孫慧玲+靳瑩+霍愛新

摘要：對鐵的吸氧腐蝕演示實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了改進(jìn)和補(bǔ)充。采用手持技術(shù)，設(shè)計(jì)了3組對比實(shí)驗(yàn)，利用氧氣傳感器和壓強(qiáng)傳感器測定實(shí)驗(yàn)過程中氧氣濃度和壓強(qiáng)的微弱變化以及吸氧腐蝕中溶液pH的變化。結(jié)果表明：鐵的電化學(xué)腐蝕是一個緩慢的氧化過程。酸性較強(qiáng)條件下以析氫腐蝕為主；在中性條件下發(fā)生吸氧腐蝕；在弱酸性條件下，析氫腐蝕和吸氧腐蝕是同時(shí)發(fā)生的。

關(guān)鍵詞： 吸氧腐蝕；析氫腐蝕；手持技術(shù)；實(shí)驗(yàn)改進(jìn)

文章編號：1005–6629（2014）3–0052–03 中圖分類號：G633.8 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B

金屬的電化學(xué)腐蝕是在原電池內(nèi)容的基礎(chǔ)上所展開的，是中學(xué)化學(xué)教學(xué)的重點(diǎn)以及難點(diǎn)內(nèi)容。鋼鐵的析氫腐蝕與吸氧腐蝕是一個緩慢的氧化過程，盡管傳統(tǒng)的對比實(shí)驗(yàn)已進(jìn)行了較多的實(shí)驗(yàn)改進(jìn)來縮短反應(yīng)時(shí)間，使反應(yīng)現(xiàn)象更加明顯，但是只能對實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象做出定性的分析，仍無法將二者定量地反映出來，不利于學(xué)生理解析氫腐蝕、吸氧腐蝕的概念。由于在金屬的析氫腐蝕、吸氧腐蝕的過程中，不僅伴隨著物質(zhì)濃度的變化，而且還伴隨著壓強(qiáng)的改變，因此我們可以借助于電子傳感器捕捉化學(xué)反應(yīng)過程中的細(xì)微變化，利用手持技術(shù)對金屬的電化學(xué)腐蝕實(shí)驗(yàn)進(jìn)行改進(jìn)和補(bǔ)充，從而幫助學(xué)生正確理解析氫腐蝕與吸氧腐蝕的概念，解決學(xué)生的迷思概念問題。

1 實(shí)驗(yàn)原理

不純的金屬與電解質(zhì)溶液接觸時(shí)，會發(fā)生原電池反應(yīng)，比較活潑的金屬失去電子被氧化，這種腐蝕叫做電化學(xué)腐蝕。當(dāng)在鋼鐵表面形成的電解質(zhì)溶液薄膜呈酸性時(shí)發(fā)生析氫腐蝕[1]，反應(yīng)如下：

負(fù)極：Fe-2e-=Fe2+（氧化反應(yīng)）

正極：2H++2e-=H2↑（還原反應(yīng)）

總反應(yīng)：Fe+2H+=Fe2++H2↑

當(dāng)在鋼鐵表面形成的電解質(zhì)溶液薄膜呈中性或酸性很弱，且溶有一定量的氧氣時(shí)發(fā)生吸氧腐蝕，反應(yīng)如下：

負(fù)極：2Fe-4e-=2Fe2+（氧化反應(yīng)）

正極：2H2O+O2+4e-=4OH-（還原反應(yīng)）

總反應(yīng)：2Fe+O2+2H2O=2Fe（OH）2

進(jìn)一步反應(yīng)：4Fe（OH）2+O2+2H2O=4Fe（OH）3，

2Fe（OH）3=Fe2O3·xH2O+（3-x）H2O

根據(jù)上述原理，本實(shí)驗(yàn)主要利用氧氣傳感器和壓強(qiáng)傳感器測定反應(yīng)過程中壓強(qiáng)變化和氧氣濃度變化，并利用pH傳感器測定吸氧腐蝕反應(yīng)前后溶液的pH。通過計(jì)算機(jī)和數(shù)字采集器收集數(shù)據(jù)、繪制曲線，并通過相應(yīng)軟件進(jìn)行實(shí)驗(yàn)分析。

