Giáo án Bài 22. Sự ăn mòn kim loại

HS nêu được hiện tượng ăn mòn kim loại qua quan sát, đưa ra dự đoán ban đầu về vai trò của kim loại tiếp xúc với sắt và xác định vấn đề cần tìm hiểu trong bài.

HS quan sát mô phỏng ba đinh sắt cùng ngâm nước muối 30 ngày: đinh trần, đinh quấn dây đồng, đinh quấn lá kẽm. HS trả lời hai câu hỏi: (1) Đinh nào gỉ nhanh nhất, đinh nào vẫn sáng? (2) Vì sao cùng là sắt mà kết quả khác nhau khi có thêm đồng hoặc kẽm?

HS nêu được: đinh quấn dây đồng gỉ nhanh nhất vì sắt hoạt động hơn đồng nên đóng vai trò cực âm (anode) và bị ăn mòn; đinh quấn lá kẽm vẫn sáng vì kẽm hoạt động hơn sắt, bị ăn mòn thay còn sắt được bảo vệ. HS rút ra câu hỏi cần giải quyết: ăn mòn là gì, cơ chế ra sao, và làm thế nào để chống ăn mòn.

HS nêu được khái niệm ăn mòn kim loại và phân biệt được ăn mòn hoá học với ăn mòn điện hoá qua so sánh điều kiện và đặc điểm.

HS làm việc nhóm 4 người với Phiếu học tập số 1. Nhóm đọc mục khái niệm trong bài và hoàn thành bảng so sánh hai loại ăn mòn theo các tiêu chí: điều kiện xảy ra, cách electron chuyển, có dòng điện hay không, ví dụ. Nhóm trả lời câu hỏi: Ăn mòn điện hoá có cần hai kim loại riêng biệt nhìn thấy được không? Vì sao tạp chất trong hợp kim vẫn gây ăn mòn điện hoá?

Khái niệm: ăn mòn kim loại là sự phá huỷ kim loại hoặc hợp kim do tác dụng của các chất trong môi trường.
Bảng so sánh (nội dung mẫu):

• Ăn mòn hoá học: kim loại tiếp xúc trực tiếp với chất oxi hoá (ví dụ khí khô nóng); electron chuyển thẳng tới chất oxi hoá; không hình thành dòng điện.
• Ăn mòn điện hoá: hình thành pin điện với các vùng điện cực khác nhau tiếp xúc điện trong dung dịch điện li; electron chuyển qua phần dẫn điện; có dòng điện nhỏ trong pin.
  Kết luận: không nhất thiết phải có hai kim loại riêng biệt nhìn thấy được, vì tạp chất trong hợp kim (ví dụ carbon trong thép) cũng tạo thành vi pin khi có điện li.

HS trình bày được điều kiện và cơ chế ăn mòn điện hoá; viết được quá trình oxi hoá ở anode và quá trình khử ở cathode; giải thích được vai trò của Zn trong bảo vệ Fe.

GV tổ chức quan sát mô phỏng 3D “Giọt nước muối trên tấm thép dưới kính lúp” và mô phỏng so sánh đinh quấn đồng, đinh quấn kẽm. HS làm việc theo nhóm với Phiếu học tập số 2: (1) Xác định anode, cathode trong cặp Fe–Cu. (2) Viết quá trình oxi hoá ở anode và quá trình khử ở cathode trong nước gần trung tính. (3) Nêu các điều kiện cần có để ăn mòn điện hoá xảy ra. (4) Vì sao đổi sang nước cất thì ăn mòn gần như dừng? (5) Giải thích vì sao Zn bảo vệ được Fe.

Trong cặp Fe–Cu: Fe là anode (cực âm), bị oxi hoá: $\mathrm{Fe \rightarrow Fe^{2+} + 2e}$. Vùng Cu là cathode (cực dương) nơi O₂ nhận electron trong môi trường gần trung tính: $\mathrm{O_2 + 2H_2O + 4e \rightarrow 4OH^-}$.
Điều kiện ăn mòn điện hoá: (1) hai điện cực khác nhau tiếp xúc điện; (2) có dung dịch điện li; (3) có chất oxi hoá như O₂.
Nước cất không dẫn ion tốt, không có dung dịch điện li nên ăn mòn gần như dừng.
Vì Zn hoạt động hơn Fe nên Zn là anode bị ăn mòn hi sinh, Fe trở thành cathode được bảo vệ, miễn là Zn còn tiếp xúc điện với Fe và còn dung dịch điện li.
Gỉ sắt là hỗn hợp phức tạp (oxide hydrat, hydroxide...), không chỉ là Fe₂O₃ tinh khiết.

HS nêu được hai nhóm phương pháp chống ăn mòn: bảo vệ bề mặt và bảo vệ điện hoá; giải thích được vì sao Fe mạ Zn và Fe mạ Sn khi bị xước có kết quả khác nhau.

Kĩ thuật mảnh ghép với ba nhóm chuyên gia, mỗi nhóm nghiên cứu một mảnh: (A) Bảo vệ bề mặt: sơn, mạ, bôi dầu mỡ, chọn hợp kim thích hợp. (B) Bảo vệ điện hoá bằng anode hi sinh: gắn kim loại hoạt động mạnh hơn (Zn) vào vật cần bảo vệ. (C) So sánh Fe mạ Zn và Fe mạ Sn khi lớp mạ bị xước trong điện li. Sau đó HS ghép nhóm để chia sẻ. Câu hỏi chung: Vì sao bảo vệ bằng anode hi sinh cần tiếp xúc điện và môi trường dẫn ion, không chỉ đặt một mẩu Zn gần đó?

