鐵片電鍍鋅實(shí)驗(yàn)的再探究

周萍 肖中榮

摘要：梳理已有的電鍍鋅實(shí)驗(yàn)的改進(jìn)方案，通過(guò)理論分析與實(shí)驗(yàn)探究，獲得較理想的實(shí)驗(yàn)條件：選擇ZnSO4-NH4Cl-CH3COONa電鍍液、溶液pH為6、電鍍電壓為0.76V、電極間的距離為5cm，電鍍可以得到銀白色、較致密的鍍鋅層。增加鋅鍍層的酸性腐蝕和中性腐蝕實(shí)驗(yàn)證明，鍍鋅層具有顯著減緩鐵腐蝕的作用。

關(guān)鍵詞：鐵片電鍍鋅; 電鍍液; 白鐵皮; 實(shí)驗(yàn)探究; 鐵腐蝕

文章編號(hào)：1005-6629（2021）08-0075-04

中圖分類(lèi)號(hào)：G633.8

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

1 引言

鍍鋅鐵皮俗稱(chēng)白鐵皮，是表面鍍覆鋅的白色低碳鋼薄板，具有不易生銹和耐腐蝕的優(yōu)點(diǎn)，鍍鋅鐵皮在生產(chǎn)、生活中的用途廣泛，用于制作各種容器等。

電鍍是應(yīng)用電解原理在某些金屬表面鍍上一薄層金屬或者合金的過(guò)程。電鍍實(shí)驗(yàn)可以讓學(xué)生理解電能向化學(xué)能的轉(zhuǎn)化、掌握電解原理和電解裝置、體驗(yàn)電鍍?cè)碓诠I(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用價(jià)值。人教版《化學(xué)反應(yīng)原理》安排了鐵上鍍銅的學(xué)生實(shí)驗(yàn)[1]，蘇教版《實(shí)驗(yàn)化學(xué)》安排了鐵上鍍鋅的學(xué)生實(shí)驗(yàn)[2]。鐵上鍍鋅實(shí)驗(yàn)具有如下教學(xué)價(jià)值：一是基于實(shí)驗(yàn)本體價(jià)值培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)操作能力。學(xué)生操作電鍍鋅實(shí)驗(yàn)需要選擇電極材料、配制電解液、組裝實(shí)驗(yàn)裝置、控制變量探究適切的實(shí)驗(yàn)條件等，電鍍鋅實(shí)驗(yàn)可以提高學(xué)生的操作與心智技能;二是基于學(xué)科認(rèn)知價(jià)值幫助學(xué)生深刻理解離子在溶液中的放電規(guī)律。很多學(xué)生對(duì)離子放電存在不少迷思概念，認(rèn)為金屬活動(dòng)性順序表中Zn位于H前，所以H+先于Zn2+放電。學(xué)生通過(guò)觀察電鍍鋅的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象后，理解影響離子放電的因素有很多（如pH、電壓、離子濃度等），控制實(shí)驗(yàn)條件可以使Zn2+先于H+放電;三是基于學(xué)科社會(huì)價(jià)值幫助學(xué)生理解電解原理及其在工業(yè)中的廣泛應(yīng)用。鐵上鍍鋅可以減緩鐵的腐蝕延長(zhǎng)白鐵皮的使用壽命。

為了達(dá)成上述教學(xué)功能，本文希望電鍍鋅實(shí)驗(yàn)的理想現(xiàn)象如下：鍍鋅層是銀白色（與生活中所用白鐵皮的顏色相近）的、致密的鍍鋅層具有減緩鐵腐蝕的作用。

2 文獻(xiàn)簡(jiǎn)要評(píng)述

2.1 蘇教版《實(shí)驗(yàn)化學(xué)》的實(shí)驗(yàn)方案求證

用50mL蒸餾水溶解3.5g ZnCl2、 12.5g KCl、 1.5g硼酸，調(diào)節(jié)pH為5～6，此時(shí)c（Zn2+）=0.51mol/L。以燒杯為電鍍槽、鋅片作陽(yáng)極、鐵釘作陰極，用6V直流電源電解。裝置如圖1所示[3]。

根據(jù)上述實(shí)驗(yàn)方案操作，5s后鐵釘表面即產(chǎn)生氣泡，搖動(dòng)鐵釘，疏松的鍍層鋅散落于溶液中。

教材提供的方案沒(méi)有得到理想的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，學(xué)生不明白鋅層為什么不能鍍?cè)阼F釘上，異常的現(xiàn)象削弱了實(shí)驗(yàn)的教學(xué)價(jià)值。

