金屬 / 子課題
置換反應與鏽蝕
Displacement Reactions and Corrosion
鐵生鏽的條件、防鏽方法及鍍鋅vs鍍錫的比較
核心考點 (Knowledge Groups)
1. 金屬置換反應
考評提示：置換反應判斷、現象描述及離子方程式
- 原理：活性較高的金屬能將活性較低的金屬從其鹽溶液中置換出來。
- 現象：例如 Zn 放入 CuSO₄(aq)：藍色溶液變淺/無色，鋅片表面覆蓋紅棕色固體。
- 離子方程式：Zn(s) + Cu²⁺(aq) → Zn²⁺(aq) + Cu(s)。
2. 鐵的鏽蝕與防鏽
考評提示：生鏽條件（水+O₂缺一不可）、防鏽方法原理、鍍鋅vs鍍錫比較
- 鐵生鏽條件：同時需要水 (H₂O) 和氧氣 (O₂)。鹽、酸、高溫會加快生鏽。
- 防鏽原理：① 保護層 (Barrier)——隔絕空氣和水；② 犧牲性保護 (Sacrificial protection)——利用活性更高的金屬。
- 犧牲性金屬：常用 Mg 或 Zn。只要該金屬未耗盡，即使表面有刮痕也能保護鐵。
常見題型 · scoring points
描述鋅 (Zn) 與硫酸銅(II)溶液反應的觀察及方程式
- 觀察：藍色溶液顏色逐漸變淡（甚至變為無色）；鋅片表面有紅棕色固體沉積；鋅片逐漸溶解；溶液溫度上升（放熱）。
- 化學方程式：Zn(s) + CuSO₄(aq) → ZnSO₄(aq) + Cu(s)。
- 離子方程式：Zn(s) + Cu²⁺(aq) → Zn²⁺(aq) + Cu(s)。
利用置換反應數據推斷未知金屬 A, B, C 的活性序
- 數據：A 能置換 B 的離子，但不能置換 C 的離子。
- 推論：A 的活性高於 B (A > B)；C 的活性高於 A (C > A)。
- 結論：活性序為 C > A > B。
- 原理：活性越強，越容易失去電子成為離子。
設計實驗證明鐵生鏽需要水和氧氣
- 設置：管 1：鐵釘 + 水 + 空氣（對照組）；管 2：鐵釘 + 乾燥空氣（加無水 CaCl₂）；管 3：鐵釘 + 煮沸過的冷開水（上蓋油層）。
- 觀察：只有管 1 生鏽。
- 結論：管 2 證明無水不生鏽；管 3 證明無氧不生鏽。故兩者缺一不可。
討論加快鐵生鏽速率的環境因素
- 電解質：食鹽 (NaCl) 或酸性物質會增強溶液導電性，加快電化學腐蝕。
- 溫度：溫度升高會加快反應速率。
- 接觸點：鐵與活性較低的金屬（如銅）接觸會加速生鏽。
- 濕度：高濕度環境提供充足水分。
詳述並比較鍍鋅鐵與鍍錫鐵的防鏽原理及優劣
- 鍍鋅鐵（白鐵）：Zn 比 Fe 活潑，即使塗層破損，Zn 仍作犧牲性保護先被腐蝕。
- 鍍錫鐵（馬口鐵）：Sn 比 Fe 不活潑，僅提供屏障保護。一旦損壞，Fe 因更活潑會加速生鏽。
- 用途：白鐵用於水管、屋頂；馬口鐵用於罐頭（Sn 離子無毒且不易被食物酸侵蝕）。
解釋犧牲性保護的化學原理並舉出實例
- 原理：將活性更高的金屬與鐵連接。
- 機制：高活性金屬（如 Mg, Zn）會優先失去電子，從而阻止鐵被氧化。
- 實例：船底安裝鋅塊；地底鐵製管道連接鎂塊。
- 維護：需定期更換已被腐蝕掉的犧牲金屬。
討論鋁不需特殊處理即可抗腐蝕的原因
- 機制：鋁表面能自發形成一層薄、緻密且透明的氧化鋁 (Al₂O₃) 層。
- 特性：氧化層與鋁結合牢固，不與水或空氣反應，阻止內部鋁被進一步氧化。
- 比較：鐵鏽是疏鬆多孔的，會剝落並讓內部鐵繼續生鏽。
描述檢驗鐵鏽 (Fe₂O₃·xH₂O) 的化學方法
- 試劑：六氰合鐵(III)酸鉀 (Potassium hexacyanoferrate(III))。
- 現象：若存在 Fe²⁺ 離子（生鏽初期產物），會產生深藍色 (Prussian blue) 沉澱/溶液。
- 應用：可用於精確測量鐵受腐蝕的程度或部位。
解釋合金（如不鏽鋼）如何達到防鏽效果
- 成分：在鐵中加入鉻 (Cr) 和鎳 (Ni) 等金屬。
- 原理：鉻會在鋼表面形成一層極薄且自我修復的氧化鉻保護層。
- 優點：不需塗層，整體材質均具備抗腐蝕性；強度通常比純鐵高。
分析船體防鏽的綜合策略
- 屏障法：在船身塗上厚厚的防鏽漆和保護塗層。
- 犧牲法：在船殼及推進器附近安裝鋅塊 (Zinc anodes)。
- 外加電流法 (ICCP)：通過外部電源向船體施加微弱電流，使其保持為陰極，抑制腐蝕。
描述不當防鏽措施可能帶來的風險
- 例子：鍍錫鐵罐頭破損。
- 風險：由於 Fe 比 Sn 活潑，暴露在外的鐵會因為電化學作用而比單純生鏽更快被腐蝕。
- 後果：罐頭穿孔導致內容物變質或污染環境。
比較置換反應中金屬狀態的變化
- 現象：活性較高的金屬由原子變為離子（溶解）；活性較低的金屬由離子變為原子（沉澱）。
- 電子轉移：這是一種氧化還原反應，電子從活潑金屬轉移至不活潑金屬離子。
- 能量：通常伴隨著熱量的釋放（放熱反應）。
金屬 其他子課題
關於本文：由 DSE 神器團隊整理，資料以香港考試及評核局（HKEAA）最新公佈為準，含歷屆考評建議引用。最後更新：2026 年 4 月。想隨時隨地溫習？下載 DSE 化學神器 App。
