鐵粉吸氧腐蝕系列實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)及應(yīng)用

徐泓+朱敏+魏明貴

摘要：依據(jù)鐵的吸氧腐蝕原理，使用鐵粉、碳粉、食鹽水等試劑和常規(guī)玻璃儀器以及數(shù)字實(shí)驗(yàn)技術(shù)，開發(fā)了空氣中氧氣含量的測(cè)定、鐵氧化過程的能量變化、鐵粉的吸氧腐蝕、影響化學(xué)反應(yīng)速率因素等系列實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，并應(yīng)用于教學(xué)實(shí)踐，可充分發(fā)揮吸氧腐蝕的教育價(jià)值及其教學(xué)功能。

關(guān)鍵詞：鐵粉；吸氧腐蝕；系列設(shè)計(jì)；實(shí)驗(yàn)探究

文章編號(hào)：1005–6629（2015）4–0063–04 中圖分類號(hào)：G633.8 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

吸氧腐蝕是生活中最常見的金屬腐蝕形式，其存在一方面對(duì)生活中金屬資源（尤其是鐵）造成大量浪費(fèi)，在建筑、醫(yī)療等許多方面給人類帶來很多不利的影響；另一方面利用吸氧腐蝕原理研發(fā)的食品脫氧劑、暖寶寶等產(chǎn)品，又給人類生活帶來了安全和便捷。中學(xué)化學(xué)教學(xué)中有很多內(nèi)容涉及吸氧腐蝕，本文從正面、積極的視角，利用鐵的吸氧腐蝕開發(fā)出空氣中氧氣含量的測(cè)定、鐵氧化過程中的能量變化、鐵粉的吸氧腐蝕、影響化學(xué)反應(yīng)速率因素等幾個(gè)系列實(shí)驗(yàn)，通過教師在教學(xué)中的實(shí)踐應(yīng)用，充分發(fā)揮這一教學(xué)資源的教育價(jià)值和實(shí)驗(yàn)教學(xué)的功能。

1 空氣中氧氣含量的測(cè)定

利用紅磷燃燒測(cè)定空氣中氧氣含量的實(shí)驗(yàn)一直是我國(guó)初中化學(xué)教材中的經(jīng)典實(shí)驗(yàn)，但該實(shí)驗(yàn)在原理上由于當(dāng)紅磷在密閉容器中不再燃燒時(shí)，仍會(huì)有3.45%～7.6%的氧氣殘留[1，2]，即紅磷燃燒不能完全耗盡空氣中的氧氣；在操作上由于當(dāng)燃著的紅磷在伸入瓶中的一瞬間，瓶?jī)?nèi)空氣膨脹，會(huì)排出相當(dāng)一部分空氣，影響測(cè)量的科學(xué)性和準(zhǔn)確性[3]。而文獻(xiàn)顯示[4，5，6]：以還原鐵粉為主的脫氧劑，短時(shí)間內(nèi)可除去密閉容器中氧氣，使食品處于無氧狀態(tài)（O2濃度0.01%以下），說明鐵的吸氧腐蝕幾乎能耗盡密閉裝置中的氧氣。因此，可利用脫氧劑吸收氧氣的原理，即鐵的吸氧腐蝕設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)以測(cè)量空氣中氧氣含量。

1.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)及過程

連接裝置如圖1所示，檢驗(yàn)氣密性。實(shí)驗(yàn)時(shí)先將濾紙裁成長(zhǎng)方形，大小以剛好能附著在250mL廣口瓶?jī)?nèi)側(cè)一圈為宜，用膠頭滴管吸取約4mL 1 mol/L NaCl溶液使濾紙浸潤(rùn)并粘附在廣口瓶?jī)?nèi)側(cè)。燒杯中倒入與廣口瓶?jī)羧莘e相當(dāng)?shù)乃?，打開止水夾，用洗耳球使導(dǎo)管內(nèi)充滿水，并夾緊止水夾。稱取2.0g還原鐵粉、2.5g活性炭粉（本實(shí)驗(yàn)使用的是上海申鶴化學(xué)品有限公司生產(chǎn)的分析純還原鐵粉和啟東申鶴化學(xué)品有限公司生產(chǎn)的化學(xué)純活性炭，下同），并攪拌均勻。將廣口瓶橫放，一邊轉(zhuǎn)動(dòng)，一邊將鐵粉和碳粉混合物倒入廣口瓶?jī)?nèi)壁，盡可能使其較均勻地附著在廣口瓶?jī)?nèi)壁的濾紙上，并迅速塞緊瓶塞。約4分鐘后打開止水夾，會(huì)看到水迅速進(jìn)入廣口瓶，稍后可觀察到燒杯內(nèi)水的體積減少約1/5，可得出氧氣約占空氣體積的1/5。

