關于鋼鐵腐蝕的理論探討和實驗分析

摘要：從實驗研究的角度，以理論探討結合實驗驗證的方法，分析了鐵的吸氧腐蝕和析氫腐蝕發生的條件，得出了如下結論：鐵的析氫腐蝕主要在強酸性環境中進行，鐵的吸氧腐蝕無論在酸性、中性還是堿性條件下都能發生，且酸性越強，腐蝕速率越大。

關鍵詞：吸氧腐蝕；析氫腐蝕；pH；電極電勢

文章編號： 1005–6629(2012)5–0047–02 中圖分類號： G633.8 文獻標識碼： B

1 問題提出

鋼鐵腐蝕是中學化學教學中的重要知識點，也是高考的熱點內容之一，在最近幾年各地的高考中均有涉及。鋼鐵腐蝕主要指電化學腐蝕，一般分為兩種類型，即析氫腐蝕和吸氧腐蝕。在教學中，教師往往圍繞這兩種反應展開有關原理、發生條件等的討論，但很多教師告訴學生的觀點是：“鋼鐵在酸性條件下發生的是析氫腐蝕，在堿性或中性環境下發生的是吸氧腐蝕”。而對于這個結論，已有不少教師提出了質疑，如2011年《化學教育》第6期“實驗探究鋼鐵的腐蝕”一文，作者便通過實驗論證得出了“鋼鐵在堿性或中性環境下發生吸氧腐蝕；在酸性環境下有析氫腐蝕，同時也有吸氧腐蝕”的結論[1]。那么，析氫腐蝕和吸氧腐蝕的發生條件應如何界定？依據是什么？本文針對析氫腐蝕和吸氧腐蝕發生條件展開討論，從理論探討和實驗驗證兩個角度出發來驗證和糾偏已有觀點，為教學及相關研究提供借鑒。

2 理論推斷

首先，通過對析氫腐蝕和吸氧腐蝕電極電勢的計算來比較兩者正極電勢的高低，進而推斷在一定環境中反應發生的難易度。計算過程如下：

假設腐蝕發生在室溫250 ℃酸性環境中，則

析氫腐蝕正極電極反應為2H++2e-→H2↑，

E1=E?+ lg

吸氧腐蝕正極電極反應為O2+4H++4e-→2H2O，E2=E?+ lg ×c（H+）4負極發生的電極反應為Fe2++2e-→Fe(s)，E3=E?+ lg c(Fe2+)

上述3式中，E1，E2分別代表析氫腐蝕正極電勢及吸氧腐蝕正極電勢，E3代表負極電勢。E?為標準電極電勢，經查閱：三者分別是0、+1.23 V、-4402 V[2]。p?為標準大氣壓（1.013×105Pa），若pH2，pO2均為1.013×105 Pa，則前面兩式可以表述為：

E1=E?+ lg c(H+)2=E?+0.0591 lg c(H+)

=(-0.0591 pH) V

E2=E?+ lg c(H+)4=E?+0.0591 lg c(H+)

=(1.23-0.0591 pH) V

可見，兩種類型的腐蝕，其正極電勢都是關于pH的一次函數。當溶液中Fe2+的濃度為10-5 mol/L，認定腐蝕即已發生，此時負極電勢E3=-0.558 V，與pH無關。若把pH作為橫坐標，電勢E作為縱坐標，則可以得到如圖1所示的電勢-pH關系圖（線A代表E2，線B代表E1，線C代表E3）：

由圖1可得如 下結論：

（1）在相同pH條件下，吸氧腐蝕正極電勢始終大于析氫腐蝕正極電勢，也即在相同條件下吸氧腐蝕比析氫腐蝕更易發生。

（2）隨著pH的不斷增大，不論是那種類型的腐蝕，其正極電勢都不斷降低，也即腐蝕變得更加困難。

（3）在強酸性溶液中，析氫腐蝕正負極存在較大的電勢差。隨著pH的升高，電勢差不斷減少，在中性或弱堿性條件下，兩極電勢幾近相同。說明析氫腐蝕主要在強酸性環境中發生，而吸氧腐蝕在酸性、中性及堿性條件下都能發生。

3 實驗分析

3.1 對已有實驗現象的驗證

“實驗探究鋼鐵的腐蝕”一文中，作者通過實驗驗證了析氫腐蝕和吸氧腐蝕的發生條件，得出結論：“鋼鐵在酸性環境下既有析氫腐蝕又有吸氧腐蝕。若酸性較強以析氫腐蝕為主，酸性較弱以吸氧腐蝕為主。酸性或堿性條件下的吸氧腐蝕比中性環境下更快。”

