基于手持技術的金屬電化學腐蝕實驗改進

孫慧玲+靳瑩+霍愛新

摘要：對鐵的吸氧腐蝕演示實驗進行了改進和補充。采用手持技術，設計了3組對比實驗，利用氧氣傳感器和壓強傳感器測定實驗過程中氧氣濃度和壓強的微弱變化以及吸氧腐蝕中溶液pH的變化。結果表明：鐵的電化學腐蝕是一個緩慢的氧化過程。酸性較強條件下以析氫腐蝕為主；在中性條件下發生吸氧腐蝕；在弱酸性條件下，析氫腐蝕和吸氧腐蝕是同時發生的。

關鍵詞： 吸氧腐蝕；析氫腐蝕；手持技術；實驗改進

文章編號：1005–6629（2014）3–0052–03 中圖分類號：G633.8 文獻標識碼：B

金屬的電化學腐蝕是在原電池內容的基礎上所展開的，是中學化學教學的重點以及難點內容。鋼鐵的析氫腐蝕與吸氧腐蝕是一個緩慢的氧化過程，盡管傳統的對比實驗已進行了較多的實驗改進來縮短反應時間，使反應現象更加明顯，但是只能對實驗現象做出定性的分析，仍無法將二者定量地反映出來，不利于學生理解析氫腐蝕、吸氧腐蝕的概念。由于在金屬的析氫腐蝕、吸氧腐蝕的過程中，不僅伴隨著物質濃度的變化，而且還伴隨著壓強的改變，因此我們可以借助于電子傳感器捕捉化學反應過程中的細微變化，利用手持技術對金屬的電化學腐蝕實驗進行改進和補充，從而幫助學生正確理解析氫腐蝕與吸氧腐蝕的概念，解決學生的迷思概念問題。

1 實驗原理

不純的金屬與電解質溶液接觸時，會發生原電池反應，比較活潑的金屬失去電子被氧化，這種腐蝕叫做電化學腐蝕。當在鋼鐵表面形成的電解質溶液薄膜呈酸性時發生析氫腐蝕[1]，反應如下：

負極：Fe-2e-=Fe2+（氧化反應）

正極：2H++2e-=H2↑（還原反應）

總反應：Fe+2H+=Fe2++H2↑

當在鋼鐵表面形成的電解質溶液薄膜呈中性或酸性很弱，且溶有一定量的氧氣時發生吸氧腐蝕，反應如下：

負極：2Fe-4e-=2Fe2+（氧化反應）

正極：2H2O+O2+4e-=4OH-（還原反應）

總反應：2Fe+O2+2H2O=2Fe（OH）2

進一步反應：4Fe（OH）2+O2+2H2O=4Fe（OH）3，

2Fe（OH）3=Fe2O3·xH2O+（3-x）H2O

根據上述原理，本實驗主要利用氧氣傳感器和壓強傳感器測定反應過程中壓強變化和氧氣濃度變化，并利用pH傳感器測定吸氧腐蝕反應前后溶液的pH。通過計算機和數字采集器收集數據、繪制曲線，并通過相應軟件進行實驗分析。

2 實驗用品與儀器

炭粉、還原鐵粉、2 mol/L鹽酸溶液、2 mol/L醋酸溶液、2 mol/L氯化鈉溶液[2，3]、橡皮塞、乳膠管、導氣管、止水夾、三口燒瓶。

本實驗采用pasco公司的數字采集器、datastudio數據采集軟件、氧氣傳感器以及壓強傳感器。

（1）用USB數據線將計算機與數字采集器連接起來。

（2）將氧氣傳感器、壓強傳感器連接到數據采集器上。

（3）三口瓶的左端接入帶止水夾導氣管的單孔膠塞（以便調節內外壓平衡），中間用單孔膠塞將三口瓶與氧氣傳感器連接，右端用單孔膠塞將壓強傳感器與三口瓶連接。

4 實驗過程

4.1 在中性條件下發生吸氧腐蝕

（1）取下三口瓶，用滴管滴取2 mol/L的氯化鈉溶液，均勻的潤濕三口燒瓶的內壁2～3次，將炭粉和鐵粉的混合物加入到三口瓶中，沿同一方向轉動，使炭粉和鐵粉的混合物均勻地粘附在三口燒瓶的內壁上[4，5]，迅速地塞緊各個單孔膠塞，打開止水夾調節內外壓平衡后，關閉止水夾。

