金屬的腐蝕與防護(hù)系列實驗改進(jìn)

李夢倩 謝美珊 王懷文 郭煒杰 李林燊

摘要：2019年版人教版選擇性必修1“金屬的腐蝕與防護(hù)”章節(jié)新增了犧牲陽極法實驗，為提升該實驗的教學(xué)功能，將其改進(jìn)為“金屬的腐蝕與防護(hù)”系列微型實驗，探究不同條件下鐵的電化學(xué)腐蝕速率大小關(guān)系。改進(jìn)后的實驗不僅保留了教材實驗趣味性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，還補(bǔ)充了外加電流法的實驗，操作簡單，裝置微型化，現(xiàn)象明顯，大大縮短了實驗所需的時間，便于設(shè)計為學(xué)生分組實驗。

關(guān)鍵詞：金屬的防護(hù)與腐蝕；實驗改進(jìn)；犧牲陽極法；外加電流法

文章編號：1008-0546（2023）12-0091-04 中圖分類號：G632.41 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B

doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2023.12.0020

一、問題的提出

《普通高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版2020年修訂）》明確提出，“能利用電化學(xué)原理解釋金屬腐蝕現(xiàn)象，選擇并設(shè)計防腐措施”的學(xué)業(yè)要求，［1］因此在2019年版人教版選擇性必修1的教材中，在“金屬的腐蝕與防護(hù)”章節(jié)中新增了一個犧牲陽極法的趣味實驗，使得金屬的腐蝕過程更加可視化，即在培養(yǎng)皿中倒入食鹽瓊脂溶液，滴入5～6滴酚酞溶液和 K3［Fe（CN）6］溶液，將裹有鋅皮和纏有銅絲的鐵釘分別放入培養(yǎng)皿中，如圖1所示，一段時間后，（a）中的鐵釘附近瓊脂出現(xiàn)紅色，鋅皮附近無明顯現(xiàn)象，（b）中的鐵釘附近瓊脂出現(xiàn)藍(lán)色，銅絲附近瓊脂出現(xiàn)紅色。

按照教材指引完成實驗后，發(fā)現(xiàn)以下兩點(diǎn)有待改進(jìn)：

1.產(chǎn)生實驗現(xiàn)象較慢

教材中未對K3［Fe（CN）6］的濃度進(jìn)行說明，若選擇飽和的K3［Fe（CN）6］溶液，按照教材指引完成實驗時，發(fā)現(xiàn)出現(xiàn)教材實驗拍攝圖的現(xiàn)象大概需要4 h，不適合在課堂上開展學(xué)生分組實驗，且實驗使用的是直徑10 cm 的培養(yǎng)皿，若開展分組學(xué)生實驗，實驗藥品消耗量較大。

2. Fe2+可能會與K3［Fe（CN）6］反應(yīng)

若按照教材的指引配制食鹽瓊脂，即使是使用6滴飽和的 K3［Fe（CN）6］溶液，也需要較長的時間才能明顯看到瓊脂呈藍(lán)色。但是若選擇滴加更多的 K3［Fe（CN）6］溶液，又會加速 K3［Fe（CN）6］與鐵的反應(yīng)，K3［Fe（CN）6］會將鐵氧化成 Fe2+，［2］而 Fe2+會與 K3［Fe（CN）6］繼續(xù)反應(yīng)生成藍(lán)色的沉淀，對負(fù)極產(chǎn)物Fe2+的檢驗造成干擾。

二、文獻(xiàn)追蹤

對比新舊教材的實驗，可以發(fā)現(xiàn)新教材新增的“犧牲陽極法實驗”進(jìn)步之處可概括為以下三點(diǎn)：第一，補(bǔ)充了鐵與較不活潑金屬構(gòu)成原電池時，鐵充當(dāng)負(fù)極被腐蝕的實驗；第二，采用鐵釘、鋅皮、銅絲，裝置簡單，現(xiàn)象美觀，有一定的趣味性；第三，將 NaCl、酚酞、K3［Fe（CN）6］與瓊脂混合，減小了Fe2+的擴(kuò)散程度，縮短了藍(lán)色沉淀產(chǎn)生的時間。

以“金屬的防護(hù)與腐蝕”“實驗改進(jìn)”“犧牲陽極法”等為關(guān)鍵詞，在知網(wǎng)上搜索到相關(guān)文獻(xiàn)有22篇。由于該實驗是新教材新增的實驗，而大部分文獻(xiàn)研究的是舊教材中已有的吸氧腐蝕（鐵與碳粉混合）實驗，以及鋅片與鐵片構(gòu)成原電池的實驗，只有少數(shù)文獻(xiàn)有一定的參考價值。