2 實(shí)驗(yàn)用品與儀器

炭粉、還原鐵粉、2 mol/L鹽酸溶液、2 mol/L醋酸溶液、2 mol/L氯化鈉溶液[2，3]、橡皮塞、乳膠管、導(dǎo)氣管、止水夾、三口燒瓶。

本實(shí)驗(yàn)采用pasco公司的數(shù)字采集器、datastudio數(shù)據(jù)采集軟件、氧氣傳感器以及壓強(qiáng)傳感器。

（1）用USB數(shù)據(jù)線將計(jì)算機(jī)與數(shù)字采集器連接起來。

（2）將氧氣傳感器、壓強(qiáng)傳感器連接到數(shù)據(jù)采集器上。

（3）三口瓶的左端接入帶止水夾導(dǎo)氣管的單孔膠塞（以便調(diào)節(jié)內(nèi)外壓平衡），中間用單孔膠塞將三口瓶與氧氣傳感器連接，右端用單孔膠塞將壓強(qiáng)傳感器與三口瓶連接。

4 實(shí)驗(yàn)過程

4.1 在中性條件下發(fā)生吸氧腐蝕

（1）取下三口瓶，用滴管滴取2 mol/L的氯化鈉溶液，均勻的潤濕三口燒瓶的內(nèi)壁2～3次，將炭粉和鐵粉的混合物加入到三口瓶中，沿同一方向轉(zhuǎn)動，使炭粉和鐵粉的混合物均勻地粘附在三口燒瓶的內(nèi)壁上[4，5]，迅速地塞緊各個單孔膠塞，打開止水夾調(diào)節(jié)內(nèi)外壓平衡后，關(guān)閉止水夾。

（2）數(shù)據(jù)圖像縱軸選擇O2濃度（%）（體積分?jǐn)?shù)），橫軸選擇時(shí)間，開啟儀器采集數(shù)據(jù)，采集氧氣濃度和壓強(qiáng)變化情況（見圖2、圖3）。

（3）保存數(shù)據(jù)。

（4）實(shí)驗(yàn)結(jié)果及討論：通過圖2可以看出，本次測量中，瓶內(nèi)空氣中氧氣濃度為21.0%，50s后為20.8%，500s后為20.0%，氧氣的濃度在不斷地緩慢減少，利用氧氣傳感器可使我們在較短時(shí)間內(nèi)看出變化趨勢。通過圖3可以看出，此時(shí)瓶內(nèi)初始測量壓強(qiáng)為100957Pa（由于加完試劑塞緊膠塞等過程中瓶內(nèi)的反應(yīng)已經(jīng)進(jìn)行，所以導(dǎo)致瓶內(nèi)初始的測量壓強(qiáng)略小于理論壓強(qiáng)值），隨著氧氣濃度的減小，壓強(qiáng)也在下降，50s后瓶內(nèi)壓強(qiáng)降為100699Pa，10min內(nèi)瓶內(nèi)壓強(qiáng)共下降了1080Pa。但是隨著反應(yīng)的進(jìn)行，我們可以發(fā)現(xiàn)，氧氣濃度的下降量不僅是由于吸氧腐蝕的發(fā)生而造成的，在后續(xù)的反應(yīng)中，氫氧化亞鐵轉(zhuǎn)化為氫氧化鐵的過程中也消耗了部分氧氣，所以緊靠氧氣濃度的變化還不足以完全說明是否發(fā)生了吸氧腐蝕。因此，我們還通過pH傳感器檢測pH的變化來證明確實(shí)發(fā)生了吸氧腐蝕。經(jīng)檢測，如圖4所示，反應(yīng)前溶液的pH為6.8，反應(yīng)后經(jīng)過濾，測得濾液的pH為9.5，正是由于吸氧腐蝕的發(fā)生，從而造成了三口瓶內(nèi)溶液pH的升高。由此可以得出，在中性條件時(shí)主要發(fā)生吸氧腐蝕，而且吸氧腐蝕是緩慢進(jìn)行的。