2.2 其他代表性實(shí)驗(yàn)方案求證

已有文獻(xiàn)[4，5]介紹常見(jiàn)電鍍液是不同濃度的ZnSO4·7H2O、 NH4Cl與CH3COONa的混合物，電鍍電壓設(shè)定在2～6V之間，電鍍時(shí)間控制在1～5min，有的方案還添加了表面活性劑改善鋅的吸附效果。由于實(shí)驗(yàn)材料、電壓、電流、電極間的距離均會(huì)影響電鍍效果，本文在求證和探究時(shí)均使用下列相同儀器、用品和實(shí)驗(yàn)操作。

儀器：高中學(xué)生電源（J04003-I），導(dǎo)線，電解槽，秒表，800目細(xì)砂紙，分析天平

用品：鋅片，鐵片，ZnSO4·7H2O，NH4Cl，CH3COONa，鹽酸，NaOH溶液，稀硫酸，鐵氰化鉀，飽和食鹽水，酚酞

平滑的金屬表面對(duì)可見(jiàn)光反射率較高，多于70%以上呈現(xiàn)銀白色光澤。若鍍件凹凸不平或電流控制不當(dāng)，鍍鋅層會(huì)顯黑色[6];電鍍選擇表面積較大的光滑鍍件和低電流，可以獲得銀白色鋅鍍層。本文將鐵釘改為1cm×5cm鐵片（電鍍時(shí)插入溶液部分為1cm×3.6cm）。鐵片處理：先用精細(xì)800目細(xì)砂紙反復(fù)打磨，保證表面光滑，再置于1mol/L熱NaOH溶液數(shù)分鐘，完全除去表面油污，用清水洗凈后放入6mol/L鹽酸，1min后取出用蒸餾水沖洗干凈，備用。選取鋅片為1.2cm×6cm（電鍍時(shí)插入溶液部分為1.2cm×4cm），兩電極間的距離為5cm。

根據(jù)林悅[7]的實(shí)驗(yàn)方案：稱(chēng)量4g ZnSO4·7H2O、 1g NH4Cl、 1g CH3COONa配制200mL電鍍液，此時(shí)c（Zn2+）=0.07mol/L、 c（NH+4）=0.078mol/L，c（Zn2+）∶c（NH+4）≈1∶1。選擇2V直流電源，接通電源測(cè)得電流為0.06A，陰極表面逐漸析出銀白色物質(zhì)，同時(shí)產(chǎn)生氣泡，慢慢增多，30s后表面開(kāi)始變灰黑，鋅層結(jié)構(gòu)粗糙。1min后停止電鍍，用蒸餾水清洗鍍件，表層灰黑色疏松的鋅層脫落，露出灰白色鍍層。

林悅[8]控制電壓為2V，電鍍初期觀察到鋅離子在鐵片表面得到電子慢慢析出，形成銀白色的鍍層。隨后有氣泡產(chǎn)生，說(shuō)明氫離子在陰極得電子產(chǎn)生氫氣，析出鋅層開(kāi)始變灰黑，散落，沒(méi)有得到理想的實(shí)驗(yàn)效果。

根據(jù)任躍紅[9]的實(shí)驗(yàn)方案：稱(chēng)量10g ZnSO4·7H2O、 46g NH4Cl、 6g CH3COONa配制成200mL溶液，此時(shí)c（Zn2+）=0.17mol/L，c（NH+4）=4.3mol/L，c（Zn2+）∶c（NH+4）≈1∶25。選擇2V直流電源，接通電源測(cè)得電流為0.40A，陰極表面逐漸出現(xiàn)銀白色，迅速產(chǎn)生氣泡并很快增多，20s后表面開(kāi)始變灰黑，晶粒粗糙，1min后停止電鍍。用蒸餾水沖洗鍍件，表層灰黑色疏松的鋅層脫落，露出銀白色光亮鍍層，吹干后稱(chēng)量、計(jì)算鍍層質(zhì)量約為0.002g。

任躍紅[10]提供的實(shí)驗(yàn)方案獲得實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象和文獻(xiàn)[11]基本相同，不能獲得致密的鍍鋅層。還發(fā)現(xiàn)此時(shí)若延長(zhǎng)電鍍時(shí)間或增大電鍍電壓均無(wú)法增加鍍層。

綜上所述，具有代表性的以上兩種實(shí)驗(yàn)方案[12，13]提供的電鍍鋅實(shí)驗(yàn)方案不理想，故也沒(méi)證明鍍鋅層能減緩鐵腐蝕的作用。

3 鐵片電鍍鋅實(shí)驗(yàn)再探究

本文以為，電鍍時(shí)若氫離子和鋅離子同時(shí)在陰極得電子，產(chǎn)生的氫氣不利于鋅原子在陰極做有序堆積，很難形成致密的銀白色鋅鍍層。故獲取理想實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的關(guān)鍵條件是要控制鋅離子在陰極慢慢析出而氫離子不析出?；诟咧袑W(xué)生認(rèn)知能力和高中實(shí)驗(yàn)條件，本文從電鍍電壓和c（Zn2+）兩方面進(jìn)行分析。

