酸性環(huán)境下鐵的電化學腐蝕實驗的研究

陳榮靜+丁偉

摘要：通過實驗探究發(fā)現(xiàn)，在酸性環(huán)境下鹽酸體積、鹽酸濃度、鐵炭質量比、環(huán)境溫度和振蕩操作五個因素對鐵的電化學腐蝕實驗均有影響。根據探究結果提出了實驗方案，旨在為中學教師有效控制實驗條件、成功進行金屬的電化學腐蝕的實驗教學以及幫助學生厘清析氫腐蝕和吸氧腐蝕的發(fā)生條件提供實用的信息。

關鍵詞：酸性環(huán)境：鐵的電化學腐蝕；吸氧腐蝕；析氫腐蝕；實驗優(yōu)化

文章編號：1005–6629（2017）1–0057–05 中圖分類號：G633.8 文獻標識碼：B

1 研究背景

高中選修階段，金屬的電化學腐蝕的學習內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，不過需要較長時間才能觀察到明顯現(xiàn)象；蘇教版教材[2]則設計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)生腐蝕的實驗。實際操作中，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，這樣的實驗現(xiàn)象與中學階段“金屬在較強酸性的環(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”的認知不符，易造成學生的困惑。這一方面是由于教材所給的實驗條件不明確，同時也反映出教師對金屬電化學腐蝕的認識以及實驗條件控制還不夠到位。

已有研究表明，兩種電化學腐蝕并非對立，而是共存、競爭的關系[3]，有研究者借助傳感器證實，不論電解質溶液的酸堿度如何，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，吸氧腐蝕相對較弱，體系內部壓強增大；而隨著液膜酸度減弱和氧氣滲入，吸氧腐蝕逐漸增強、析氫腐蝕減弱，吸氧腐蝕后來居上，表現(xiàn)為內部壓強減小。酸性環(huán)境下，我們觀察到的體系壓強變化常常是析氫腐蝕和吸氧腐蝕的總效果，故相對復雜[5]。本研究通過探究酸性環(huán)境下不同條件對鐵的電化學腐蝕的影響，進而優(yōu)化實驗方案，以期為中學教師的實驗教學提供借鑒或參考。

2 實驗部分

2.1 實驗藥品與器材

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、U形管（15cm×0.8cm）、導管、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 實驗操作

（1）搭建實驗裝置，如圖1所示；

（2）檢驗裝置氣密性；

（3）按實驗方案要求的量準確稱取還原鐵粉、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間變化情況并記錄。

以酸液體積-酸液濃度-鐵炭質量比-環(huán)境溫度-振蕩操作的順序進行變量探究，在探究某一條件的影響時控制其他變量，記錄時間、液注高度以及錐形瓶內的反應現(xiàn)象。

3 實驗結果與分析

3.1 酸液體積對反應的影響

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，設定不同體積，探究酸液體積對反應的影響。實驗數據及現(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、時間延長、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。此時固體粉末呈現(xiàn)濕潤但不浸泡的狀態(tài)，體系中的固、液、氣物質均能較好地接觸。

3.2 酸液濃度對反應的影響

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反應的影響，控制鹽酸體積為2.0mL。實驗數據及現(xiàn)象如表3及圖3所示。

由表3、圖3可以看出，當鹽酸濃度小于0.01 mol/L時，析氫腐蝕和吸氧腐蝕的現(xiàn)象均不明顯。析氫腐蝕現(xiàn)象弱是因為反應物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，指示液柱外排時間增長，析氫腐蝕現(xiàn)象變得明顯。若鹽酸濃度高于3 mol/L，則在一定時間內基本觀察不到液柱倒吸現(xiàn)象。這是由于強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的范圍內時，析氫腐蝕和吸氧腐蝕的現(xiàn)象均明顯。

3.3 鐵炭質量比對反應的影響

在20℃的環(huán)境溫度下，保證鐵炭總質量為5.5g，配制不同質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，探究鐵炭質量比對反應的影響。實驗數據及現(xiàn)象如表4、圖4所示。

由表4、圖4可以看出，等質量的鐵炭混合物中炭粉比例增大時，外排速率沒有明顯變化，外排時間有縮短趨勢但并不明顯。這是因為炭粉在這里作為原電池正極，不參與電極反應。而隨著炭粉比例的增大，倒吸速率顯著增大，說明炭粉比例大對吸氧腐蝕有明顯幫助，這主要是因為活性炭有吸附性，易吸附氧氣到鐵粉附近，還會吸附液體使液膜變薄，都利于鐵粉接觸氧氣。不過若要促進固、液、氣三者的接觸，混合物的濕潤程度須適中，因此8：1～12：1的鐵炭質量比例較合適。

3.4 環(huán)境溫度對反應的影響

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。設置不同的環(huán)境溫度，甚至利用水浴創(chuàng)設60℃的環(huán)境溫度，以探究不同溫度下反應現(xiàn)象的區(qū)別。實驗數據及現(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。對析氫腐蝕和吸氧腐蝕來說，升溫均加快了電極反應速度；然而酸液中溶解氧濃度卻隨著溫度的升高而降低，會影響吸氧腐蝕發(fā)生。不過通過數據仍可發(fā)現(xiàn)，外排持續(xù)時間隨溫度升高呈增長趨勢。

3.5 振蕩操作對反應的影響

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，前后實驗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現(xiàn)象。實驗數據及現(xiàn)象如表6所示。

固液混合時，我們常會振蕩促使混合均勻。操作中發(fā)現(xiàn)，振蕩確實使鐵炭粉與酸液接觸更充分，這對析氫腐蝕、吸氧腐蝕均有促進作用。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，因此振蕩操作會縮減指示液柱外排的時間。而若不振蕩，顯然酸液分布不會均勻。隨著酸液的慢慢流滲，原本沒反應的固體開始反應，導致輕微的現(xiàn)象反復，比如倒吸時出現(xiàn)一閃而過的外排現(xiàn)象。這在一定程度上影響了實驗的穩(wěn)定性和連續(xù)性，但換個角度恰恰說明了析氫腐蝕、吸氧腐蝕可共存。

4 總結與建議

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

參考文獻：

[1]宋心琦主編.普通高中課程標準實驗教科書·化學反應原理（選修4）[M].北京：人民教育出版社，2007：84～85.

[2]王祖浩主編.普通高中課程標準實驗教科書·化學反應原理（選修4）[M].南京：江蘇教育出版社，2009：23～25.

[3]談小強.關于鋼鐵腐蝕的理論探討和實驗分析[J].化學教學，2012，（5）：47～48.

[4]孫慧玲，靳瑩，霍愛新.基于手持技術的金屬電化學腐蝕實驗改進[J].化學教學，2014，（3）：52～54.

[5]呂琳，袁夢玥，張瑜，吳星.鐵的析氫腐蝕和吸氧腐蝕的實驗原理探查[J].化學教學，2015，（10）：46～49.

[6]徐紹齡，段維恒，劉時杰，鄭雪君，佘國華.空氣氧化水溶液中亞鐵離子的研究——1.溶液pH對氧化速率的影響及鐵的水解產物破壞水合亞鐵離子“遮蔽效應”的催化機理[J].云南大學學報（自然科學版），1986，（2）：191～197.