陳榮靜+丁偉

摘要：通過實(shí)驗(yàn)探究發(fā)現(xiàn)，在酸性環(huán)境下鹽酸體積、鹽酸濃度、鐵炭質(zhì)量比、環(huán)境溫度和振蕩操作五個(gè)因素對(duì)鐵的電化學(xué)腐蝕實(shí)驗(yàn)均有影響。根據(jù)探究結(jié)果提出了實(shí)驗(yàn)方案，旨在為中學(xué)教師有效控制實(shí)驗(yàn)條件、成功進(jìn)行金屬的電化學(xué)腐蝕的實(shí)驗(yàn)教學(xué)以及幫助學(xué)生厘清析氫腐蝕和吸氧腐蝕的發(fā)生條件提供實(shí)用的信息。

關(guān)鍵詞：酸性環(huán)境：鐵的電化學(xué)腐蝕；吸氧腐蝕；析氫腐蝕；實(shí)驗(yàn)優(yōu)化

文章編號(hào)：1005–6629（2017）1–0057–05 中圖分類號(hào)：G633.8 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

1 研究背景

高中選修階段，金屬的電化學(xué)腐蝕的學(xué)習(xí)內(nèi)容包括析氫腐蝕和吸氧腐蝕兩種類型。人教版教材[1]用食鹽水中的鐵釘演示吸氧腐蝕，不過需要較長(zhǎng)時(shí)間才能觀察到明顯現(xiàn)象；蘇教版教材[2]則設(shè)計(jì)了鐵炭混合粉分別在中性（食鹽水）、酸性（稀醋酸）環(huán)境下發(fā)生腐蝕的實(shí)驗(yàn)。實(shí)際操作中，鐵炭粉在食鹽水中的倒吸現(xiàn)象快速而明顯，而在稀醋酸的酸性環(huán)境下往往較難觀察到析氫腐蝕的液注外排現(xiàn)象，反而出現(xiàn)速率較大的倒吸。顯然，這樣的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象與中學(xué)階段“金屬在較強(qiáng)酸性的環(huán)境下發(fā)生析氫腐蝕，在弱酸性、中性和堿性環(huán)境下發(fā)生吸氧腐蝕”的認(rèn)知不符，易造成學(xué)生的困惑。這一方面是由于教材所給的實(shí)驗(yàn)條件不明確，同時(shí)也反映出教師對(duì)金屬電化學(xué)腐蝕的認(rèn)識(shí)以及實(shí)驗(yàn)條件控制還不夠到位。

已有研究表明，兩種電化學(xué)腐蝕并非對(duì)立，而是共存、競(jìng)爭(zhēng)的關(guān)系[3]，有研究者借助傳感器證實(shí)，不論電解質(zhì)溶液的酸堿度如何，吸氧腐蝕都可能發(fā)生[4]。酸液中的電化學(xué)腐蝕過程大致如下，起初H+濃度高而溶解氧含量低，因此析氫腐蝕占主導(dǎo)，吸氧腐蝕相對(duì)較弱，體系內(nèi)部壓強(qiáng)增大；而隨著液膜酸度減弱和氧氣滲入，吸氧腐蝕逐漸增強(qiáng)、析氫腐蝕減弱，吸氧腐蝕后來居上，表現(xiàn)為內(nèi)部壓強(qiáng)減小。酸性環(huán)境下，我們觀察到的體系壓強(qiáng)變化常常是析氫腐蝕和吸氧腐蝕的總效果，故相對(duì)復(fù)雜[5]。本研究通過探究酸性環(huán)境下不同條件對(duì)鐵的電化學(xué)腐蝕的影響，進(jìn)而優(yōu)化實(shí)驗(yàn)方案，以期為中學(xué)教師的實(shí)驗(yàn)教學(xué)提供借鑒或參考。

2 實(shí)驗(yàn)部分

2.1 實(shí)驗(yàn)藥品與器材

藥品：還原鐵粉（AR）、活性炭粉（200目，AR）、鹽酸（AR）、蒸餾水、紅墨水

器材：容量瓶、量筒、燒杯、玻璃棒、分析天平、研缽、移液管、100mL錐形瓶、膠頭滴管、閥門、三孔塞、鐵架臺(tái)、U形管（15cm×0.8cm）、導(dǎo)管、橡膠管、秒表、刻度尺

