鋼鐵吸氧腐蝕演示實驗的創新設計

朱石明陳 凱

☆創新實驗設計☆

鋼鐵吸氧腐蝕演示實驗的創新設計

朱石明1陳 凱2

《高中化學課程標準》在《化學反應原理》選修模塊中要求“能解釋金屬發生電化學腐蝕的原因,認識金屬腐蝕的危害,通過實驗探究防止金屬腐蝕的措施。”教師開展“鋼鐵吸氧腐蝕”教學時大多依賴多媒體動畫演示以配合理論教學,相關實驗也僅限于“防止腐蝕”,而不關注“如何腐蝕”——鋼鐵腐蝕為何主要表現為有氧氣參與的腐蝕？腐蝕時發生了什么原電池反應？鋼鐵腐蝕為何最終會生成鐵銹？這一系列問題對習慣于宏觀表征思維的中學生來說總是難以理解,學生對鋼鐵腐蝕的知識仍然停留在死記硬背電極反應式的學習模式中。

鑒于此,我們借鑒了鋼鐵腐蝕的專題研究文獻,結合個人的探究,設計了一系列課堂演示實驗,實驗總耗時僅需10分鐘左右。在新授課時如能在課堂上增補以下演示實驗,不僅有利于學生對鋼鐵的腐蝕有深刻的理解,而且對以后學習金屬的防護會有更大的益處。

一、重現一次偶然的發現（趣味鋼鐵腐蝕問題的引出）

筆者在讀高中時,特別喜愛搞些手工制作。在一次擺弄自己“土制”的“萬用電表”時,發現了一個令當時的筆者無法解釋的現象：當將自做的兩只相同鐵質表棒插入潮濕的泥土中時,竟然發現萬用表的指針發生了微微的偏轉！難道相同的鐵電極也能構成原電池嗎？

圖1 一次偶然的發現

我們先重現一下當時的事實：

【實驗1】將氯化鈉溶液加入有棉布隔膜的水槽中,用導線連接好2只鐵片電極及物理教學用演示電流計（量程100μA）,觀察是否有電流產生。

如圖2,本實驗選用長方形的塑料水槽,中間加1個棉質的隔膜,使兩邊連通,只是減緩了兩極氧氣的相互擴散。先在其中加入適量食鹽水溶液,再將準備好的2只一樣的鐵片電極（提前用鐵砂紙打磨除去表面鐵銹）,與1只物理上用的100μA演示電流計,連接好導線。特別應注意的是：應先將連電表負極的鐵片插入溶液10～20秒左右,再將連電表正極的鐵片插入溶液中（這是本實驗成功的秘訣！因為先放入的鐵片由于局部吸氧腐蝕而消耗了一部分氧氣,故氧氣的濃度必然小于棉布另一側的溶液,后插入的鐵片因溶液中富含更多的氧氣必然成為原電池的正極。于是,實驗者就可以預料電表將會正向偏轉！）。奇跡發生了,電表發生了明顯的偏轉（電流可大于100μA,如圖3所示,然后電流又漸漸變小。按中學電化學理論,構成原電池應有2只活潑性不同的電極,但這個現象意味著什么呢？既然事實證明電流產生,就已說明發生了原電池反應,負極一定是鐵失電子發生氧化反應被腐蝕。

圖2 驗證氧氣參加了鋼鐵腐蝕的實驗裝置(改進1)

圖3 相同的兩只鐵片電極事實上可構成原電池

本次實驗結論：相同的鐵電極插在氯化鈉溶液就能有電流產生,證明了鋼鐵腐蝕的普遍性。

當時,筆者在小河邊、池塘邊、陰濕地都試過,現象都一樣。這樣的鋼鐵腐蝕到底是誰惹的禍呢？

二、何物腐蝕了鐵（設計趣味實驗驗證氧氣參加了鋼鐵的腐蝕）

【實驗2】用魚缸增氣泵給一鐵片電極鼓入空氣,觀察電流計是否偏轉,確認原電池的正負極；給另一鐵片電極鼓入空氣,觀察電流計是否反向偏轉？增加氧氣的濃度,現象又如何（如圖4所示）？

