黃銅抗腐蝕性能的實(shí)驗(yàn)探究

蘇傳清 丁偉

摘要： 以揭示一道不合理試題為契機(jī)，設(shè)計(jì)不同濃度的鹽酸、硫酸、硝酸腐蝕黃銅的實(shí)驗(yàn)，探究黃銅的抗腐蝕性能。實(shí)驗(yàn)表明，在不同時(shí)刻，不同濃度的鹽酸、硫酸腐蝕黃銅均緩慢，實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象不明顯;硝酸濃度為2mol/L時(shí)，腐蝕黃銅較為緩慢，但硝酸腐蝕黃銅隨硝酸濃度的增大而加快，綜合可見(jiàn)黃銅抗腐蝕性能優(yōu)良。在此基礎(chǔ)上，通過(guò)黃銅相圖深入認(rèn)識(shí)黃銅結(jié)構(gòu)，可知隨著鋅含量的不同，黃銅在固態(tài)下有α、 β、 γ、 δ、 ε、 η六個(gè)相，各相的晶格與純金屬銅（除α相外）、鋅的晶格均不同，解釋了黃銅抗腐蝕性能優(yōu)良的原因。

關(guān)鍵詞： 黃銅; 抗腐蝕性; 實(shí)驗(yàn)探究

文章編號(hào)： 1005-6629（2019）11-0067-03? ? ? ? ? ? 中圖分類(lèi)號(hào)： G633.8? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： B

1? 問(wèn)題提出

金屬包括純金屬和合金。合金是指在金屬中加熱熔合某些金屬或非金屬進(jìn)而制得具備金屬特征的材料。中學(xué)化學(xué)教材中提到“合金的抗腐蝕性一般比組成它們的純金屬更好”，但在合金知識(shí)考查中，出現(xiàn)把“合金與酸反應(yīng)的速率等同其組成的純金屬與酸反應(yīng)的速率”的不合理試題，如“為了測(cè)定黃銅樣品（含銅和鋅）中銅的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，取10g黃銅加入到足量的稀硫酸中，使其充分反應(yīng)，產(chǎn)生氫氣0.1g。求該樣品中銅的質(zhì)量分?jǐn)?shù)”。實(shí)際上，用稀硫酸溶解黃銅存在科學(xué)性錯(cuò)誤。因此，本研究以該試題為契機(jī)，設(shè)計(jì)不同濃度的鹽酸、硫酸、硝酸腐蝕黃銅的實(shí)驗(yàn)，探究黃銅的抗腐蝕性能，同時(shí)證明上述試題的不合理性。基于實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，結(jié)合黃銅相圖，深入揭示黃銅結(jié)構(gòu)，解釋其抗腐蝕性能優(yōu)良的原因。

2? 黃銅抗腐蝕性能實(shí)驗(yàn)

2.1? 實(shí)驗(yàn)儀器與試劑

H62H表示黃銅，數(shù)字表示銅的質(zhì)量分?jǐn)?shù)。如H62表示含銅量約為62%，含鋅量約為38%的黃銅。黃銅片[1.5mm（厚度）×10mm（寬）×15mm（長(zhǎng)），1.90g/片，佛山市華儒銅業(yè)有限公司，生產(chǎn)許可證編號(hào)XK27-201-00108]、濃硫酸、濃鹽酸、濃硝酸、蒸餾水、試管、量筒、燒杯、玻璃棒、小氣球

2.2? 黃銅與不同濃度的鹽酸、硫酸、硝酸反應(yīng)探究

2.2.1? 實(shí)驗(yàn)步驟

（1） 在貼好標(biāo)簽的每支試管中分別放入一片H62黃銅;

（2） 向三組貼有標(biāo)簽的試管中，分別加入5mL不同的酸（酸的溫度均為室溫）;

（3） 加入酸后，迅速用小氣球套住試管口;

（4） 觀察并記錄不同時(shí)刻的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。

按照以上實(shí)驗(yàn)步驟，探究黃銅與三組不同濃度酸的反應(yīng)。三組不同濃度的酸為： ①濃鹽酸、濃硫酸、濃硝酸;②6mol/L鹽酸、3mol/L硫酸、6mol/L硝酸;③2mol/L鹽酸、1mol/L硫酸、2mol/L硝酸。

2.2.2? 實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象

實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象如表1、表2所示。

表1? 黃銅與濃酸反應(yīng)現(xiàn)象記錄表實(shí)驗(yàn)需要在通風(fēng)櫥中進(jìn)行，剛開(kāi)始濃硝酸與黃銅反應(yīng)劇烈，并且產(chǎn)生大量NO2，需要及時(shí)更換氣球，同時(shí)配備好NaOH溶液及時(shí)處理NO2氣體，減少環(huán)境污染;濃鹽酸具有揮發(fā)性。

