基于探究性學(xué)習(xí)思路的金屬氧化腐蝕實(shí)驗(yàn)探討

李浩天

摘 要：本文以高中化學(xué)課程中的金屬氧化腐蝕實(shí)驗(yàn)為背景，探討了同學(xué)們?nèi)绾卧诟咧谢瘜W(xué)的學(xué)習(xí)中通過探究式實(shí)驗(yàn)培養(yǎng)創(chuàng)新意識(shí)，本文詳細(xì)論述了兩個(gè)實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)方法，在第一個(gè)實(shí)驗(yàn)中，研究了pH值對(duì)鐵的析氫腐蝕和吸氧腐蝕的影響；在第二個(gè)實(shí)驗(yàn)中，通過實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)了原電池的工作原理，全文是筆者在高中化學(xué)學(xué)習(xí)中的理論升華，以期對(duì)同學(xué)們能有所裨益。

關(guān)鍵詞：高中化學(xué) 實(shí)驗(yàn) 探究 創(chuàng)新 金屬氧化腐蝕

中圖分類號(hào)：G633.8 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2018）12（b）-0-03

在高中化學(xué)的學(xué)習(xí)中，實(shí)驗(yàn)一般都安排在每一章節(jié)學(xué)完之后進(jìn)行。等到我們做實(shí)驗(yàn)時(shí)，幾乎所有的實(shí)驗(yàn)都是對(duì)所學(xué)知識(shí)的驗(yàn)證，缺乏新穎性。如果能將實(shí)驗(yàn)提前，通過我們自己的雙手，經(jīng)由自己的參與，然后根據(jù)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象自己得出結(jié)論，簡單、明了，讓我們通過自己做實(shí)驗(yàn)得出結(jié)果。這樣做有利于打破權(quán)威，活躍思維，調(diào)動(dòng)學(xué)習(xí)的積極性、創(chuàng)新的能動(dòng)性。

在新課程高中化學(xué)的金屬腐蝕當(dāng)中，主要分為化學(xué)腐蝕和電化學(xué)腐蝕這兩種情況，其中電化學(xué)腐蝕又可以分為吸氧腐蝕和析氫腐蝕這兩種現(xiàn)象，一般來說當(dāng)金屬在酸性較強(qiáng)的環(huán)境當(dāng)中時(shí)，就會(huì)發(fā)生析氫腐蝕的現(xiàn)象；當(dāng)金屬所處的環(huán)境為酸性較弱或者是呈現(xiàn)中性時(shí)，就會(huì)發(fā)生吸氧腐蝕，通常來說自然界中較為普遍發(fā)生的是吸氧腐蝕。關(guān)于吸氧腐蝕，在課本當(dāng)中，無論是哪一版本都是以鋅-稀硫酸-銅作為主要的實(shí)驗(yàn)進(jìn)行講解。盡管該實(shí)驗(yàn)在操作上和結(jié)果上比較簡單和明顯，但是該實(shí)驗(yàn)為金屬的析氫腐蝕，所以需要簡單明顯易懂的吸氧腐蝕實(shí)驗(yàn)。

1 pH值對(duì)鐵的析氫腐蝕和吸氧腐蝕的影響

1.1 實(shí)驗(yàn)原理

鐵表面形成的水膜酸性較弱時(shí)，在空氣中發(fā)生吸氧腐蝕，其電極及電池反應(yīng)方程式為：負(fù)極：2Fe=2Fe2++4e-；正極：O2+2H2O+4e-=4OH-；電池反應(yīng)：2Fe+O2+2H2O=2Fe（OH）2。

隨著與氧氣的結(jié)合，鐵被氧化成氫氧化亞鐵，然后進(jìn)一步被氧化成氫氧化鐵，脫去一部分水生成三氧化二鐵，即鐵銹。由于反應(yīng)過程吸收氧氣，而使得U型玻璃管內(nèi)紅墨水液面上升。

鐵表面形成的水膜酸性較強(qiáng)時(shí)，在空氣中發(fā)生析氫腐蝕，其電極及電池反應(yīng)方程式為：負(fù)極：Fe= Fe2++2e-；正極：2H++2e-=H2；電池反應(yīng)：Fe +2H+= Fe2++ H2↑。

隨著氫氣的析出，水膜的pH不斷上升，F(xiàn)e2+與OH-結(jié)合生成Fe（OH）2，再繼續(xù)和O2作用，生成Fe（OH）3，進(jìn)而形成鐵銹。雖然后期也發(fā)生了吸氧腐蝕，但由于前期有氫氣放出，可明顯看到試管內(nèi)有大量小氣泡逸出，紅墨水液面下降。本實(shí)驗(yàn)向鐵粉中加入少量的炭粉，混合均勻后，將此混合物分別均勻地粘附在事先用不同介質(zhì)溶液浸潤過的密閉容器壁上，通過觀察與密閉容器另一端接口的U型玻璃管內(nèi)紅墨水位置的變換，即可探究金屬的吸氧腐蝕和析氫腐蝕過程。