圖4 魚缸增氣泵及醫用輸液器改裝成的空氣流速控制裝置(改進2)

圖5 給另一側通入空氣,指針發生反向偏轉

為了連續地通入空氣的方便，我們用魚缸增氣泵作供氣裝置， 用醫用輸液器改裝成流速控制裝置。當接通魚缸增氣泵的電源，給其中一鐵片電極處通入空氣，發現指針就會發生偏轉；再換成給另一鐵片電極處通入空氣，發現指針又會向相反的方向偏轉（如圖5所示）。再通過空氣流速控制裝置增大空氣的進氣量，我們發現空氣的進氣量越大指針偏轉越大。

本次實驗結論：根據電流方向，我們發現通氧氣的一極是原電池的正極，另一鐵電極是原電池的負極；電流計指針的偏轉程度受氧氣濃度的影響，這就證明了氧氣參加了原電池反應，也就是說氧氣的確參加了鋼鐵的腐蝕，增加正極溶液中氧氣的濃度，鋼鐵的腐蝕速度加快。

鋼鐵在接近中性的潮濕的空氣中，發生的這種有氧氣參加的鐵的腐蝕，就稱之為鋼鐵的吸氧腐蝕。于是，前面偶然發現的趣味問題也就有了答案：原來同一個溶液中氧氣的濃度不一定處處相同，氧氣濃度大的一極就作為了原電池的正極，在更專業的資料中，將這種因氧氣分布不均勻而引起的吸氧腐蝕，又稱為差異充氣腐蝕。鋼鐵的腐蝕問題雖然很普遍，反應過程卻是比較復雜的，但主要表現為有氧氣參與的吸氧腐蝕。那么，這樣鋼鐵吸氧腐蝕的電極反應如何去書寫呢？

三、鋼鐵是如何腐蝕的（鋼鐵吸氧腐蝕的電極方程式書寫的疑惑）

氧氣參加了原電池反應，反應后生成什么呢？是氫氧根嗎？帶著疑惑再做如下實驗：

【實驗3】在通了一段時間空氣的溶液中加入幾滴酚酞試液。

本次實驗現象：通氧氣的一側的溶液加入酚酞后卻沒有變紅！

有氧氣參與電極反應，反應后生成的離子到底是不是氫氧根呢？難道是氫氧根擴散速度太快，氫氧根的濃度還不足以讓酚酞變色？

四、巧妙設計鋼鐵腐蝕的微型實驗（驗證鋼鐵腐蝕時兩極生成的離子）

【實驗4】U形管中驗證鋼鐵腐蝕原理的微型實驗，如圖6所示：在加有紗布的U形管中，加入氯化鈉溶液，在兩電極分別加入幾滴鐵氰化鉀溶液、酚酞試液，再插入鐵絲電極、碳棒電極，連接好物理教學用演示電流計（量程2.5mA），觀察指針的偏轉及兩電極的顏色變化，并分析電極反應式。

圖6 驗證鋼鐵腐蝕原理微型實驗的示意圖與實物圖(改進3)

本實驗中應預先在U形管下部加入卷成的圓柱狀的醫用棉紗布,以減緩原電池反應生成的離子的擴散速度。由于棉紗布層較厚實,我們從兩邊分別加入氯化鈉溶液（注意：試劑的用量非常講究,否則不能觀察到正極的紅色。根據當原電池工作的電流強度一定時,單位時間內產生的OH-就一定,OH-還在不停地向另一電極擴散,再加上正極的堿性要達到pH>8才可能出現紅色,故碳棒正極溶液的量應盡可能地少,U形管的口徑應與碳棒的直徑盡可能地相近,這樣才能確保電極與溶液接觸面積大,原電池的內阻小,讓生成的OH-濃度足夠使酚酞變色）。再在鐵電極一側加入鐵氰化鉀,在碳棒電極一側加入酚酞溶液（其目的是為了分別檢驗Fe2+、OH-,向學生說明Fe2+與鐵氰化鉀呈藍色可用來檢驗Fe2+）,加入鐵絲電極、碳棒電極,電流計改換5mA量程,連接好電路,發現指針發生偏轉,電流達2mA（如圖7所示）。

