基于手持技術(shù)探究不同介質(zhì)中鐵的析氫腐蝕和吸氧腐蝕

劉燕偉 吳紅艷

摘 要：本文采用手持技術(shù)探究三種不同介質(zhì)中鐵的析氫腐蝕和吸氧腐蝕，借助氫氣、氧氣、溫度以及pH傳感器，便捷、直觀地測定實驗過程中氫氣、氧氣、溫度和pH的變化過程。實驗數(shù)據(jù)表明：強酸條件下以析氫腐蝕為主;中性條件下發(fā)生吸氧腐蝕;弱酸性條件下，析氫腐蝕和吸氧腐蝕是同時發(fā)生的。

關(guān)鍵詞：析氫腐蝕;吸氧腐蝕;手持技術(shù);實驗探究

一、 提出問題

金屬的電化學(xué)腐蝕是高中化學(xué)選修四《化學(xué)反應(yīng)原理》中的重要知識點，其實質(zhì)是金屬與電解質(zhì)溶液接觸在表面形成原電池，電化學(xué)的反應(yīng)機理和形成條件均為重難點知識。

學(xué)生在理解鐵的腐蝕原理時認為在酸性條件下發(fā)生鐵的析氫腐蝕，在中性或堿性條件下發(fā)生鐵的吸氧腐蝕。但對析氫腐蝕和吸氧腐蝕共存卻持有懷疑的態(tài)度。

查閱文獻得知，近年來化學(xué)教學(xué)工作者利用鐵的析氫和吸氧腐蝕實驗進行改進，以及利用數(shù)字化儀器（氧氣和壓力傳感器）間接地研究鐵的析氫和吸氧腐蝕?，F(xiàn)象不夠直觀，不能定量地表示出鐵的析氫和吸氧腐蝕，而且壓力變化無法排除溫度變化的影響。

為了幫助學(xué)生更好地理解鐵的析氫腐蝕和吸氧腐蝕的原理，我們借助氫氣傳感器、氧氣傳感器、溫度傳感器以及pH傳感器實時監(jiān)測不同介質(zhì)中鐵的析氫腐蝕和吸氧腐蝕的細微的變化過程，幫助學(xué)生正確理解析氫腐蝕和吸氧腐蝕的概念。

二、 實驗過程

（一） 實驗原理

在酸性條件下，鐵發(fā)生析氫腐蝕，反應(yīng)原理：

在中性或弱酸性條件下，發(fā)生吸氧腐蝕，反應(yīng)原理：

與氧氣的接觸后，鐵最終被氧化成氫氧化鐵，氫氧化鐵再脫去一部分水后生成鐵銹。

根據(jù)實驗的反應(yīng)原理，實驗中利用氧氣傳感器、氫氣傳感器和pH傳感器、溫度傳感器分別進行實時監(jiān)測反應(yīng)中氧氣、氫氣的濃度和反應(yīng)中溶液的pH、溫度的變化。

（二） 實驗藥品與儀器

還原鐵粉、炭粉、2mol/L醋酸溶液、2mol/L鹽酸溶液、2mol/L氯化鈉溶液、四頸燒瓶。

本實驗采用朗威公司的數(shù)字采集器、傳感器（分別為氧氣、氫氣、溫度和pH傳感器）。

（三） 實驗過程

1. 中性條件下的吸氧腐蝕

（1）稱取1g炭粉和8g鐵粉混合均勻后加入四頸燒瓶中，再向四頸燒瓶中加入2mol/L的氯化鈉溶液至剛好浸沒pH傳感器，迅速地塞緊各個單孔膠塞，裝好傳感器。

（2）分別開通四個傳感器窗口，開啟儀器采集數(shù)據(jù)，采集反應(yīng)過程中氫氣、氧氣、溫度和pH的變化情況，采集數(shù)據(jù)，利用Origin軟件對數(shù)據(jù)進行繪圖。橫坐標選擇時間，采集氫氣濃度、氧氣濃度、溫度和pH。

（3）實驗結(jié)果及討論

實驗結(jié)果是氧氣減少速率較慢，無氫氣放出;即在中性條件下，吸氧腐蝕速率較慢，無氫氣放出，即發(fā)生吸氧腐蝕。

2. 酸性較弱條件下的析氫腐蝕和吸氧腐蝕

（1）將實驗1中的“2mol/L的氯化鈉溶液”換成“2mol/L醋酸溶液”，其他實驗操作步驟不變（實驗結(jié)果見圖1）。

（2）實驗結(jié)果及討論

酸性較弱的條件下，pH呈增大趨勢，但變化緩慢;溫度變化不明顯;氫氣的含量呈增加趨勢，但達到最大值時，氫氣的含量下降;氧氣的含量在整個過程中一直下降。

酸性較弱的條件下，析氫腐蝕和吸氧腐蝕共存，但以析氫腐蝕為主。隨著酸性的減弱，吸氧腐蝕逐漸增強，后期以吸氧腐蝕為主。

其中酸性較弱的條件下，氫氣的含量呈增加趨勢，但達到最大值時，氫氣的含量下降。因為

H2+2Fe3+2H++2Fe2+ Eθ=0.771-0=0.771>0，所以我們猜測氫氣有可能是被溶液中的鐵離子氧化。但后續(xù)的實驗我們還在繼續(xù)研究中。

3.? 酸性較強條件下的析氫腐蝕

（1）將實驗1中的“2mol/L的氯化鈉溶液”換成“2mol/L的鹽酸溶液”，其他實驗操作不變。

（2）實驗結(jié)果及討論

在酸性較強的條件下，反應(yīng)很劇烈，很快釋放出大量的氫氣，即發(fā)生析氫腐蝕。

三、 實驗小結(jié)

我們通過可視化的實驗儀器探究三種不同介質(zhì)中（強酸、弱酸、中性）鐵的析氫腐蝕和吸氧腐蝕。在以上的實驗中，利用傳感器（氧氣、氫氣、溫度和pH傳感器）便捷地、直觀地實時監(jiān)測實驗過程中氧氣、氫氣、溫度和pH的微弱變化。在較強酸性下主要發(fā)生析氫腐蝕;中性條件下只發(fā)生吸氧腐蝕;弱酸性條件下，析氫腐蝕和吸氧腐蝕同時發(fā)生。

參考文獻：

[1]呂琳，袁夢玥，張瑜，等.鐵的析氫腐蝕和吸氧腐蝕的實驗原理探查[J].化學(xué)教學(xué)，2015（10）：46-49.

[2]林建芬.析氫腐蝕和吸氧腐蝕實驗的最佳條件及臨界pH值的探究[J].實驗教學(xué)，2017（4）：63-66.

[3]孫慧玲，靳瑩，霍愛新.基于手持技術(shù)的金屬電化學(xué)腐蝕實驗改進[J].化學(xué)教學(xué)，2014（3）：52-54.

[4]林建芬，錢揚義.運用數(shù)字化手持技術(shù)對金屬電化學(xué)腐蝕探究實驗的改進[J].中學(xué)化學(xué)教學(xué)參考，2015（1-2）：51-52.

作者簡介：劉燕偉，吳紅艷，安徽省蚌埠市，蚌埠第一中學(xué)。