1.2 實(shí)驗(yàn)器材

試管、玻璃活塞、橡膠塞、標(biāo)尺、U型玻璃管、燒杯、量筒、玻璃棒、容量瓶、滴管，電子天平、研缽、藥匙、稱量紙。濃鹽酸（AR，37%）、醋酸（AR）、氯化鈉（AR）、碳粉、鐵粉、紅墨水。

1.3 實(shí)驗(yàn)步驟

HCl濃度變化對(duì)鐵電化學(xué)腐蝕影響的探究。首先，分別配制濃度為1%、2%、3%、4%、5%的HCl溶液，以配制 1%HCl溶液為例，具體步驟為：（1）在通風(fēng)櫥內(nèi)用電子天平迅速稱取6.80g 37%濃鹽酸，置于燒杯中；（2）向燒杯中加入少量蒸餾水，并用玻璃棒攪拌；（3）將燒杯中溶液在玻璃棒引流下，轉(zhuǎn)入250ml容量瓶中；（4）用蒸餾水沖洗燒杯數(shù)次（每次少量），沖洗液轉(zhuǎn)入容量瓶內(nèi)；（5）向容量瓶內(nèi)加入去離子水，直至離刻度線2～3cm處，左右搖動(dòng)容量瓶，使其均勻；（6）用膠頭滴管向容量瓶中加入蒸餾水，直至凹液面與刻度線持平。

其次，在圖1所示裝置的具支試管中分別加入1.5ml 1%、2%、3%、4%、5%的HCl溶液，使溶液充分潤濕試管壁；稱取3.0g還原性鐵粉和0.6g碳顆粒在研缽中充分研磨，將研磨好的碳粉、鐵粉混合物迅速倒入具支試管中，振蕩試管使碳粉、鐵粉混合物附著在試管壁上，迅速塞緊橡皮塞，打開活塞，U型玻璃導(dǎo)管中紅墨水左右兩邊液面持平后關(guān)閉活塞。

每隔一定時(shí)間記錄U型玻璃導(dǎo)管中左右兩邊的紅墨水液面高度差Δh。

1.4 實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象與分析

在空氣中，鹽酸溶液濕潤的碳粉、鐵粉混合物發(fā)生電化學(xué)腐蝕，導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)裝置中U型玻璃導(dǎo)管內(nèi)紅墨水的液面高度發(fā)生變化不同濃度的鹽酸溶液濕潤的碳粉、鐵粉混合物發(fā)生電化學(xué)腐蝕時(shí)，U型玻璃細(xì)導(dǎo)管中紅墨水的液面差（Δh）隨時(shí)間的變化曲線如圖2所示。

圖2中Δh<0表示具支試管內(nèi)壓強(qiáng)增大，具支試管內(nèi)有氣體生成；Δh>0表示具支試管內(nèi)壓強(qiáng)減小，具支試管內(nèi)有氣體被消耗。

從圖2中可以看出：第一，用濃度為1%～5%的鹽酸溶液濕潤的碳粉、鐵粉混合物，在空氣中經(jīng)過約10min的電化學(xué)腐蝕，具支試管內(nèi)壓強(qiáng)均會(huì)減小，說明即使在酸性環(huán)境中，鐵電化學(xué)腐蝕也會(huì)消耗氧氣。第二，用濃度為4%和5%的鹽酸溶液濕潤的碳粉、鐵粉混合物，在空氣中發(fā)生電化學(xué)腐蝕時(shí)，可明顯觀察到析出氫氣和吸收氧氣的現(xiàn)象，在鐵開始腐蝕約1min內(nèi)，由于腐蝕的酸度較大，析氫腐蝕導(dǎo)致的具支試管內(nèi)壓強(qiáng)增大強(qiáng)于吸收氧氣導(dǎo)致的具支試管內(nèi)壓強(qiáng)減小，可觀察到具支試管內(nèi)壓強(qiáng)增大（Δh<0）；隨著腐蝕的繼續(xù)進(jìn)行，環(huán)境的酸度不斷下降，鐵析氫腐蝕的速率減小，吸收氧氣導(dǎo)致的具支試管內(nèi)壓強(qiáng)減小明顯地表現(xiàn)出來，總體觀察到具支試管內(nèi)壓強(qiáng)減?。é增大）。第三，在空氣中用1%～3%的鹽酸溶液濕潤的碳粉、鐵粉混合物的腐蝕實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)過程中很難觀察到發(fā)生析氫腐蝕產(chǎn)生的析出氫氣的現(xiàn)象，只能觀察到具支試管內(nèi)壓強(qiáng)減小。這并不能說明該條件下不發(fā)生析氫腐蝕，只是在該條件下鐵電化學(xué)腐蝕吸收氧氣導(dǎo)致具支試管內(nèi)壓強(qiáng)減小比析氫腐蝕析出氫氣導(dǎo)致具支試管內(nèi)壓強(qiáng)增大要強(qiáng)得多，因而只能觀察到具支試管內(nèi)壓強(qiáng)減小的現(xiàn)象。第四，隨著鹽酸溶液濃度不斷增加，即溶液pH值不斷減小，析氫腐蝕越來越明顯，這說明酸性條件下有利于析氫腐蝕的發(fā)生。

