高考申論題 108年 [材料工程] 材料性質

第一題

📖 題組：
四、有一條被埋在底下的金屬鐵水管，由銅導線連接，被鎂金屬棒保護著，如下圖所示。請回答下列問題：（每小題 5 分，共 20 分）

📝 此題為申論題，共 4 小題

小題 (一)

陰極是何者？

看到金屬腐蝕與防護的題目，首先應聯想「伽凡尼數列」或「標準還原電位」來比較各金屬的活性。活性大（易氧化）的金屬作為犧牲陽極，而釋放出的電子會流向活性較小的金屬，使其成為陰極而受到保護。

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【破題】利用金屬活性的差異（標準還原電位），判斷犧牲陽極陰極保護法（Sacrificial Anode Cathodic Protection）中的電極角色。【解析】

陰極反應式為何？

首先辨識此系統為「犧牲陽極陰極保護法」，依據金屬活性（Mg > Fe），判斷鎂為陽極（氧化）、鐵管為陰極（接收電子）。接著思考地下管線所處的土壤環境（通常含有水分與氧氣），判斷陰極表面實際進行的還原反應主要是溶氧的還原或氫離子的還原，而非鐵離子的還原。

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【解題思路】判斷系統為犧牲陽極防蝕法，確認鐵管為陰極後，依據地下土壤環境（含水與氧氣）推導出對應的還原反應。【詳解】已知：金屬標準氧化電位（活性）為 Mg > Fe > Cu。在此電化學電池中，活性最大的鎂 (Mg) 會優先氧化作為「犧牲陽極」，而被保護的金屬鐵管 (Fe) 則作為「陰極」。

電子流在銅導線的方向為何？

遇到防蝕工程的題目，首先比較不同金屬間的活性大小（標準還原電位）。活性大的金屬（鎂）會作為陽極氧化並釋出電子，電子再經由導線流向活性小的金屬（鐵），此即為犧牲陽極防蝕法的核心機制。

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【破題】本題考查「犧牲陽極防蝕法（陰極保護法）」之電化學原理，電子流向取決於金屬的相對活性大小。【論述】一、定義性質（標準還原電位與金屬活性）：

假設銅導線沒有反應，請試述鐵如何被保護。

看到本題應立即聯想到材料防蝕工程中的「犧牲陽極陰極保護法」。解題關鍵在於比較鎂（Mg）與鐵（Fe）的標準還原電位（金屬活性），並具體說明在此伽凡尼電池系統中，陽極的消耗與電子流向如何抑制陰極（鐵）的氧化反應。

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【破題】本題所述為材料防蝕工程中經典的「犧牲陽極陰極保護法（Sacrificial Anode Cathodic Protection）」。透過將活性較高的鎂金屬與鐵管連接，使鎂優先發生氧化反應，進而保護鐵不被腐蝕。【論述】