0～5min15min1h2h

濃鹽酸無(wú)氣泡產(chǎn)生黃銅片表面出現(xiàn)少量小氣泡，但反應(yīng)緩慢黃銅片表面氣泡增多，溶液中出現(xiàn)淡黃色黃銅片表面氣泡增多且變大，溶液為淡黃色暫未找到黃銅與濃鹽酸反應(yīng)一定時(shí)間出現(xiàn)淡黃色的合理解釋?zhuān)枰罄m(xù)深入探究。

續(xù)? 表

0～5min15min1h2h

濃硫酸無(wú)氣泡產(chǎn)生

濃硝酸反應(yīng)物接觸后迅速反應(yīng)，產(chǎn)生紅棕色氣體（淺→深），反應(yīng)劇烈，溶液顏色變化為無(wú)色→亮綠色→墨綠色，氣球開(kāi)始膨脹溶液為深藍(lán)色，持續(xù)產(chǎn)生氣泡，紅棕色氣體明顯，氣球完全鼓起來(lái)溶液為深藍(lán)色，反應(yīng)溫和溶液為深藍(lán)色，反應(yīng)緩慢，仍有黃銅片殘余

表2? 黃銅與稀酸反應(yīng)現(xiàn)象記錄表

0～1h1h2h

6mol/L鹽酸無(wú)氣泡產(chǎn)生

3mol/L硫酸無(wú)氣泡產(chǎn)生黃銅表面出現(xiàn)少量小氣泡但不明顯，反應(yīng)緩慢黃銅表面小氣泡數(shù)量增加不明顯，反應(yīng)緩慢

6mol/L硝酸2min時(shí)出現(xiàn)較多氣泡，反應(yīng)迅速進(jìn)行，4min時(shí)溶液變?yōu)榈{(lán)色，此時(shí)紅棕色氣體不明顯，但在10min時(shí)出現(xiàn)明顯的紅棕色氣體，顏色逐漸加深。氣球慢慢鼓起來(lái)，在20min時(shí)氣球完全鼓立起來(lái)溶液為藍(lán)色，反應(yīng)持續(xù)進(jìn)行，但不劇烈，試管中紅棕色氣體不明顯溶液為藍(lán)色，反應(yīng)持續(xù)進(jìn)行，反應(yīng)較為緩慢，試管中紅棕色氣體不明顯

2mol/L鹽酸無(wú)氣泡產(chǎn)生

1mol/L硫酸無(wú)氣泡產(chǎn)生

2mol/L硝酸黃銅表面出現(xiàn)少量小氣泡，隨著反應(yīng)進(jìn)行，氣泡數(shù)量緩慢增加，反應(yīng)較為緩慢，在1h可以觀察到溶液出現(xiàn)淡藍(lán)色但不明顯

在黃銅與不同濃度酸的反應(yīng)中，可見(jiàn)不同濃度的硫酸、鹽酸與黃銅反應(yīng)緩慢，反應(yīng)現(xiàn)象不明顯，因此不能用硫酸、鹽酸溶解黃銅;硝酸與黃銅反應(yīng)，其反應(yīng)速率隨硝酸濃度增大而加快。銅-鋅合金系稱(chēng)為黃銅，黃銅中主要含有銅和鋅金屬，從金屬活動(dòng)性順序表看，鋅與硫酸、鹽酸反應(yīng)較快，故有人推斷黃銅也能與硫酸、鹽酸反應(yīng)較快;從鋅-銅原電池的角度來(lái)看，有人推斷黃銅和硫酸、鹽酸的化學(xué)反應(yīng)速率應(yīng)比純鋅和稀鹽酸、硫酸反應(yīng)的速率快。但實(shí)際上，黃銅和鹽酸、稀硫酸反應(yīng)極其緩慢。因此，需要深入思考黃銅與硝酸、硫酸、鹽酸反應(yīng)速率不同的原因，即需要深入了解黃銅的結(jié)構(gòu)（見(jiàn)表3）。

3? 黃銅的結(jié)構(gòu)

黃銅根據(jù)加入合金元素的種類(lèi)分為普通黃銅和復(fù)雜黃銅兩類(lèi)。普通黃銅是指銅-鋅二元合金，但實(shí)際生產(chǎn)工藝上很難保證普通黃銅只含銅、鋅兩種金屬，也可能會(huì)含有極少量的雜質(zhì)，如本研究所使用的H62型號(hào)的黃銅屬于普通黃銅，其化學(xué)

表3? 普通黃銅的相結(jié)構(gòu)[5]