比如，鄭曉紅的實驗中，［3］設(shè)置了空白鐵釘組作為鋅鐵原電池組的對照，如圖2所示，在酸化的飽和NaCl溶液中，1 min 內(nèi)鐵片腐蝕便會使滴有K3［Fe（CN）6］溶液的濾紙呈現(xiàn)藍(lán)色，而在鋅片的保護(hù)下，鐵片上的濾紙無藍(lán)色出現(xiàn)。該實驗中濾紙的使用能使 Fe2+更為集中，現(xiàn)象更明顯。由于在溶液中進(jìn)行實驗，F(xiàn)e2+的擴(kuò)散會使得藍(lán)色不明顯或出現(xiàn)得較慢，于是，也有較多的文獻(xiàn)采用了U型管、小套管等措施來減慢Fe2+的擴(kuò)散，但都出現(xiàn)了K3［Fe（CN）6］與鐵電極直接接觸的問題。清華附中的朱式玉的實驗中除了使用鐵與鋅兩種金屬作電極，［4］還增設(shè)了鐵與銅兩種金屬的對比實驗組，如圖3所示，將鐵釘與鋅片用銅線相連放入有鹽酸、H2O2、 KSCN 的混合溶液中，通過銅絲的剪斷與否，體現(xiàn)鐵釘作陰極被保護(hù)，作陽極被腐蝕的效果。但上述文獻(xiàn)中的實驗都是在酸化的溶液中進(jìn)行，鐵的化學(xué)腐蝕不容忽略，而實驗的目的是研究不同條件下的鐵的電化學(xué)腐蝕速率。史文杰為了使現(xiàn)象出現(xiàn)的時間更短，［5］在新教材的基礎(chǔ)上，將銅絲纏繞鐵釘改為鐵釘鍍銅，然后浸泡在 NaCl、酚酞、K3［Fe（CN）6］的熱瓊脂溶液，可較快觀察到明顯現(xiàn)象。相比于纏繞銅絲，電鍍法可使得銅覆蓋得更為致密，但是“熱溶液”的形式不便在課堂開展小組實驗。

三、實驗設(shè)計

1.實驗用品

瓊脂粉、飽和NaCl溶液、酚酞、K3［Fe（CN）6］溶液、蒸餾水、6孔井穴板、6根鐵絲、銅絲、銅片、錫絲、鋅皮、9 V 電池。

2.實驗裝置圖（見圖4）

3.實驗步驟

（1）實驗準(zhǔn)備

稱取1g 瓊脂粉，與150 mL 蒸餾水和50 mL 飽和 NaCl溶液煮沸，然后加入10滴酚酞溶液（酚酞溶液濃度可適當(dāng)大一點(diǎn)，便于現(xiàn)象明顯），注入6孔井穴板中，待其凝固。

準(zhǔn)備1根鐵絲，將一端纏繞在銅絲上，另一端螺旋旋轉(zhuǎn)10圈左右，可增大電極與電解質(zhì)溶液的接觸面積，如圖4中組①所示。其他5根鐵絲（其中一端也纏繞10圈，保證反應(yīng)時鐵絲與瓊脂的接觸面積相同）分別做以下處理：纏繞在錫絲上、纏繞在鋅皮上、連接電源正極、連接電源負(fù)極、不做處理。

（2）發(fā)生反應(yīng)，檢驗電極產(chǎn)物

將鐵絲與銅絲纏繞組、鐵絲與錫絲纏繞組、鐵絲（空白組）、鐵絲與鋅皮纏繞組、鐵絲與銅片外加電源（鐵作陰極）組、鐵絲與銅片外加電源（鐵作陽極）組依次插入到6組瓊脂中，如圖4中組①～⑥所示，電池選用9 V 電池。1～2 min后，取出金屬，在鐵附近的瓊脂處滴1滴0.25 mol ·L-1的K3［Fe（CN）6］溶液，觀察現(xiàn)象。

4.實驗結(jié)果

6組實驗的現(xiàn)象及分析如表1所示。原電池組（①、②、③、④）1～2 min 即可觀察到現(xiàn)象，外加電源的⑤和⑥組10 s 即可觀察到明顯現(xiàn)象。從圖5可以觀察到，①、②、③、⑥組中鐵電極附近均出現(xiàn)藍(lán)色，且由深至淺為：⑥>①>②>③ ， 鐵電極附近紅色由深至淺為⑤>④>③ ， 可以證明腐蝕速率的大小為：電解池的陽極>原電池的負(fù)極>吸氧腐蝕>原電池的正極>電解池的陰極，且構(gòu)成原電池的正負(fù)極活潑性之差越大，負(fù)極腐蝕速率越快。