實驗步驟如下：在兩個錐形瓶中分別加入等量的鐵粉和碳粉的混合物，并在兩者之間用裝有紅墨水的U型導管連結。錐形瓶中分別滴加醋酸溶液、氫氧化鈉溶液和氯化鈉溶液以創造酸性、堿性和中性環境。在實驗1中，兩錐形瓶分別滴加醋酸溶液和氯化鈉溶液，觀察U型導管水柱的位置，發現在酸性條件下剛開始以析氫腐蝕為主，一段時間后以吸氧腐蝕為主，并且酸性條件下吸氧腐蝕比中性條件下更快。這點和本文上述分析結論基本吻合。那么，為什么剛開始以析氫腐蝕為主而吸氧腐蝕并不明顯呢？可以從吸氧腐蝕的微觀過程加以解釋：

（1）氧氣穿過空氣-溶液界面進入溶液；

（2）在溶液對流作用下，氧分子遷移到正極表面附近；

（3）在擴散層范圍內，氧分子在濃度梯度作用下擴散到正極表面；

（4）在正極表面氧分子發生還原反應，也叫氧的離子化反應。

因此，吸氧腐蝕受氧氣濃度影響較大，若水膜厚度較厚，則正極周圍氧氣濃度較低，氧氣由空氣-溶液界面擴散到正極的時間也相對較長。經研究表明鐵在濃度為0.5 mol/L的硫酸溶液的薄膜下，吸氧腐蝕比析氫腐蝕大100倍；而當鐵全浸在同樣濃度的硫酸溶液中時，析氫腐蝕卻比吸氧腐蝕大許多倍[3]。正因為加入的醋酸較多，酸膜較厚，導致實驗剛開始時，電極上氧氣濃度極低，析氫腐蝕占據優勢。

3.2 對已有實驗現象的質疑

在實驗2中，作者將原本加醋酸的錐形瓶改為加入氫氧化鈉溶液，其他條件不變，得出了在氫氧化鈉溶液（堿性環境）中吸氧腐蝕比在氯化鈉溶液（中性環境）中更快的實驗結論。對此結論，筆者產生較大質疑。首先從電勢-pH圖上看，pH越大，正極電勢越低，所以堿性條件下鋼鐵的腐蝕會變慢。其次有資料表明，Cl-能較易穿透鐵的鈍化膜從而加速腐蝕[4]。由此，筆者設計實驗對此進行了驗證，實驗裝置如圖2所示：

實驗步驟：

（1）左右2個錐形瓶分別加入等量的碳粉和鐵粉。

（2）左邊的錐形瓶加入飽和NaCl溶液，右邊的錐形瓶加入等量的飽和NaOH溶液。

（3）橡皮管中加入少量水，并連接兩錐形瓶。

實驗現象：一段時間后，左端導管出現一段明顯的水柱，說明左邊錐形瓶中的吸氧腐蝕更快。

實驗結果和理論分析完全一致，即堿性條件下的吸氧腐蝕速率比中性條件下更慢。此實驗結論與作者上文實驗結論不一致，筆者推測可能是其實驗的錐形瓶（滴有飽和氯化鈉溶液）裝置氣密性不好使得外界空氣進入錐形瓶中導致氣壓下降不明顯所致。

4 結論

綜上分析，鋼鐵的電化學腐蝕實際上是相當復雜的過程，無論在酸性、中性還是堿性條件下吸氧腐蝕都是存在的。而析氫腐蝕則主要發生在H+濃度較大的環境中。因此，不能簡單地說，“鋼鐵在酸性環境下發生析氫腐蝕，在堿性或中性環境下發生吸氧腐蝕”。雖然在日常的教學過程中我們也不需要向學生介紹腐蝕快慢方面的機理，但是在給出結論時，一定要注意結論的科學性和嚴密性，以免造成學生認知上的偏差。在教學科研當中，教師也需要從理論和實踐兩個方面加強自身的能力和水平，一方面有助于提升自己的專業素養，另一方面可以為教學做更好地指導。

參考文獻：

[1]唐敏.實驗探究鋼鐵的腐蝕[J].化學教育，2011，32（6）：58~59.

[2]曹錫章，宋天佑，王杏喬等.無機化學.第3版[M].北京：高等教育出版社，1994：495~509.

[3] 鋼鐵材料在大氣中的腐蝕. http://bbs.hcbbs.com/viewthread. php?tid=611321. 2010-1-21.

[4] 牛林，陳曉.堿性介質中鹵素離子引起鐵腐蝕的差異及腐蝕抑制[J].山東大學學報，1996，31（2）：191~194.