1.2 實(shí)驗(yàn)優(yōu)點(diǎn)

（1）原理科學(xué)，利用鐵的吸氧腐蝕能幾乎耗盡體系中的氧氣的原理。

（2）裝置簡(jiǎn)單，與現(xiàn)行初中化學(xué)教材中紅磷燃燒實(shí)驗(yàn)裝置基本相似。

（3）原料易得，都為中學(xué)化學(xué)實(shí)驗(yàn)中常見藥品，且用量少。

1.3 應(yīng)用說明

本實(shí)驗(yàn)可應(yīng)用于初中化學(xué)“空氣中主要成分”相關(guān)內(nèi)容的教學(xué)中，可用于演示實(shí)驗(yàn)，也可用于學(xué)生課后探究（自制食品脫氧劑）。教學(xué)中可先通過食品脫氧劑創(chuàng)設(shè)教學(xué)情境，說明脫氧劑的主要成分和作用，以此開展實(shí)驗(yàn)教學(xué)引導(dǎo)學(xué)生得出空氣中氧氣含量的結(jié)論，最后用鐵的生銹簡(jiǎn)化其原理為[7]：4Fe+3O2=2Fe2O3，既不違背其科學(xué)性，也符合學(xué)生認(rèn)知水平。

2 鐵的氧化過程中的能量變化

能量觀是中學(xué)化學(xué)的核心觀念之一，通過放熱反應(yīng)和吸熱反應(yīng)說明化學(xué)反應(yīng)中伴隨能量變化是高中化學(xué)的必修內(nèi)容?，F(xiàn)行教材中的有關(guān)放熱反應(yīng)是利用金屬鎂或鋁與鹽酸反應(yīng)實(shí)驗(yàn)開展教學(xué)的，現(xiàn)象雖較明顯，但實(shí)驗(yàn)的趣味性不強(qiáng)。筆者利用還原鐵粉、碳粉組成的吸氧腐蝕系統(tǒng)設(shè)計(jì)如下實(shí)驗(yàn)。

2.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)及過程

稱取2.0g還原鐵粉、2.5g活性炭粉，攪拌均勻，用濾紙包好。滴入約1mL 1 mol/L NaCl溶液使濾紙包潤(rùn)濕，此時(shí)用手輕輕搓揉濾紙包，明顯感覺濾紙包發(fā)燙。用溫度計(jì)或溫度傳感器測(cè)量得到隨時(shí)間變化而溫度發(fā)生變化的曲線，如圖2（筆者實(shí)驗(yàn)時(shí)環(huán)境溫度即起始溫度為20.8℃）所示，最高溫度可接近70℃。

2.2 實(shí)驗(yàn)優(yōu)點(diǎn)

（1）操作簡(jiǎn)單，現(xiàn)象明顯，尤其是溫度變化給學(xué)生較強(qiáng)的沖擊力。

（2）數(shù)字化實(shí)驗(yàn)的應(yīng)用使實(shí)驗(yàn)從定性到半定量化。

（3）密切聯(lián)系生活，能說明暖寶寶的工作原理，引導(dǎo)學(xué)生選擇使用合格產(chǎn)品以防止使用過程中可能造成的燙傷。

2.3 應(yīng)用說明

本實(shí)驗(yàn)可應(yīng)用于高中化學(xué)必修2模塊中有關(guān)“化學(xué)反應(yīng)與能量變化”的教學(xué)，可用于演示實(shí)驗(yàn)，也可用于學(xué)生課后探究（自制“暖寶寶”）活動(dòng)。教學(xué)中可從生活中暖寶寶的使用引入，利用上述實(shí)驗(yàn)幫助學(xué)生感知放熱反應(yīng)及其應(yīng)用，同時(shí)通過溫度傳感器幫助學(xué)生初步認(rèn)識(shí)從定性到半定量的研究方法，加深對(duì)鐵與氧氣、水反應(yīng)過程中能量變化的認(rèn)識(shí)：2Fe（s）+3/2O2（g）+xH2O（l）=Fe2O3·xH2O（s），ΔH<0。其中圖2中A點(diǎn)是對(duì)濾紙包輕輕搓揉后，使結(jié)塊的混合物松散增大了反應(yīng)物接觸面積所致。若不斷搓揉濾紙包，曲線會(huì)更不規(guī)則，但能使反應(yīng)溫度上升更高。本實(shí)驗(yàn)還可滲透情感態(tài)度價(jià)值觀的教育。

