陳云

摘要： 依據(jù)鐵的吸氧腐蝕原理，運(yùn)用“一次性暖貼”、玻璃儀器以及手持技術(shù)改進(jìn)傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)。采用玻璃儀器探究鐵的吸氧腐蝕過(guò)程中的物質(zhì)轉(zhuǎn)化，進(jìn)一步利用氧氣傳感器和溫度傳感器對(duì)鐵氧化過(guò)程的能量變化、鐵的吸氧腐蝕的微觀原理、影響鐵的吸氧腐蝕速率因素等進(jìn)行實(shí)驗(yàn)探究，說(shuō)明鋼鐵的吸氧腐蝕是一個(gè)氧氣參與的放熱反應(yīng)。

關(guān)鍵詞： 吸氧腐蝕；氧氣傳感器；溫度傳感器；實(shí)驗(yàn)探究

文章編號(hào)： 1005-6629（2018）4-0059-03 中圖分類號(hào)： G633.8 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： B

1 問(wèn)題的提出

蘇教版《化學(xué)反應(yīng)原理》在金屬的電化學(xué)腐蝕中設(shè)計(jì)了這樣的活動(dòng)與探究： 向還原鐵粉中加入少量的炭粉，混合均勻后，撒入內(nèi)壁用氯化鈉溶液潤(rùn)濕過(guò)的具支試管中，按圖1組裝好儀器。幾分鐘后，打開(kāi)止水夾，觀察、比較導(dǎo)管中水柱（在水中滴加幾滴紅墨水）的變化和試管中的現(xiàn)象。

圖1 教材上鐵的腐蝕實(shí)驗(yàn)裝置

學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象進(jìn)行分析時(shí)可能存在以下困惑： 鋼鐵在潮濕空氣中容易生銹為什么是吸氧腐蝕過(guò)程，如何證明？鐵原子失電子，氧化產(chǎn)物是什么，如何證明？導(dǎo)管內(nèi)水柱上升只能說(shuō)明具支試管內(nèi)氣體減少，怎么證明是O2參加反應(yīng)呢？是否可以從定性和定量?jī)蓚€(gè)角度證明O2參與吸氧腐蝕過(guò)程？

化學(xué)解惑的重要途徑就是實(shí)驗(yàn)探究，利用玻璃儀器的傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)呈現(xiàn)物質(zhì)變化的宏觀現(xiàn)象，借助電子傳感器捕捉化學(xué)反應(yīng)過(guò)程中的細(xì)微變化，通過(guò)手持技術(shù)對(duì)鐵的吸氧腐蝕實(shí)驗(yàn)進(jìn)行改進(jìn)和補(bǔ)充，從而幫助學(xué)生正確理解吸氧腐蝕的概念，解決學(xué)生的疑惑問(wèn)題。

2 實(shí)驗(yàn)探究分析鐵的吸氧腐蝕原理

2.1 實(shí)驗(yàn)原理

不純的金屬與電解質(zhì)溶液接觸時(shí)，會(huì)發(fā)生原電池反應(yīng)，比較活潑的金屬失去電子被氧化，這種腐蝕叫做電化學(xué)腐蝕。當(dāng)在鋼鐵表面形成的電解質(zhì)溶液薄膜呈中性或酸性很弱，且溶有一定量的氧氣時(shí)發(fā)生吸氧腐蝕，反應(yīng)如下：

負(fù)極反應(yīng)： Fe-2e-Fe2+

正極反應(yīng)： 2H2O+O2+4e- 4OH-

電池總反應(yīng)： 2Fe+O2+2H2O2Fe（OH）2

后續(xù)進(jìn)一步反應(yīng)： 4Fe（OH）2+O2+2H2O4Fe（OH）3， 2Fe（OH）3Fe2O3·xH2O+（3-x）H2O

本實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)從兩個(gè)角度分析鐵的吸氧腐蝕實(shí)驗(yàn)原理：

（1） 為驗(yàn)證鐵的吸氧腐蝕是電化學(xué)過(guò)程，將鐵、碳從微觀粒子放大到鐵釘和碳棒，通過(guò)連接微電流計(jì)觀察指針偏轉(zhuǎn)情況說(shuō)明構(gòu)成原電池。向鐵釘處滴加K3[Fe（CN）6]溶液，向碳棒處滴加酚酞溶液，通過(guò)現(xiàn)象證明原電池正負(fù)極產(chǎn)物。

（2） 為驗(yàn)證鐵的吸氧腐蝕過(guò)程中氧氣的參與情況，設(shè)計(jì)利用氧氣傳感器在一個(gè)封閉環(huán)境中測(cè)定一次性暖貼發(fā)熱過(guò)程中氧氣濃度的變化。通過(guò)改變氧氣初始濃度利用溫度傳感器監(jiān)測(cè)溫度變化，探究氧氣初始濃度對(duì)鋼鐵吸氧腐蝕的影響。

2.2 實(shí)驗(yàn)藥品與儀器

實(shí)驗(yàn)儀器： 威尼爾數(shù)據(jù)采集器、氧氣傳感器、溫度傳感器、濾紙、帶魚(yú)嘴夾的導(dǎo)線、電流表、培養(yǎng)皿、雙口瓶、單孔塞、導(dǎo)管、剪刀、燒杯、玻璃棒、漏斗