4.2 酸性較弱條件下同時(shí)發(fā)生吸氧腐蝕和析氫腐蝕

4.2.1 定性實(shí)驗(yàn)

取一支小試管，滴入5 mL 2 mol/L的醋酸溶液，加入適量炭粉和鐵粉的混合物，靜置一段時(shí)間后，觀察現(xiàn)象。

4.2.2 定量實(shí)驗(yàn)

（1）取下三口瓶，用滴管滴取2 mol/L的醋酸溶液，均勻的潤濕三口燒瓶的內(nèi)壁2～3次，將炭粉和鐵粉的混合物加入到三口瓶中，沿同一方向轉(zhuǎn)動，使炭粉和鐵粉的混合物均勻地粘附在三口燒瓶的內(nèi)壁上，迅速地塞緊各個單孔膠塞，打開止水夾調(diào)節(jié)內(nèi)外壓平衡后，關(guān)閉止水夾。

（2）數(shù)據(jù)圖像縱軸選擇O2濃度（%）（體積分?jǐn)?shù)），橫軸選擇時(shí)間，開啟儀器采集數(shù)據(jù)，采集氧氣濃度和壓強(qiáng)變化情況（見圖5、圖6）。

（3）保存數(shù)據(jù)。

4.2.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及討論

由于沒有直接測量氫氣濃度的傳感器，本實(shí)驗(yàn)中采取測量容器內(nèi)壓強(qiáng)的變化和觀察小試管內(nèi)金屬與弱酸反應(yīng)的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的方法來說明氫氣濃度的變化。

定性觀察可見，小試管內(nèi)有氣泡冒出，可以斷定容器內(nèi)有析氫腐蝕發(fā)生。

在定量研究中，如圖5所示，當(dāng)電解質(zhì)溶液為醋酸溶液時(shí)，隨著反應(yīng)的進(jìn)行，氧氣濃度逐漸緩慢減少，說明瓶內(nèi)消耗了部分氧氣，可知有吸氧腐蝕發(fā)生；如圖6所示，在10min內(nèi)，瓶內(nèi)壓強(qiáng)由起始的101075Pa下降到100626Pa，共下降了449Pa。正是由于三口瓶內(nèi)同時(shí)發(fā)生了吸氧腐蝕和析氫腐蝕，所以導(dǎo)致了瓶內(nèi)壓強(qiáng)的下降幅度小于實(shí)驗(yàn)1中壓強(qiáng)的下降幅度。由此可以看出，當(dāng)電解質(zhì)溶液為弱酸條件時(shí)，析氫腐蝕和吸氧腐蝕同時(shí)發(fā)生。

4.3 酸性較強(qiáng)條件下以析氫腐蝕為主

（1）取兩支試管，各加入5 mL 2 mol/L的鹽酸溶液和等量的0.22 g鐵粉，再向其中一支試管中加入少量的炭粉，將兩支試管同時(shí)連接上兩個壓強(qiáng)傳感器，得到如下數(shù)據(jù)：

（2）僅將實(shí)驗(yàn)1中的“2 mol/L的氯化鈉溶液”改為“2 mol/L鹽酸溶液”，其他操作步驟與實(shí)驗(yàn)1完全相同。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖8、圖9所示：

（3）實(shí)驗(yàn)結(jié)果及討論：在較短的時(shí)間內(nèi)可明顯地觀察到步驟（1）中兩支試管內(nèi)均有氣泡冒出。由圖7可知，鐵粉和鹽酸反應(yīng)發(fā)生化學(xué)腐蝕，試管內(nèi)壓強(qiáng)在60s內(nèi)上升了4288Pa，而加入炭粉后，試管內(nèi)壓強(qiáng)值始終大于不加炭粉的試管的壓強(qiáng)值，且壓強(qiáng)上升得更高，在60s內(nèi)上升了7316Pa，這說明加了炭粉的試管不僅僅發(fā)生了化學(xué)腐蝕，還發(fā)生了電化學(xué)腐蝕，即析氫腐蝕。從圖8和圖9可以看出，在實(shí)驗(yàn)過程中，容器內(nèi)的壓強(qiáng)不斷上升，50s內(nèi)壓強(qiáng)便上升了2435Pa，600s內(nèi)上升了11244Pa，可知有氫氣生成，瓶內(nèi)總的分子數(shù)增加，但是由于瓶內(nèi)氧氣的分子數(shù)不變，所以氧氣的體積濃度也呈略微的下降趨勢。再結(jié)合步驟（1）中的實(shí)驗(yàn)結(jié)論，可以得出，在酸性較強(qiáng)的條件下，電化學(xué)腐蝕主要以析氫腐蝕為主，且腐蝕速度快于吸氧腐蝕。