3 鐵粉的吸氧腐蝕

吸氧腐蝕是學(xué)生學(xué)習(xí)過程中的一個(gè)難點(diǎn)，尤其是對(duì)在中性或弱酸性條件下，由鐵、碳組成的原電池的正極電極反應(yīng)難以理解，大多數(shù)學(xué)生常常認(rèn)為是H2O中H+參與得電子，即發(fā)生析氫腐蝕。為增強(qiáng)實(shí)驗(yàn)的直觀性，突出氧氣參與反應(yīng)這一特點(diǎn)，設(shè)計(jì)如下實(shí)驗(yàn)。

3.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)及過程

裝置如圖3所示，用膠頭滴管吸取約4mL 1 mol/L NaCl溶液使濾紙浸潤(rùn)并粘附在廣口瓶?jī)?nèi)側(cè)。稱取2.0g還原鐵粉、2.5g活性炭粉，攪拌均勻，倒入廣口瓶并迅速放入氧氣傳感器探頭并塞緊瓶塞，輕輕轉(zhuǎn)動(dòng)廣口瓶，使鐵粉和碳粉混合物盡可能均勻附著在廣口瓶?jī)?nèi)壁。同時(shí)開始采集氧氣含量數(shù)據(jù)，約3分鐘后瓶?jī)?nèi)氧氣含量降至0.5%以下，約5～6分鐘即可使瓶?jī)?nèi)氧氣含量降至0.1%，10分鐘左右降為零，隨時(shí)間變化氧氣含量變化如圖4中帶“▲”的曲線。

3.2 實(shí)驗(yàn)優(yōu)點(diǎn)

（1）現(xiàn)象直觀，便于學(xué)生認(rèn)識(shí)到氧氣在中性或弱酸性條件下均參與了正極反應(yīng)，即發(fā)生：O2+2H2O+4e-=4OH-。

（2）探究味更濃，有利于學(xué)生在實(shí)驗(yàn)中學(xué)會(huì)控制變量，如鐵粉和碳粉不變，僅改變電解質(zhì)溶液，探究不同條件下鐵的腐蝕。

（3）趣味性更強(qiáng)，讓學(xué)生感受數(shù)字實(shí)驗(yàn)帶來的便捷。圖4曲線顯示，無論是在中性介質(zhì)（NaCl溶液）中，還是弱酸性介質(zhì)（稀鹽酸或稀醋酸）中，裝置內(nèi)氧氣含量均減少，說明鐵均可以發(fā)生吸氧腐蝕。

3.3 應(yīng)用說明

本實(shí)驗(yàn)可應(yīng)用于高中化學(xué)選修4“化學(xué)反應(yīng)原理”模塊中有關(guān)“金屬的腐蝕”教學(xué)，可用于課堂演示或?qū)W生課后的探究活動(dòng)，如用1 mol/L鹽酸和50%醋酸溶液代替氯化鈉溶液同樣顯示氧氣含量下降（如圖4中分別帶“□”和“■”的曲線），且用壓強(qiáng)傳感器測(cè)出此時(shí)瓶?jī)?nèi)壓強(qiáng)減小，排除氧氣含量下降并非由于產(chǎn)生H2所致，說明在該酸性條件下鐵仍然以發(fā)生吸氧腐蝕為主。還可以繼續(xù)探究在Na2CO3溶液、NaHCO3溶液等其他電解質(zhì)溶液中是否會(huì)加快金屬的腐蝕？是否也會(huì)發(fā)生吸氧腐蝕？多大pH條件下主要發(fā)生析氫腐蝕。實(shí)驗(yàn)有助于幫助學(xué)生理解中性或弱酸性條件下金屬發(fā)生吸氧腐蝕這一教學(xué)難點(diǎn)，讓學(xué)生體會(huì)實(shí)驗(yàn)技術(shù)的進(jìn)步對(duì)于化學(xué)學(xué)科學(xué)習(xí)和發(fā)展的促進(jìn)作用。

4 影響化學(xué)反應(yīng)速率的因素

利用上述3.1實(shí)驗(yàn)中鐵的吸氧腐蝕實(shí)驗(yàn)還可進(jìn)一步探究影響化學(xué)反應(yīng)速率（鐵的腐蝕速率）的因素。