5.其他現(xiàn)象說明

學(xué)生發(fā)現(xiàn)，空白鐵絲組（組③）會同時出現(xiàn)紅色和藍(lán)色，若將鐵絲插入較深，還可觀察到紅色主要集中于瓊脂表面處，藍(lán)色集中于瓊脂深處。此現(xiàn)象可解釋為鐵在該情況中發(fā)生了吸氧腐蝕，在瓊脂表面處氧氣濃度大，發(fā)生反應(yīng)：O2+4e－+2H2O=4OH－，瓊脂深處氧氣含量相對較少，鐵絲發(fā)生反應(yīng)：Fe=Fe2++2e－，因此藍(lán)色沉淀主要在瓊脂深處，而這其實也就是金屬構(gòu)件在海水中會發(fā)生的氧濃差腐蝕。海水表面氧濃度高于深處，所以金屬上部的腐蝕電位要高于下部，產(chǎn)生了電位差，從而引起電子的傳輸，導(dǎo)致金屬產(chǎn)生腐蝕。［6］

四、改進(jìn)后實驗的創(chuàng)新

1.實驗更微型

使用孔徑為2 cm 或3 cm 的井穴板代替10 cm 直徑的生物培養(yǎng)皿，大大減少了瓊脂的用量和實驗準(zhǔn)備的工作量，也可同時進(jìn)行多組對比實驗，也便于學(xué)生開展小組實驗。

2.實驗現(xiàn)象明顯且快速

改進(jìn)后的實驗可以在2 min 內(nèi)就看到較為明顯的現(xiàn)象，借助特征試劑的顯色深淺及范圍，學(xué)生可以親眼見證金屬的腐蝕過程并比較速率快慢。

3. Fe2+的檢驗方式更科學(xué)

由于鐵釘可能與K3［Fe（CN）6］溶液發(fā)生反應(yīng)，因此在配制瓊脂溶液時，不加入 K3［Fe（CN）6］溶液，當(dāng)鐵釘放入瓊脂反應(yīng)一段時間后，取出鐵釘再局部滴加 K3［Fe（CN）6］溶液，這樣可以避免了鐵與K3［Fe（CN）6］直接接觸，使得 Fe2+的檢驗方式更嚴(yán)謹(jǐn)。

4.開發(fā)成系列實驗

改進(jìn)后的實驗是在教材“犧牲陽極法”實驗的基礎(chǔ)上，加入了“外加電流法”實驗，與犧牲陽極法、化學(xué)腐蝕（以及吸氧腐蝕）構(gòu)成電化學(xué)系列實驗。另外，在開展課堂教學(xué)時，教師也可以根據(jù)課堂的需要，利用改進(jìn)后的裝置繼續(xù)探究外加電流時電壓的大小、陰陽極材料的選擇等因素對金屬腐蝕速率的影響，實驗的可開發(fā)空間大。

五、結(jié)語

在課堂的最后，通過電化學(xué)腐蝕速率比較的典型例題（如圖6）進(jìn)行即時鞏固，學(xué)生答題效果非常理想，說明通過實驗探究，學(xué)生已經(jīng)成功構(gòu)建了金屬腐蝕與防護(hù)的思維模型。在課后的訪談中，學(xué)生表示“現(xiàn)象非常好看”“原來外加電源腐蝕速率快這么多”，說明學(xué)生們通過親手實驗，體會到了化學(xué)之精髓。

本實驗在教材的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步實現(xiàn)了實驗微型化，做到了現(xiàn)象快且對比明顯，不僅便于教師的演示，也有助于課堂分組實驗的開展，培養(yǎng)學(xué)生宏觀辨識與微觀探析等化學(xué)核心素養(yǎng)。

參考文獻(xiàn)

［1］中華人民共和國教育部.普通高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版2020年修訂）［S］.北京：人民教育出版社，2020.

［2］房壽高.鐵氰化鉀溶液與鐵反應(yīng)的實驗探究［J］.化學(xué)教學(xué)，2014（10）：59-61.

［3］鄭曉紅.金屬的腐蝕與防護(hù)實驗設(shè)計［J］.化學(xué)教育（中英文），2015，36（3）：69-72.

［4］朱式玉.金屬防腐蝕的實驗——犧牲陽極的陰極保護(hù)法［J］.教學(xué)儀器與實驗，1986（1）：21-24.

［5］史文杰，李冉，郭玉林，田巧云.提升化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)的高中化學(xué)教學(xué)——以“金屬的防護(hù)”為例［J］.化學(xué)教育（中英文），2022，43（5）：34-39.

［6］劉英偉，張洋.海水管路氧濃差腐蝕數(shù)值分析［J］.天津大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)與工程技術(shù)版），2020，53（10）：1019-1027.