名稱(chēng)電子化合物

分子式價(jià)電子數(shù)/原子數(shù)晶格類(lèi)型

α——面心立方

βCuZn3/2體心立方

γCu5Zn821/13復(fù)雜立方

εCuZn37/4密集立方

η——密集立方

成分為銅（60.8%～62%）、鋅（37.5%～38.7%）、雜質(zhì)（鐵、鉛）≤0.5%，這是難以控制的范圍，但可忽略不計(jì)其雜質(zhì)的影響。

二元CuZn相圖[1]（見(jiàn)圖1）非常復(fù)雜，總共由5個(gè)包晶反應(yīng)，一個(gè)共析反應(yīng)加一個(gè)有序無(wú)序轉(zhuǎn)變構(gòu)成。隨著鋅含量的不同，在固態(tài)下有α、 β、 γ、 δ、 ε、 η六個(gè)相[2]。通常，把成分位于α相區(qū)的合金稱(chēng)α黃銅，位于α+β相區(qū)的稱(chēng)α+β黃銅，位于β相區(qū)稱(chēng)β黃銅。α相為鋅在銅中的固熔體。含鋅量愈高，冷卻速度愈大，α相沿β相慣

圖1? CuZn相圖

習(xí)面成片狀或針狀的析出形態(tài)愈顯著，α相不易受浸蝕，明場(chǎng)下多呈亮白色。β相是以電子化合物CuZn為基的固溶體，因含鋅量較高易受浸蝕而在明場(chǎng)下顏色較深。γ相是以電子化合物Cu5Zn8為基的固溶體，性硬而脆[3]。

由于銅的晶格類(lèi)型為面心立方，鋅的晶格類(lèi)型為六方[4]，與黃銅不同相的晶格類(lèi)型比較，可發(fā)現(xiàn)黃銅合金與鋅的晶格不同，并隨著黃銅中鋅的含量增加，黃銅的相結(jié)構(gòu)向β、 γ、 δ、 η相轉(zhuǎn)移，同

時(shí)與銅、鋅的晶格不同，因此與銅、鋅純金屬的結(jié)構(gòu)不同，表現(xiàn)出了不同的物理性能。一般來(lái)講，普通黃銅中的鋅含量越高，強(qiáng)度也越高，但是塑性會(huì)降低[6]。CuZn合金具有極好的耐蝕性，且隨著銅含量的增加，耐蝕性能會(huì)顯著提高[7]。

綜上所述，基于黃銅相圖，可知黃銅的結(jié)構(gòu)異于銅、鋅結(jié)構(gòu)，使黃銅與硫酸、鹽酸的反應(yīng)較為緩慢，但可使用硝酸、硝酸-鹽酸混合酸、鹽酸-過(guò)氧化氫3種代表性溶解酸體系溶解黃銅，其中硝酸最常用。稀硝酸和過(guò)氧化氫（酸性條件）的標(biāo)準(zhǔn)電極電勢(shì)分別為+0.957V、 +1.776V[8]。電極電勢(shì)越正，表明電極反應(yīng)中氧化性物質(zhì)越容易奪得電子轉(zhuǎn)變?yōu)橄鄳?yīng)的還原態(tài)，即電極電勢(shì)越正，氧化性越強(qiáng)。因此，黃銅溶解需要使用氧化性更強(qiáng)的物質(zhì)。據(jù)研究顯示，在40℃，使用1.0%硫酸溶液腐蝕黃銅7天所求得的腐蝕速率為1.657mg/cm2·d[9]，這就再次否定了試題中使用稀硫酸進(jìn)行溶解黃銅進(jìn)而分析銅、鋅的質(zhì)量分?jǐn)?shù)的方法。因?yàn)橄×蛩崤c黃銅反應(yīng)極其緩慢，在實(shí)際應(yīng)用中需要考慮時(shí)間成本等因素，一般不會(huì)采用稀硫酸溶解黃銅。

4? 結(jié)語(yǔ)

本研究從一道缺乏科學(xué)性的試題“用稀硫酸溶解黃銅測(cè)定銅、鋅的質(zhì)量分?jǐn)?shù)”出發(fā)，探究黃銅與不同濃度的硫酸、鹽酸、硝酸反應(yīng)的抗腐蝕性能，并利用黃銅相圖揭示黃銅的結(jié)構(gòu)，深入認(rèn)識(shí)其抗腐蝕性能優(yōu)良的原因。本研究希望能引發(fā)化學(xué)教師利用大學(xué)化學(xué)相圖知識(shí)加深對(duì)合金的認(rèn)識(shí)，明確合金與其純金屬的物理化學(xué)性質(zhì)的不同是由于合金結(jié)構(gòu)所引起的，不能簡(jiǎn)單地認(rèn)為合金是金屬與另一些金屬或非金屬的簡(jiǎn)單混合。

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