4.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)及過程

先完成上述3.1實(shí)驗(yàn)，得到如圖5中曲線①（橫坐標(biāo)為時(shí)間，縱坐標(biāo)為氧氣含量）。其他條件不變，將稱量并混合好的鐵粉、碳粉用濾紙包好，以減小其與瓶中空氣的接觸面積，用1 mol/L NaCl溶液浸潤(rùn)濾紙包再放入相同廣口瓶中，同時(shí)開始采集氧氣含量數(shù)據(jù)，得到如圖5中曲線②。

4.2 實(shí)驗(yàn)優(yōu)點(diǎn)

（1）圖示形式直觀，有助于學(xué)生感受到接觸面積和氧氣濃度等因素對(duì)鐵的腐蝕速率的影響，進(jìn)而形成相關(guān)認(rèn)知。

（2）有利于體現(xiàn)宏觀、符號(hào)、曲線等表征元素在本節(jié)內(nèi)容教學(xué)中的價(jià)值，加強(qiáng)學(xué)生對(duì)非連續(xù)文本的理解。

（3）有利于教師在教學(xué)中應(yīng)用POD（預(yù)測(cè)-觀察-解釋）教學(xué)策略，即先讓學(xué)生預(yù)測(cè)不同接觸面積時(shí)鐵發(fā)生吸氧腐蝕時(shí)氧氣含量的變化快慢，再通過數(shù)字實(shí)驗(yàn)觀察現(xiàn)象，最后解釋并形成結(jié)論，同時(shí)滲透控制變量的研究方法。

4.3 應(yīng)用說明

本實(shí)驗(yàn)可應(yīng)用于高中化學(xué)選修4“化學(xué)反應(yīng)原理”模塊中有關(guān)“化學(xué)反應(yīng)速率的影響因素”教學(xué)。首先讓學(xué)生預(yù)測(cè)在鐵粉和碳粉混合物以不同方式放入瓶?jī)?nèi)后，瓶中氧氣含量的變化曲線；再借助于數(shù)字化實(shí)驗(yàn)手段形成圖形并對(duì)比；最后進(jìn)行分析解釋，得出結(jié)論。同時(shí)，同一曲線的變化趨勢(shì)也體現(xiàn)了氧氣濃度對(duì)腐蝕速率的影響，即隨反應(yīng)時(shí)間的增長(zhǎng)，曲線越來越平緩，說明反應(yīng)速率越來越慢。

此外還可以通過上述實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)編制相應(yīng)探究性試題，以電化學(xué)、化學(xué)反應(yīng)速率、金屬性質(zhì)、化學(xué)反應(yīng)能量變化等知識(shí)為考查內(nèi)容，突出對(duì)學(xué)生實(shí)驗(yàn)?zāi)芰涂茖W(xué)探究能力的考查。已有很多老師編制出相關(guān)內(nèi)容的優(yōu)質(zhì)試題[8，9]，其中2014年安徽省高考理綜第28題在借鑒PISA試題編制理念的基礎(chǔ)上，以金屬的腐蝕為情境[10]，設(shè)計(jì)的科學(xué)探究題較為經(jīng)典。

參考文獻(xiàn)：

[1]章永軍.利用傳感器分析空氣中氧氣含量測(cè)定的誤差[J].化學(xué)教與學(xué)，2011，（7）：92～93.

[2]楊承印等.密閉容器中殘余氧含量測(cè)定的思考[J].化學(xué)世界，2010，（11）：652～655.

[3]朱華英，劉懷樂.空氣里氧氣含量的測(cè)定實(shí)驗(yàn)值得改進(jìn)[J].教學(xué)儀器與實(shí)驗(yàn)，2005，（7）：25.

[4]吳建文等.脫氧劑量的研究和應(yīng)用[J].食品科學(xué)，2002，（5）：148.

[5]賴軒.脫氧劑在食品保鮮中的作用機(jī)理、應(yīng)用與開發(fā)[J].廣東科技，2008，（5）：60.

[6]徐泓.利用“食品脫氧劑”測(cè)定空氣中氧氣含量的系列設(shè)計(jì)[J].化學(xué)教育，2010，（11）：71～72.

[7] Just Breathe： The Oxygen Content of Air [J]. Journal of Chemical Education，2001，（4）：512A～512B.

[8]譚宗俊，張莉.鋼鐵吸氧腐蝕速度的探究題[J].化學(xué)教學(xué)，2010，（9）：79～80.

[9]但世輝，李斌.一道關(guān)于“鐵的吸氧腐蝕”的原創(chuàng)題[J].化學(xué)教學(xué)，2012，（5）：61～63.

[10]夏建華. PISA科學(xué)評(píng)價(jià)對(duì)編制化學(xué)科學(xué)探究題的啟迪[J].化學(xué)教學(xué)，2014，（9）：67.