Bảo vệ bề mặt: ngăn kim loại tiếp xúc với môi trường (sơn, mạ, dầu mỡ, hợp kim chống gỉ); hiệu quả phụ thuộc lớp phủ có nguyên vẹn hay không.
Bảo vệ điện hoá: gắn kim loại hoạt động mạnh hơn làm anode hi sinh (ví dụ Zn gắn vào vỏ tàu biển).
Fe mạ Zn khi xước: Zn vẫn tiếp xúc Fe nên Zn là anode hi sinh, bảo vệ Fe lộ ra.
Fe mạ Sn khi xước: Sn kém hoạt động hơn Fe nên tạo cặp Fe–Sn, Fe là anode và bị ăn mòn trước.
Điều kiện: bảo vệ điện hoá cần kim loại phù hợp, tiếp xúc điện và môi trường dẫn ion.

HS vận dụng khái niệm, cơ chế ăn mòn điện hoá và phương pháp bảo vệ để làm bài tập trắc nghiệm, đúng–sai và tính toán đơn giản.

HS làm bảy câu hỏi sau, làm cá nhân 8 phút rồi đối chiếu theo cặp:
Câu 1: Trong cặp Fe–Cu tiếp xúc điện ở dung dịch chứa O₂, kim loại nào bị ăn mòn ưu tiên? A. Cả hai đều không đổi; B. Không có phản ứng; C. Fe; D. Cu.
Câu 2: Kim loại nào dùng làm anode hi sinh bảo vệ Fe theo bài? A. Au; B. Zn; C. Ag; D. Cu.
Câu 3: Dữ liệu giả định: Fe riêng mất 0,10 g, Fe nối Cu mất 0,18 g trong cùng điều kiện. Lượng Fe mất tăng thêm bao nhiêu gam?
Câu 4: Xét các phát biểu: a) Ăn mòn điện hoá có chuyển electron qua phần dẫn điện. b) Đặt Zn không tiếp xúc điện cạnh Fe luôn bảo vệ Fe. c) Sơn nguyên vẹn giúp cách ly môi trường. d) Gỉ sắt luôn là Fe₂O₃ tinh khiết khô. Phát biểu nào đúng (Đ), sai (S)?
Câu 5: Ghép điều kiện với vai trò: Fe trong cặp Fe–Cu; Zn trong cặp Zn–Fe; O₂ ở vùng cathode trong nước trung tính.
Câu 6: Có 0,030 mol Fe bị oxi hoá thành Fe²⁺. Số mol electron nhường là bao nhiêu?
Câu 7: Khi so sánh tác dụng tiếp xúc với Cu, cần giữ cố định những yếu tố nào? A. Diện tích Fe; B. Thời gian ngâm; C. Thành phần dung dịch điện li; D. Có hay không tiếp xúc Cu.

Đáp án:
Câu 1: C (Fe có tính khử mạnh hơn nên làm anode, bị oxi hoá).
Câu 2: B (Zn dễ bị oxi hoá hơn Fe, hi sinh để bảo vệ Fe).
Câu 3: $0{,}18 - 0{,}10 = 0{,}08$ g.
Câu 4: a) Đ; b) S (Zn phải tiếp xúc điện với Fe và có dung dịch điện li); c) Đ; d) S (gỉ sắt là hỗn hợp phức tạp, gồm oxide hydrat, hydroxide...).
Câu 5: Fe trong cặp Fe–Cu – anode bị oxi hoá; Zn trong cặp Zn–Fe – anode hi sinh; O₂ ở vùng cathode trong nước trung tính – nhận electron tạo OH⁻.
Câu 6: $n_e = 0{,}030 \times 2 = 0{,}060$ mol.
Câu 7: A, B, C (biến đang xét là có hay không tiếp xúc Cu, các yếu tố còn lại phải giữ như nhau).

HS vận dụng kiến thức để giải thích hiện tượng ăn mòn trong thực tế (Fe mạ Zn và Fe mạ Sn bị xước, vỏ tàu biển, hàng rào thép) và đề xuất biện pháp chống ăn mòn phù hợp.

Tình huống: Một hàng rào thép ngoài trời có lớp mạ bị xước. Nhóm trả lời: (1) Nếu lớp mạ là Zn, vì sao vùng thép lộ ra vẫn được bảo vệ? (2) Nếu lớp mạ là Sn, vì sao vùng thép lộ ra có thể bị gỉ trước? (3) Vì sao vỏ tàu biển gắn các khối kẽm? (4) Đề xuất một biện pháp kết hợp để bảo vệ hàng rào thép trong môi trường ẩm và có muối.

(1) Zn hoạt động hơn Fe, còn tiếp xúc với thép và có dung dịch điện li nên Zn bị ăn mòn hi sinh, bảo vệ thép.
(2) Sn kém hoạt động hơn Fe, khi thép lộ ra tạo cặp Fe–Sn, Fe là anode và bị ăn mòn.
(3) Khối kẽm là anode hi sinh, bị ăn mòn thay vỏ tàu; cần được thay định kỳ.
(4) Gợi ý: mạ kẽm kết hợp sơn phủ; kiểm tra định kỳ lớp phủ, sửa chỗ xước để bảo vệ lâu dài.