部分藥品與器材的使用意圖見表1。

2.2 實(shí)驗(yàn)操作

（1）搭建實(shí)驗(yàn)裝置，如圖1所示；

（2）檢驗(yàn)裝置氣密性；

（3）按實(shí)驗(yàn)方案要求的量準(zhǔn)確稱取還原鐵粉、活性炭粉，充分研磨，然后小心倒入錐形瓶中；

（4）輕輕晃動(dòng)使其鋪平；

（5）用膠頭滴管吸入方案要求的濃度與體積的鹽酸，塞入三孔塞中，打開閥門連通大氣后關(guān)閉；

（6）擠壓膠頭，將酸一次性加入錐形瓶中，立即觀察U形管中指示液柱隨時(shí)間變化情況并記錄。

以酸液體積-酸液濃度-鐵炭質(zhì)量比-環(huán)境溫度-振蕩操作的順序進(jìn)行變量探究，在探究某一條件的影響時(shí)控制其他變量，記錄時(shí)間、液注高度以及錐形瓶?jī)?nèi)的反應(yīng)現(xiàn)象。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 酸液體積對(duì)反應(yīng)的影響

在20℃的環(huán)境溫度下，取5.0g還原鐵粉、0.5g活性炭粉，加入酸液后不振蕩。選取0.5mol/L的鹽酸溶液，設(shè)定不同體積，探究酸液體積對(duì)反應(yīng)的影響。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及現(xiàn)象如表2及圖2。

由表2、圖2可以看出，隨著酸量增加，指示液柱外排速率增大、時(shí)間延長(zhǎng)、現(xiàn)象明顯。為使加入的酸液與固體粉末充分接觸但又不浸沒固體而隔絕空氣，2.0mL的酸量較合適。此時(shí)固體粉末呈現(xiàn)濕潤(rùn)但不浸泡的狀態(tài)，體系中的固、液、氣物質(zhì)均能較好地接觸。

3.2 酸液濃度對(duì)反應(yīng)的影響

在20℃的環(huán)境溫度下，取5.0g還原鐵粉、0.5g活性炭粉，加入酸液后不振蕩。配制不同濃度的鹽酸以探究酸液濃度對(duì)反應(yīng)的影響，控制鹽酸體積為2.0mL。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及現(xiàn)象如表3及圖3所示。

由表3、圖3可以看出，當(dāng)鹽酸濃度小于0.01 mol/L時(shí)，析氫腐蝕和吸氧腐蝕的現(xiàn)象均不明顯。析氫腐蝕現(xiàn)象弱是因?yàn)榉磻?yīng)物H+濃度小，鹽酸溶液的酸度低也意味著離子濃度低，弱酸性條件下吸氧腐蝕現(xiàn)象也不明顯。隨著酸度的提高，指示液柱外排時(shí)間增長(zhǎng)，析氫腐蝕現(xiàn)象變得明顯。若鹽酸濃度高于3 mol/L，則在一定時(shí)間內(nèi)基本觀察不到液柱倒吸現(xiàn)象。這是由于強(qiáng)酸性溶液中溶解氧濃度很小[6]，吸氧腐蝕的發(fā)生受到阻礙?？偟膩碚f，鹽酸濃度在0.1～2 mol/L的范圍內(nèi)時(shí)，析氫腐蝕和吸氧腐蝕的現(xiàn)象均明顯。

3.3 鐵炭質(zhì)量比對(duì)反應(yīng)的影響

在20℃的環(huán)境溫度下，保證鐵炭總質(zhì)量為5.5g，配制不同質(zhì)量比例的鐵炭混合粉末。酸液為 2.0mL濃度為0.5 mol/L的鹽酸，不振蕩，探究鐵炭質(zhì)量比對(duì)反應(yīng)的影響。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及現(xiàn)象如表4、圖4所示。