實(shí)驗(yàn)藥品： 鐵釘、多孔碳棒、1mol/L Na2SO4溶液、6mol/L NaCl溶液、K3[Fe（CN）6]溶液、酚酞溶液、雙氧水、二氧化錳、一次性暖貼（鐵粉型、市售）

本實(shí)驗(yàn)采用威尼爾公司的數(shù)字采集器、數(shù)據(jù)采集軟件、氧氣傳感器以及溫度傳感器。

2.3 實(shí)驗(yàn)裝置

實(shí)驗(yàn)裝置見(jiàn)圖2。

圖2 改進(jìn)的鐵的電化學(xué)腐蝕實(shí)驗(yàn)裝置

2.4 實(shí)驗(yàn)過(guò)程

實(shí)驗(yàn)探究1：

將一片用6mol/L NaCl溶液濕潤(rùn)的濾紙條置于培養(yǎng)皿中，將帶有魚(yú)嘴夾的兩根導(dǎo)線分別夾鐵釘和碳棒，連接微電流計(jì)，將兩電極分別接觸濾紙條兩端，觀察、記錄實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。

實(shí)驗(yàn)探究2：

將鐵釘、碳棒置于用6mol/L NaCl溶液濕潤(rùn)的濾紙條上，連接電流計(jì)反應(yīng)一段時(shí)間之后，向鐵釘與濾紙接觸處滴加1滴K3[Fe（CN）6]溶液[1]，向碳棒與濾紙接觸處滴加1滴酚酞溶液，觀察、記錄實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象{提示： Fe2+的檢驗(yàn)： 加入K3[Fe（CN）6]溶液，產(chǎn)生特征藍(lán)色沉淀}。

實(shí)驗(yàn)探究3：

用USB數(shù)據(jù)線將計(jì)算機(jī)與數(shù)字采集器連接起來(lái)，將氧氣傳感器、溫度傳感器連接到數(shù)據(jù)采集器上。將濾紙卷成圓筒狀放入雙口瓶?jī)?nèi)，使筒口對(duì)準(zhǔn)插入溫度傳感器的瓶口，在雙口瓶的另一端接入氧氣傳感器。取一袋一次性暖貼，剪開(kāi)，將其中的固體粉末倒入燒杯內(nèi)，用玻璃棒迅速攪拌均勻，再沿漏斗從連接溫度傳感器的瓶口倒入正下方圓柱形濾紙槽內(nèi)，迅速插入溫度傳感器，點(diǎn)擊數(shù)據(jù)采集器。

數(shù)據(jù)圖像縱軸選擇O2濃度（%）（體積分?jǐn)?shù)）和溫度（℃），橫軸選擇時(shí)間（s），開(kāi)啟儀器采集數(shù)據(jù)，觀察氧氣濃度和溫度變化情況。

實(shí)驗(yàn)探究4：

向雙口瓶中通入氧氣，用氧氣傳感器監(jiān)測(cè)氧氣濃度變化。再重復(fù)操作，改變氧氣初始濃度，采集數(shù)據(jù)，觀察O2濃度和溫度隨時(shí)間變化情況。

2.5 結(jié)果與討論

（1） 實(shí)驗(yàn)探究1和實(shí)驗(yàn)探究2結(jié)果表明通過(guò)觀察到有電流通過(guò)微電流計(jì)指針偏轉(zhuǎn)，說(shuō)明構(gòu)成原電池，驗(yàn)證鋼鐵的吸氧腐蝕是一種電化學(xué)過(guò)程。鐵電極附近產(chǎn)生特征藍(lán)色沉淀說(shuō)明生成Fe2+，碳電極附近變成紅色說(shuō)明生成OH-，現(xiàn)象很好地將鋼鐵的吸氧腐蝕過(guò)程中的物質(zhì)轉(zhuǎn)化情況加以體現(xiàn)。

（2） 實(shí)驗(yàn)探究3結(jié)果如圖3，實(shí)驗(yàn)表明O2含量在300秒內(nèi)從最初的21%逐漸下降到14%，溫度從最初的34℃逐漸上升到47℃，說(shuō)明鐵的吸氧腐蝕是一個(gè)放熱的過(guò)程，雙口瓶?jī)?nèi)減少的氣體是O2，即氧氣參與鐵的腐蝕。實(shí)驗(yàn)探究4結(jié)果如圖4和圖5，實(shí)驗(yàn)表明氧氣初始濃度越高，溫度上升越快，吸氧腐蝕速率越快。

圖3 氧氣起始濃度為21%的放熱時(shí)間曲線

圖4 不同氧氣起始濃度隨時(shí)間變化的曲線

圖5 不同氧氣起始濃度時(shí)溫度隨時(shí)間變化的曲線

2.6 結(jié)論

本實(shí)驗(yàn)運(yùn)用“一次性暖貼”、玻璃儀器以及手持技術(shù)，通過(guò)在密閉容器內(nèi)氧氣的濃度隨著溫度的上升逐漸減小的變化曲線，并且O2初始濃度越高，溫度上升越快，鋼鐵吸氧腐蝕速率也更快，說(shuō)明鋼鐵的吸氧腐蝕中氧氣參與了反應(yīng)且是一個(gè)放熱的過(guò)程。