圖7 驗證鋼鐵腐蝕時兩極生成的離子

本次實驗現象：U形管的微量實驗中,碳棒電極（正極）附近呈紅色；鐵絲電極（負極）附近呈藍色,以證明鋼鐵腐蝕過程中,正極產生了OH-,負極產生了Fe2+。

五、問題的深入研究

思考1：為何要改用U形管做微量實驗？

目的是在有限空間內生成一定量的氫氧根離子,使酚酞迅速變紅。碳棒正極溶液應盡可能地少,U形管的口徑應盡可能的小,這樣才能讓OH-濃度足夠讓酚酞變色。碳棒電極(正極)附近呈紅色；鐵絲電極(負極)附近呈藍色,以證明鋼鐵腐蝕過程中,正極產生了OH-,負極產生了Fe2+。

思考2：構成原電池是否必須有2個活潑性不同的電極？

否,如鋼鐵的吸氧腐蝕可以是相同的鐵電極,燃燒電池可用相同的惰性電極等。

思考3：有無其他辦法在課堂上檢驗吸氧腐蝕的產物？

有,但不適合作課堂演示實驗。如劉先昊、朱海英設計的《鋼鐵吸氧腐蝕實驗的條件優化》中鋼鐵腐蝕液滴實驗,只適合用作學生分組實驗。

六、本演示實驗設計特點反思

1.本裝置簡明直觀,便于觀察,實驗現象明顯,說服力強；特別是使用物理學中演示用的電流計,靈敏度高,刻度醒目,便于學生在課堂上觀察。

2.鼓入空氣用魚缸增氣泵,代替初期用化學方法制氧氣更有創意。葛宏濤在《吸氧腐蝕的演示實驗》中,用的是實驗室制氧氣的方法,再通入水中研究鋼鐵的吸氧腐蝕。而用魚缸增氧機(市售價只有十多元),比用氯酸鉀制氧氣或用氣唧來提供空氣,氣流更為恒定,更易于操作；另外,用鼓入空氣來演示鋼鐵的吸氧腐蝕,與現實中鋼鐵腐蝕的條件一致,更具有說服力。

3.采用U形管中進行的微型實驗,顏色對比鮮明,學生印象特別深刻。

4.課堂實測,學生對吸氧腐蝕電極反應的理解效率比照本宣科好很多。特別是學生書寫反應式不會出現：2H＋+2e-=H2↑,Fe－3e-=Fe3＋等易犯的錯誤。

經實測,在NaCl溶液濃度為5mol/L,鐵片在溶液中部分表面積保持約8cm2,鐵片間距2cm時,演示鋼鐵腐蝕受氧氣的影響的效果更為顯著。食鹽水的濃度越大效果越明顯,建議使用精鹽配成飽和食鹽水,再取上層清液進行實驗。鐵片的除銹應選用較粗的鐵砂紙,鐵絲應選用較軟的無銹鐵絲,不適宜使用硬度較大的鋼絲做實驗。

[1] 鄒蘭,李勤,魏振樞.差異充氣腐蝕產生機理的探討[J].周口師范高等專科學校學報,1999,5：9

[2] Mark T. Stauffer,Justin P. Fox.Yet Another Variation on the Electrolysis of Water at Iron Nails[J].Journal of Chemical Education,2008,85（4）：523

[3] 劉先昊,朱海英.鋼鐵吸氧腐蝕實驗的條件優化[J].教學儀器與實驗,2008,10：37

[4] 葛宏濤.吸氧腐蝕的演示實驗[J].中學化學教學參考,2000,8～9：8

稿件編號：P1104082

朱石明，本科，中教一級，教研組長。基金項目：本文系中國化學會化學教育委員會基礎教育“十一五”重點課題“微型化學實驗的趣味性與探究性研究”（編號：HJ2008-0006）成果。

稿件說明：本實驗設計曾獲得江蘇省第五屆中學化學實驗調演活動二等獎。

1.江蘇省興化市戴窯高級中學。2.南京曉莊學院生物化工與環境工程學院。