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铁为什么会生锈：铁钉上的腐蚀电池

在潮湿空气中比较裸铁、镀锌铁和涂漆铁，认识锈蚀的电化学本质。

目标

把生锈解释为短路的电化学电池，并推导两种防护策略。

仪器与试剂

示意图装置：潮湿空气膜下的铁条，可切换裸露、镀锌或涂漆表面。

步骤

打开裸铁模式：辨认阳极区（Fe 被氧化）和阴极区（O₂ 被还原）。
沿阳极区和阴极区的箭头追踪到锈斑。
切换到镀锌模式：现在哪种金属被腐蚀？再切到涂漆模式：什么被阻挡了？

观察要点

在裸铁上，阳极区释放的 $\ce{Fe^{2+}}$ 迁移并与阴极区生成的 $\ce{OH^-}$ 相遇，最终形成橙棕色的 $\ce{Fe2O3.xH2O}$ 。
镀锌时锌代替铁被腐蚀；完整漆膜下什么也不会发生，因为 $\ce{O2}$ 和水无法接触金属。

讲解

生锈需要金属表面同时有 $\ce{O2}$ 和 $\ce{H2O}$ 。水膜充当电解质：阳极区 $\ce{Fe -> Fe^{2+} + 2e^-}$ ；阴极区 $\ce{O2 + 2H2O + 4e^- -> 4OH^-}$ 。离子结合并进一步氧化成水合氧化铁(III)——即锈。锌以牺牲性方式保护铁，因为锌更活泼（ $E°_{\ce{Zn^{2+}/Zn}} = -0{,}76$ V，而铁为 $-0{,}44$ V），而油漆只是把金属与电解质隔离。

铁为什么会生锈：铁钉上的腐蚀电池

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仪器与试剂

步骤

观察要点

讲解

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