3.1 理論分析

3.1.1 電鍍電壓的控制方法

鋅的標(biāo)準(zhǔn)電極電勢(shì)Eθ為-0.736V，氫標(biāo)準(zhǔn)電極電勢(shì)Eθ為0.00V，在電流密度為1A/m2時(shí)，氫在鋅上面的析氫電勢(shì)是0.716V，高中實(shí)驗(yàn)室常用的酸性鍍液pH約在5～6左右，Zn2+的析出電壓：EZn2+/Zn=EθZn2+/Zn-（0.0592/2）lg1/c（Zn2+）=-0.736V-（0.0592/2）lg1/c（Zn2+），氫氣的析出電壓：EH+/H2=EθH+/H2-（0.0592/2）lg1/c（H+）2=0.00-（0.0592/2）lg1/c（H+）2，代入c（Zn2+）可計(jì)算EZn2+/Zn，代入c（H+）可計(jì)算EH+/H2。理論上可通過(guò)計(jì)算和控制電極電勢(shì)，當(dāng)鋅沉積的電極電勢(shì)大于析氫電極電勢(shì)時(shí)，析出鋅而氫氣不能析出，但實(shí)際電解的電流密度、c（Zn2+）、溶液pH等均會(huì)影響鋅和氫氣的析出電勢(shì)[14]。本文通過(guò)檢索文獻(xiàn)采取的電壓范圍，在實(shí)驗(yàn)中調(diào)節(jié)電壓，將電壓控制在金屬鋅緩慢析出但沒(méi)有氫氣析出，從而得到理想的電壓。

3.1.2 c（Zn2+）的控制方法

鋅位于第4周期第ⅡB族，可以與多種配體形成穩(wěn)定的配合物。NH3相對(duì)Cl-是較強(qiáng)的配體，鋅氨配離子[Zn（NH3）4]2+的累積穩(wěn)定常數(shù)約為1.2×109，因此溶液中c（Zn2+）很小，從而保證陰極慢慢析出鋅，鋅氨配離子在陰極還原過(guò)程為：[Zn（NH3）4]2+[Zn（NH3）2]2++2NH3，[Zn（NH3）2]2++2e-Zn+2NH3。工業(yè)電鍍鋅的電鍍液體系是ZnSO4-NH4Cl-CH3COONa：醋酸鈉與氯化銨發(fā)生雙水解生成氨，NH3和Zn2+生成[Zn（NH3）4]2+;醋酸鈉還可以調(diào)節(jié)溶液pH至弱酸性，防止pH過(guò)小析出氫氣影響鋅鍍層。多數(shù)文獻(xiàn)采取的電鍍液配方與工業(yè)電鍍鋅的配方相似，只是各組分的含量有所不同。本文通過(guò)文獻(xiàn)調(diào)研和實(shí)驗(yàn)求證，基于理想的實(shí)驗(yàn)效果和節(jié)省原料的角度，探究合理的原料配比。

3.2 實(shí)驗(yàn)探究

以下實(shí)驗(yàn)探究均在室溫下進(jìn)行，測(cè)得電鍍液的溫度為25℃，所用實(shí)驗(yàn)儀器、用品同前文。

3.2.1 探究合適的電鍍電壓

實(shí)驗(yàn)選用文獻(xiàn)[15]的配方，采用物理實(shí)驗(yàn)室無(wú)極調(diào)節(jié)電壓的學(xué)生電源。先將電壓調(diào)節(jié)至1.5V，測(cè)得兩電極間電阻大約為80歐姆;在電路中連接一個(gè)10歐姆的滑動(dòng)變阻器（先設(shè)定為0）;打開(kāi)電源，觀察陰極鍍件現(xiàn)象：鍍件逐漸變灰黑，產(chǎn)生大量氣泡，旋轉(zhuǎn)調(diào)節(jié)電壓的旋鈕將電壓調(diào)小，同時(shí)用滑動(dòng)變阻器微調(diào)電流，直至鍍件表面幾乎不產(chǎn)生氣泡。此時(shí)電鍍電壓為0.56V、電鍍電流為0.08A。

控制只析出金屬鋅不析出氫氣的電壓在0.56V左右。

3.2.2 探究合適的c（Zn2+）

c（Zn2+）是影響電鍍速率的重要因素，本文在低電壓下調(diào)整電鍍液配方，電鍍5min，分析鍍層效果與鍍件增重，結(jié)果如表1所示。

選用c（Zn2+）約為0.17mol/L的電鍍液，可得到較厚的銀白色鍍層。

3.2.3 探究合適的電鍍液配比

實(shí)驗(yàn)改變ZnSO4·7H2O和NH4Cl用量，探究合理的原料配比，結(jié)果如表2所示。

電鍍液配方c（Zn2+）∶c（NH+4）≈1∶4，相同的電鍍時(shí)間得到的鍍層增重基本一致，但氯化銨用量大大減少，經(jīng)濟(jì)性和環(huán)保性均增強(qiáng)。