3 反思與啟示

鐵的吸氧腐蝕實(shí)驗(yàn)是氧化還原反應(yīng)原理在電化學(xué)中的應(yīng)用之一，如何將反應(yīng)的微觀變化盡可能通過(guò)技術(shù)手段呈現(xiàn)出來(lái)成為本實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的主要思想。與傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)相比較： 將鐵、碳從微觀顆粒放大到鐵釘和碳棒，宏觀展現(xiàn)其電化學(xué)原理，利用宏觀現(xiàn)象解釋微觀的物質(zhì)變化，有效地激發(fā)了學(xué)生思維。實(shí)驗(yàn)在培養(yǎng)皿中進(jìn)行，用濾紙作為載體，材料易得，操作簡(jiǎn)單，現(xiàn)象明顯，便于學(xué)生分組探究。手持技術(shù)的應(yīng)用使得一些原本不明顯的現(xiàn)象更加明顯和可測(cè)。將手持技術(shù)運(yùn)用于鋼鐵的吸氧腐蝕的定性和定量研究已經(jīng)有不少人做過(guò)，如何創(chuàng)新是最難的。在查閱資料過(guò)程中發(fā)現(xiàn)已經(jīng)做過(guò)的工作主要有以下幾種： 單傳感器監(jiān)測(cè)氧氣[2]或壓強(qiáng)變化；單傳感器監(jiān)測(cè)溶解氧變化[3]；雙傳感器監(jiān)測(cè)O2和壓強(qiáng)變化[4]等，但是實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)中都有一個(gè)共性，即運(yùn)用的藥品是實(shí)驗(yàn)室的鐵粉、碳粉和NaCl?；瘜W(xué)來(lái)源于生活，在學(xué)習(xí)的過(guò)程中，又向?qū)W生滲透了利用新技術(shù)、新方法。學(xué)習(xí)化學(xué)的主要目的是服務(wù)于工業(yè)與生活，并應(yīng)用于解決生活中的相關(guān)問(wèn)題。因此結(jié)合生活中的化學(xué)，本實(shí)驗(yàn)直接利用熟悉的“一次性暖貼”，對(duì)其包裝設(shè)計(jì)和藥品成分展開(kāi)討論研究。

實(shí)驗(yàn)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)有以下幾方面需要作進(jìn)一步思考：

（1） 學(xué)生探究實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)。在設(shè)計(jì)探究鋼鐵的吸氧腐蝕原理的實(shí)驗(yàn)時(shí)，發(fā)現(xiàn)構(gòu)成原電池的放電量很小，因此在選擇電流計(jì)時(shí)應(yīng)選擇微電流計(jì)。本實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)亞鐵離子時(shí)選用K3[Fe（CN）6]溶液，實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象較為明顯，但這種藥品學(xué)生并不熟悉，若使用熟悉的檢驗(yàn)方法應(yīng)怎樣改進(jìn)？

（2） 原電池實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)。在考慮O2參與反應(yīng)時(shí)，曾設(shè)計(jì)向正極多孔碳棒通入O2，但是效果較差，原因是多方面的，如飽和NaCl溶液中O2的溶解度較小、碳棒吸附O2的能力也很小等。后續(xù)工作如怎樣增大正極碳吸附O2的效果；選擇合適的NaCl溶液的濃度以增大O2的溶解度；溫度的影響，是否可以結(jié)合手持技術(shù)作進(jìn)一步的探究等，都是可以繼續(xù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)探究的方面[5]。

（3） 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)時(shí)，相關(guān)知識(shí)緊密聯(lián)系工業(yè)與生活。如： 鐵、碳混合物在水溶液中形成微電池，可以用來(lái)處理水中的污染物，是否可以從這個(gè)角度進(jìn)一步作實(shí)驗(yàn)探究。因此后續(xù)相關(guān)工作還有很多，需要不斷去探索。

參考文獻(xiàn)：

[1]鄭曉紅.幾則電化學(xué)實(shí)驗(yàn)的改進(jìn)與創(chuàng)新[J].化學(xué)教育， 2015，（3）： 69～72.

[2]徐泓，朱敏，魏明貴.鐵粉吸氧腐蝕系列實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)及應(yīng)用[J].化學(xué)教學(xué)， 2015，（4）： 63～66.

[3]江軍.基于原理解讀的鐵吸氧腐蝕實(shí)驗(yàn)再設(shè)計(jì)[J].化學(xué)教育， 2015，（15）： 56～59.

[4]江軍.利用數(shù)字化實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)探究鐵的吸氧腐蝕實(shí)驗(yàn)[J].化學(xué)教育， 2014，（7）： 55～58.

[5]徐衛(wèi)瑛，趙琦.微型氧濃差電池的制作與分析[J].化學(xué)教學(xué)， 2013，（12）： 51～52.