận electron: 2H₂O + O₂ + 4e⁻ = 4OH⁻; còn Fe − 2e⁻ = Fe²⁺ là bán phản ứng tại cực âm (anode), và 2H⁺ + 2e⁻ = H₂↑ là bán phản ứng tại cathode trong môi trường acid.

Giải thích chuẩn SGK: Đáp án đúng: Quá trình gỉ sắt đã tiêu thụ khí oxygen trong ống nghiệm làm áp suất trong ống giảm xuống. Khí O₂ hòa tan trong màng nước trên bề mặt đinh sắt nhận electron tại cực dương (carbon) và bị tiêu thụ, làm thể tích khí trong ống nghiệm giảm và áp suất nhỏ hơn áp suất khí quyển, do đó nước bị đẩy dâng lên trong ống dẫn.

Giải thích chuẩn SGK: Đáp án đúng: Gang chứa carbon nên sắt và đơn chất carbon tạo thành pin điện hóa, trong đó carbon làm cực dương (cathode). Kim loại chứa tạp chất tiếp xúc với dung dịch chất điện li sẽ tạo thành pin điện hóa: Sắt và các hạt carbon trong gang tạo thành vô số pin điện hóa vi mô, trong đó sắt làm cực âm (anode) bị oxi hóa mạnh hơn. Ở Bước 3, việc thêm bột carbon làm cột nước tăng từ 23 mm lên 58 mm.

Giải thích chuẩn SGK: Đáp án đúng: Túi sưởi ấm tỏa nhiệt nhờ sự ăn mòn tiêu thụ oxygen của bột sắt, bắt buộc phải có oxygen nên không được bọc kín khí. Túi sưởi ấm được chế tạo dựa trên nguyên lý ăn mòn điện hóa kim loại — quá trình oxi hóa bột sắt tỏa nhiệt; bán phản ứng ở cathode cần O₂ (2H₂O + O₂ + 4e⁻ = 4OH⁻), vì vậy nếu bọc kín không có oxygen thì túi sưởi sẽ ngừng tỏa nhiệt (nhiệt độ giảm từ 48.5 về 20.0 ℃ ở Bước 7).