4 結(jié)果與討論

通過(guò)正交實(shí)驗(yàn)得到較理想的實(shí)驗(yàn)方案：稱(chēng)量17.2g ZnSO4·7H2O、 12.8g NH4Cl、 10g CH3COONa配制成200mL溶液。此時(shí)c（Zn2+）=0.15mol/L，c（NH+4）=0.6mol/L，c（Zn2+）∶c（NH+4）≈1∶4，pH為6，溶液溫度約為25℃左右，電鍍電壓0.76V，接通電源后測(cè)得電流為0.06A。陰極表面慢慢析出銀白色物質(zhì)，幾乎無(wú)氣泡;延長(zhǎng)電解時(shí)間，鍍層增厚，有零星氣泡，5min后停止電鍍，取出表面略微發(fā)黑的電極，用蒸餾水沖洗，除去表面疏松層，露出銀白色光亮鍍層。吹干后稱(chēng)量、計(jì)算鍍層質(zhì)量為0.010g;重復(fù)實(shí)驗(yàn)的鍍層質(zhì)量為0.009g。

本文還發(fā)現(xiàn)，若在上述實(shí)驗(yàn)過(guò)程中加入洗潔精或硫脲，并沒(méi)有增加鍍鋅層厚度，這和文獻(xiàn)[16]的結(jié)論不同。

檢驗(yàn)鋅鍍層防腐蝕效果有以下兩種方法。

方法1：取兩支試管分別加入3mL 3mol/L的稀硫酸以及兩滴鐵氰化鉀溶液，將小片鍍鋅鐵皮和普通鐵片分別放入兩支試管，鍍鋅鐵皮與硫酸發(fā)生劇烈反應(yīng)并產(chǎn)生大量氣體，但溶液顏色沒(méi)有變化;普通鐵片與硫酸緩慢反應(yīng)產(chǎn)生少量氣泡，溶液中慢慢產(chǎn)生普魯士藍(lán)沉淀。

鍍鋅鐵皮中鋅為負(fù)極、鐵為正極，與酸反應(yīng)產(chǎn)生氫氣的速率比普通鐵皮與酸的反應(yīng)速率快，反應(yīng)初期沒(méi)有生成Fe2+，說(shuō)明在酸環(huán)境下鋅鍍層對(duì)鐵有顯著的保護(hù)作用。

方法2：向鍍鋅鐵皮和普通鐵片分別滴3滴飽和食鹽水和1滴酚酞，數(shù)分鐘后鍍鋅鐵皮表面溶液幾乎無(wú)色，普通鐵片表面溶液明顯變紅。久置空氣中，鍍了鋅的鐵皮部位依舊為銀白色，沒(méi)有鍍鋅的鐵皮部位生銹嚴(yán)重。

鍍鋅鐵皮置于空氣中，鋅為負(fù)極、鐵為正極，基本不發(fā)生吸氧腐蝕，說(shuō)明在自然狀態(tài)下鋅鍍層對(duì)鐵皮具有較好的防腐作用。

5 結(jié)語(yǔ)

電鍍鋅實(shí)驗(yàn)是高中階段的學(xué)生實(shí)驗(yàn)，本文基于文獻(xiàn)調(diào)研和實(shí)驗(yàn)求證，獲得了合適的電鍍鋅實(shí)驗(yàn)條件：稱(chēng)取17.2g ZnSO4·7H2O、 12.8g NH4Cl、 10g CH3COONa配制200mL溶液，溶液pH為6，溫度為25℃;控制電鍍電壓為0.76V、電極間的距離為5cm、鍍件鐵片1cm×5cm（電鍍時(shí)插入溶液部分為1cm×3.6cm），鍍層鋅片為1.2cm×6cm（電鍍插入溶液部分為1.2cm×4cm），電鍍5min得到0.010g左右的銀白色致密鋅鍍層，實(shí)驗(yàn)的重現(xiàn)性好。增加的鋅鍍層的酸性腐蝕和中性腐蝕實(shí)驗(yàn)證明，鍍鋅層具有顯著的減緩鐵腐蝕的作用。改進(jìn)的實(shí)驗(yàn)方案用料少、電鍍時(shí)間短、現(xiàn)象明顯，便于教師演示實(shí)驗(yàn)和學(xué)生分組實(shí)驗(yàn)，能充分體現(xiàn)電鍍鋅實(shí)驗(yàn)的多重教學(xué)功能。

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