5 實(shí)驗(yàn)小結(jié)

通過設(shè)計(jì)三組演示實(shí)驗(yàn)，利用氧氣傳感器和壓強(qiáng)傳感器可便捷地測定實(shí)驗(yàn)過程中氧氣濃度和壓強(qiáng)的微弱變化以及吸氧腐蝕中溶液pH的變化，明確提出金屬鐵的電化學(xué)腐蝕是一個緩慢的氧化過程。酸性較強(qiáng)條件下以析氫腐蝕為主，在中性條件下發(fā)生吸氧腐蝕，在弱酸性條件下，析氫腐蝕和吸氧腐蝕是同時(shí)發(fā)生的。在一組比較化學(xué)腐蝕與電化學(xué)腐蝕反應(yīng)速率的學(xué)生實(shí)驗(yàn)中，說明應(yīng)用現(xiàn)代的實(shí)驗(yàn)手段可以讓學(xué)生對化學(xué)反應(yīng)有一個更全面、更深刻的認(rèn)識。

參考文獻(xiàn)：

[1]宋心琦主編.普通高中課程標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)教科書·化學(xué)反應(yīng)原理（選修4）[M].北京：人民教育出版社，2007：84.

[2]陶俞佳，李桂林.吸氧腐蝕實(shí)驗(yàn)的改進(jìn)[J].化學(xué)教學(xué)，2009，（6）：26～27.

[3]雷和平，劉英麗.鐵的吸氧腐蝕實(shí)驗(yàn)改進(jìn)[J].化學(xué)教育，2009，（8）：49～50.

[4]譚文生.鐵的吸氧腐蝕與析氫腐蝕對比實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)[J].化學(xué)教學(xué)，2011，（6）：46～47.

[5]項(xiàng)云，錢海濱，蔣金虎.鐵吸氧腐蝕的實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新[J].化學(xué)教育，2011，（6）：59.

（3）保存數(shù)據(jù)。

4.2.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及討論

由于沒有直接測量氫氣濃度的傳感器，本實(shí)驗(yàn)中采取測量容器內(nèi)壓強(qiáng)的變化和觀察小試管內(nèi)金屬與弱酸反應(yīng)的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的方法來說明氫氣濃度的變化。

定性觀察可見，小試管內(nèi)有氣泡冒出，可以斷定容器內(nèi)有析氫腐蝕發(fā)生。

在定量研究中，如圖5所示，當(dāng)電解質(zhì)溶液為醋酸溶液時(shí)，隨著反應(yīng)的進(jìn)行，氧氣濃度逐漸緩慢減少，說明瓶內(nèi)消耗了部分氧氣，可知有吸氧腐蝕發(fā)生；如圖6所示，在10min內(nèi)，瓶內(nèi)壓強(qiáng)由起始的101075Pa下降到100626Pa，共下降了449Pa。正是由于三口瓶內(nèi)同時(shí)發(fā)生了吸氧腐蝕和析氫腐蝕，所以導(dǎo)致了瓶內(nèi)壓強(qiáng)的下降幅度小于實(shí)驗(yàn)1中壓強(qiáng)的下降幅度。由此可以看出，當(dāng)電解質(zhì)溶液為弱酸條件時(shí)，析氫腐蝕和吸氧腐蝕同時(shí)發(fā)生。