1.5 實(shí)驗(yàn)結(jié)論

（1）鐵在酸性環(huán)境中發(fā)生腐蝕時(shí)，析出氫氣和消耗氧氣的反應(yīng)同時(shí)發(fā)生。通過鐵腐蝕體系中的壓強(qiáng)差可以證明鐵發(fā)生析氫腐蝕的實(shí)驗(yàn)必須在鐵腐蝕析出氫氣的速率大于鐵腐蝕消耗氧氣的條件下進(jìn)行。即用類似于圖1裝置進(jìn)行鐵析氫腐蝕實(shí)驗(yàn)時(shí)，要求濕潤碳粉、鐵粉混合物的酸性溶液具有一定的酸度，例如用4%～5%的鹽酸溶液濕潤碳粉、鐵粉混合物。

（2）鐵在酸性環(huán)境中發(fā)生腐蝕時(shí)，隨著酸性環(huán)境越強(qiáng)（即酸度越大），析氫腐蝕越明顯。

2 基于原電池原理的實(shí)驗(yàn)

2.1 實(shí)驗(yàn)原理

原電池工作原理。銅、鋅兩電極，一同浸入H2O2時(shí)，由于鋅比銅活潑，容易失去電子，鋅被氧化成二價(jià)鋅進(jìn)入溶液，電子由鋅片通過導(dǎo)線流向銅片，溶液中的氫離子從銅片獲得電子，被還原成氫原子。

2.2 實(shí)驗(yàn)器材

鋅片（新）、銅片、導(dǎo)線、靈敏型電流表（0～1.5A）、燒杯、膠頭滴管、30%雙氧水、蒸餾水

2.3 實(shí)驗(yàn)步驟

（1）按示意圖連接裝置，觀察電流表指針變化。

（2）在鋅片附近加入兩滴管 H2O2，觀察電流表指針變化。

2.4 實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象與分析

未加入H2O2之前，電流表指針幾乎不動(dòng)；加入H2O2后，熱蒸餾水中產(chǎn)生大量微小的氣泡（O2）指針慢慢偏轉(zhuǎn)，同時(shí)鋅片上生成一薄層 Zn（OH）2。

指針偏轉(zhuǎn)的原因可能為：（1）H2O2微弱電離導(dǎo)電；（2）H2O2在熱蒸餾水中分解產(chǎn)生O2，金屬發(fā)生吸氧腐蝕，形成原電池導(dǎo)電。

用玻璃棒蘸取加入雙氧水后的蒸餾水，涂在pH試紙上和標(biāo)準(zhǔn)比色卡對(duì)比，該溶液顯中性，說明雙氧水顯弱酸性不是產(chǎn)生電流的主要原因；以往實(shí)驗(yàn)也可以證明，在相同條件（T、P）下，向熱蒸餾水中鋅片附近緩慢通入細(xì)小氧氣氣泡也會(huì)產(chǎn)生相同的現(xiàn)象，也能證明H2O2電離不是電流表指針偏轉(zhuǎn)的主要原因。所以，形成電流的主要原因是H2O2分解生成O2，金屬發(fā)生吸氧腐蝕。此外，由鋅表面生成一層白色氫氧化鋅也可以證明發(fā)生了金屬的吸氧腐蝕。

2.5 實(shí)驗(yàn)結(jié)論

本實(shí)驗(yàn)證明了金屬在中性甚至極弱酸性條件下能發(fā)生吸氧腐蝕。實(shí)驗(yàn)選用熱蒸餾水不僅避免了普通水中雜質(zhì)離子的干擾，而且加快了H2O2的分解，增大了氧氣在水中的濃度，從而克服了氧氣難溶于水而使實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象不明顯的缺點(diǎn)。明顯的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象充分證明了金屬在中性甚至極弱酸性條件下發(fā)生吸氧腐蝕，克服了普通條件下難證明吸氧腐蝕存在的缺點(diǎn)。

3 結(jié)語

通過探究性實(shí)驗(yàn)，可以使我們?cè)趯W(xué)習(xí)和運(yùn)用的過程中學(xué)習(xí)科學(xué)方法。可使大家尋求發(fā)現(xiàn)新途徑、新關(guān)系、新知識(shí)，并運(yùn)用知識(shí)解決問題，從而不斷增強(qiáng)創(chuàng)新意識(shí)。創(chuàng)新能力的形成，除了必要的基礎(chǔ)知識(shí)之外，更重要的是要有正確的思維方法和良好的思維品質(zhì)，通過實(shí)驗(yàn)調(diào)動(dòng)大家的主體意識(shí)，激活靈感，鼓勵(lì)標(biāo)新立異，在實(shí)踐中不斷探索、評(píng)價(jià)，從而有所發(fā)現(xiàn)、有所創(chuàng)新。從培養(yǎng)思維能力入手，以達(dá)到創(chuàng)新之目的，正是我們多做探究性實(shí)驗(yàn)之宗旨。

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