由表4、圖4可以看出，等質(zhì)量的鐵炭混合物中炭粉比例增大時(shí)，外排速率沒有明顯變化，外排時(shí)間有縮短趨勢(shì)但并不明顯。這是因?yàn)樘糠墼谶@里作為原電池正極，不參與電極反應(yīng)。而隨著炭粉比例的增大，倒吸速率顯著增大，說明炭粉比例大對(duì)吸氧腐蝕有明顯幫助，這主要是因?yàn)榛钚蕴坑形叫裕孜窖鯕獾借F粉附近，還會(huì)吸附液體使液膜變薄，都利于鐵粉接觸氧氣。不過若要促進(jìn)固、液、氣三者的接觸，混合物的濕潤(rùn)程度須適中，因此8：1～12：1的鐵炭質(zhì)量比例較合適。

3.4 環(huán)境溫度對(duì)反應(yīng)的影響

藥品為5.0g還原鐵粉、0.5g活性炭粉和0.01 mol/L鹽酸2.0mL，加入酸液后不振蕩。設(shè)置不同的環(huán)境溫度，甚至利用水浴創(chuàng)設(shè)60℃的環(huán)境溫度，以探究不同溫度下反應(yīng)現(xiàn)象的區(qū)別。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及現(xiàn)象如表5、圖5所示。

由表5、圖5可以看出，隨著溫度升高，外排和倒吸的速率都明顯加快。對(duì)析氫腐蝕和吸氧腐蝕來說，升溫均加快了電極反應(yīng)速度；然而酸液中溶解氧濃度卻隨著溫度的升高而降低，會(huì)影響吸氧腐蝕發(fā)生。不過通過數(shù)據(jù)仍可發(fā)現(xiàn)，外排持續(xù)時(shí)間隨溫度升高呈增長(zhǎng)趨勢(shì)。

3.5 振蕩操作對(duì)反應(yīng)的影響

20℃溫度下，向5.0g鐵粉、0.5g活性炭的混合粉末中加入0.01 mol/L鹽酸2.0mL，前后實(shí)驗(yàn)的不同之處只在加入酸液后振蕩與否，以探究振蕩操作是否影響反應(yīng)現(xiàn)象。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及現(xiàn)象如表6所示。

固液混合時(shí)，我們常會(huì)振蕩促使混合均勻。操作中發(fā)現(xiàn)，振蕩確實(shí)使鐵炭粉與酸液接觸更充分，這對(duì)析氫腐蝕、吸氧腐蝕均有促進(jìn)作用。而振蕩也不免向混合物中帶入空氣而促使吸氧腐蝕的發(fā)生，因此振蕩操作會(huì)縮減指示液柱外排的時(shí)間。而若不振蕩，顯然酸液分布不會(huì)均勻。隨著酸液的慢慢流滲，原本沒反應(yīng)的固體開始反應(yīng)，導(dǎo)致輕微的現(xiàn)象反復(fù)，比如倒吸時(shí)出現(xiàn)一閃而過的外排現(xiàn)象。這在一定程度上影響了實(shí)驗(yàn)的穩(wěn)定性和連續(xù)性，但換個(gè)角度恰恰說明了析氫腐蝕、吸氧腐蝕可共存。

4 總結(jié)與建議

本研究探究了酸性環(huán)境下各條件對(duì)鐵的電化學(xué)腐蝕實(shí)驗(yàn)的影響，發(fā)現(xiàn)酸液體積、酸液濃度、鐵炭質(zhì)量比例、溫度和振蕩操作均會(huì)影響實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。不同的條件組合下，鐵的電化學(xué)腐蝕反應(yīng)的現(xiàn)象不同，因此教師可以參考本研究，根據(jù)課堂教學(xué)需要選擇合適的條件。而出于演示先以析氫腐蝕為主導(dǎo)、后以吸氧腐蝕為主導(dǎo)的完整實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，幫助學(xué)生深刻理解電化學(xué)腐蝕發(fā)生條件的考慮，本研究推薦如表7的實(shí)驗(yàn)方案。

參考文獻(xiàn)：

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