4.3 酸性較強(qiáng)條件下以析氫腐蝕為主

（1）取兩支試管，各加入5 mL 2 mol/L的鹽酸溶液和等量的0.22 g鐵粉，再向其中一支試管中加入少量的炭粉，將兩支試管同時(shí)連接上兩個壓強(qiáng)傳感器，得到如下數(shù)據(jù)：

（2）僅將實(shí)驗(yàn)1中的“2 mol/L的氯化鈉溶液”改為“2 mol/L鹽酸溶液”，其他操作步驟與實(shí)驗(yàn)1完全相同。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖8、圖9所示：

（3）實(shí)驗(yàn)結(jié)果及討論：在較短的時(shí)間內(nèi)可明顯地觀察到步驟（1）中兩支試管內(nèi)均有氣泡冒出。由圖7可知，鐵粉和鹽酸反應(yīng)發(fā)生化學(xué)腐蝕，試管內(nèi)壓強(qiáng)在60s內(nèi)上升了4288Pa，而加入炭粉后，試管內(nèi)壓強(qiáng)值始終大于不加炭粉的試管的壓強(qiáng)值，且壓強(qiáng)上升得更高，在60s內(nèi)上升了7316Pa，這說明加了炭粉的試管不僅僅發(fā)生了化學(xué)腐蝕，還發(fā)生了電化學(xué)腐蝕，即析氫腐蝕。從圖8和圖9可以看出，在實(shí)驗(yàn)過程中，容器內(nèi)的壓強(qiáng)不斷上升，50s內(nèi)壓強(qiáng)便上升了2435Pa，600s內(nèi)上升了11244Pa，可知有氫氣生成，瓶內(nèi)總的分子數(shù)增加，但是由于瓶內(nèi)氧氣的分子數(shù)不變，所以氧氣的體積濃度也呈略微的下降趨勢。再結(jié)合步驟（1）中的實(shí)驗(yàn)結(jié)論，可以得出，在酸性較強(qiáng)的條件下，電化學(xué)腐蝕主要以析氫腐蝕為主，且腐蝕速度快于吸氧腐蝕。

5 實(shí)驗(yàn)小結(jié)

通過設(shè)計(jì)三組演示實(shí)驗(yàn)，利用氧氣傳感器和壓強(qiáng)傳感器可便捷地測定實(shí)驗(yàn)過程中氧氣濃度和壓強(qiáng)的微弱變化以及吸氧腐蝕中溶液pH的變化，明確提出金屬鐵的電化學(xué)腐蝕是一個緩慢的氧化過程。酸性較強(qiáng)條件下以析氫腐蝕為主，在中性條件下發(fā)生吸氧腐蝕，在弱酸性條件下，析氫腐蝕和吸氧腐蝕是同時(shí)發(fā)生的。在一組比較化學(xué)腐蝕與電化學(xué)腐蝕反應(yīng)速率的學(xué)生實(shí)驗(yàn)中，說明應(yīng)用現(xiàn)代的實(shí)驗(yàn)手段可以讓學(xué)生對化學(xué)反應(yīng)有一個更全面、更深刻的認(rèn)識。

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[4]譚文生.鐵的吸氧腐蝕與析氫腐蝕對比實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)[J].化學(xué)教學(xué)，2011，（6）：46～47.

[5]項(xiàng)云，錢海濱，蔣金虎.鐵吸氧腐蝕的實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新[J].化學(xué)教育，2011，（6）：59.

（3）保存數(shù)據(jù)。

4.2.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及討論

由于沒有直接測量氫氣濃度的傳感器，本實(shí)驗(yàn)中采取測量容器內(nèi)壓強(qiáng)的變化和觀察小試管內(nèi)金屬與弱酸反應(yīng)的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的方法來說明氫氣濃度的變化。

定性觀察可見，小試管內(nèi)有氣泡冒出，可以斷定容器內(nèi)有析氫腐蝕發(fā)生。

在定量研究中，如圖5所示，當(dāng)電解質(zhì)溶液為醋酸溶液時(shí)，隨著反應(yīng)的進(jìn)行，氧氣濃度逐漸緩慢減少，說明瓶內(nèi)消耗了部分氧氣，可知有吸氧腐蝕發(fā)生；如圖6所示，在10min內(nèi)，瓶內(nèi)壓強(qiáng)由起始的101075Pa下降到100626Pa，共下降了449Pa。正是由于三口瓶內(nèi)同時(shí)發(fā)生了吸氧腐蝕和析氫腐蝕，所以導(dǎo)致了瓶內(nèi)壓強(qiáng)的下降幅度小于實(shí)驗(yàn)1中壓強(qiáng)的下降幅度。由此可以看出，當(dāng)電解質(zhì)溶液為弱酸條件時(shí)，析氫腐蝕和吸氧腐蝕同時(shí)發(fā)生。

4.3 酸性較強(qiáng)條件下以析氫腐蝕為主

（1）取兩支試管，各加入5 mL 2 mol/L的鹽酸溶液和等量的0.22 g鐵粉，再向其中一支試管中加入少量的炭粉，將兩支試管同時(shí)連接上兩個壓強(qiáng)傳感器，得到如下數(shù)據(jù)：

（2）僅將實(shí)驗(yàn)1中的“2 mol/L的氯化鈉溶液”改為“2 mol/L鹽酸溶液”，其他操作步驟與實(shí)驗(yàn)1完全相同。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖8、圖9所示：

（3）實(shí)驗(yàn)結(jié)果及討論：在較短的時(shí)間內(nèi)可明顯地觀察到步驟（1）中兩支試管內(nèi)均有氣泡冒出。由圖7可知，鐵粉和鹽酸反應(yīng)發(fā)生化學(xué)腐蝕，試管內(nèi)壓強(qiáng)在60s內(nèi)上升了4288Pa，而加入炭粉后，試管內(nèi)壓強(qiáng)值始終大于不加炭粉的試管的壓強(qiáng)值，且壓強(qiáng)上升得更高，在60s內(nèi)上升了7316Pa，這說明加了炭粉的試管不僅僅發(fā)生了化學(xué)腐蝕，還發(fā)生了電化學(xué)腐蝕，即析氫腐蝕。從圖8和圖9可以看出，在實(shí)驗(yàn)過程中，容器內(nèi)的壓強(qiáng)不斷上升，50s內(nèi)壓強(qiáng)便上升了2435Pa，600s內(nèi)上升了11244Pa，可知有氫氣生成，瓶內(nèi)總的分子數(shù)增加，但是由于瓶內(nèi)氧氣的分子數(shù)不變，所以氧氣的體積濃度也呈略微的下降趨勢。再結(jié)合步驟（1）中的實(shí)驗(yàn)結(jié)論，可以得出，在酸性較強(qiáng)的條件下，電化學(xué)腐蝕主要以析氫腐蝕為主，且腐蝕速度快于吸氧腐蝕。

5 實(shí)驗(yàn)小結(jié)

通過設(shè)計(jì)三組演示實(shí)驗(yàn)，利用氧氣傳感器和壓強(qiáng)傳感器可便捷地測定實(shí)驗(yàn)過程中氧氣濃度和壓強(qiáng)的微弱變化以及吸氧腐蝕中溶液pH的變化，明確提出金屬鐵的電化學(xué)腐蝕是一個緩慢的氧化過程。酸性較強(qiáng)條件下以析氫腐蝕為主，在中性條件下發(fā)生吸氧腐蝕，在弱酸性條件下，析氫腐蝕和吸氧腐蝕是同時(shí)發(fā)生的。在一組比較化學(xué)腐蝕與電化學(xué)腐蝕反應(yīng)速率的學(xué)生實(shí)驗(yàn)中，說明應(yīng)用現(xiàn)代的實(shí)驗(yàn)手段可以讓學(xué)生對化學(xué)反應(yīng)有一個更全面、更深刻的認(rèn)識。

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[4]譚文生.鐵的吸氧腐蝕與析氫腐蝕對比實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)[J].化學(xué)教學(xué)，2011，（6）：46～47.

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