（2）數據圖像縱軸選擇O2濃度（%）（體積分數），橫軸選擇時間，開啟儀器采集數據，采集氧氣濃度和壓強變化情況（見圖2、圖3）。

（3）保存數據。

（4）實驗結果及討論：通過圖2可以看出，本次測量中，瓶內空氣中氧氣濃度為21.0%，50s后為20.8%，500s后為20.0%，氧氣的濃度在不斷地緩慢減少，利用氧氣傳感器可使我們在較短時間內看出變化趨勢。通過圖3可以看出，此時瓶內初始測量壓強為100957Pa（由于加完試劑塞緊膠塞等過程中瓶內的反應已經進行，所以導致瓶內初始的測量壓強略小于理論壓強值），隨著氧氣濃度的減小，壓強也在下降，50s后瓶內壓強降為100699Pa，10min內瓶內壓強共下降了1080Pa。但是隨著反應的進行，我們可以發現，氧氣濃度的下降量不僅是由于吸氧腐蝕的發生而造成的，在后續的反應中，氫氧化亞鐵轉化為氫氧化鐵的過程中也消耗了部分氧氣，所以緊靠氧氣濃度的變化還不足以完全說明是否發生了吸氧腐蝕。因此，我們還通過pH傳感器檢測pH的變化來證明確實發生了吸氧腐蝕。經檢測，如圖4所示，反應前溶液的pH為6.8，反應后經過濾，測得濾液的pH為9.5，正是由于吸氧腐蝕的發生，從而造成了三口瓶內溶液pH的升高。由此可以得出，在中性條件時主要發生吸氧腐蝕，而且吸氧腐蝕是緩慢進行的。

4.2 酸性較弱條件下同時發生吸氧腐蝕和析氫腐蝕

4.2.1 定性實驗

取一支小試管，滴入5 mL 2 mol/L的醋酸溶液，加入適量炭粉和鐵粉的混合物，靜置一段時間后，觀察現象。

4.2.2 定量實驗

（1）取下三口瓶，用滴管滴取2 mol/L的醋酸溶液，均勻的潤濕三口燒瓶的內壁2～3次，將炭粉和鐵粉的混合物加入到三口瓶中，沿同一方向轉動，使炭粉和鐵粉的混合物均勻地粘附在三口燒瓶的內壁上，迅速地塞緊各個單孔膠塞，打開止水夾調節內外壓平衡后，關閉止水夾。

（2）數據圖像縱軸選擇O2濃度（%）（體積分數），橫軸選擇時間，開啟儀器采集數據，采集氧氣濃度和壓強變化情況（見圖5、圖6）。

（3）保存數據。

4.2.3 實驗結果及討論

由于沒有直接測量氫氣濃度的傳感器，本實驗中采取測量容器內壓強的變化和觀察小試管內金屬與弱酸反應的實驗現象的方法來說明氫氣濃度的變化。

定性觀察可見，小試管內有氣泡冒出，可以斷定容器內有析氫腐蝕發生。

在定量研究中，如圖5所示，當電解質溶液為醋酸溶液時，隨著反應的進行，氧氣濃度逐漸緩慢減少，說明瓶內消耗了部分氧氣，可知有吸氧腐蝕發生；如圖6所示，在10min內，瓶內壓強由起始的101075Pa下降到100626Pa，共下降了449Pa。正是由于三口瓶內同時發生了吸氧腐蝕和析氫腐蝕，所以導致了瓶內壓強的下降幅度小于實驗1中壓強的下降幅度。由此可以看出，當電解質溶液為弱酸條件時，析氫腐蝕和吸氧腐蝕同時發生。

4.3 酸性較強條件下以析氫腐蝕為主

（1）取兩支試管，各加入5 mL 2 mol/L的鹽酸溶液和等量的0.22 g鐵粉，再向其中一支試管中加入少量的炭粉，將兩支試管同時連接上兩個壓強傳感器，得到如下數據：

（2）僅將實驗1中的“2 mol/L的氯化鈉溶液”改為“2 mol/L鹽酸溶液”，其他操作步驟與實驗1完全相同。實驗結果如圖8、圖9所示：

（3）實驗結果及討論：在較短的時間內可明顯地觀察到步驟（1）中兩支試管內均有氣泡冒出。由圖7可知，鐵粉和鹽酸反應發生化學腐蝕，試管內壓強在60s內上升了4288Pa，而加入炭粉后，試管內壓強值始終大于不加炭粉的試管的壓強值，且壓強上升得更高，在60s內上升了7316Pa，這說明加了炭粉的試管不僅僅發生了化學腐蝕，還發生了電化學腐蝕，即析氫腐蝕。從圖8和圖9可以看出，在實驗過程中，容器內的壓強不斷上升，50s內壓強便上升了2435Pa，600s內上升了11244Pa，可知有氫氣生成，瓶內總的分子數增加，但是由于瓶內氧氣的分子數不變，所以氧氣的體積濃度也呈略微的下降趨勢。再結合步驟（1）中的實驗結論，可以得出，在酸性較強的條件下，電化學腐蝕主要以析氫腐蝕為主，且腐蝕速度快于吸氧腐蝕。

5 實驗小結

通過設計三組演示實驗，利用氧氣傳感器和壓強傳感器可便捷地測定實驗過程中氧氣濃度和壓強的微弱變化以及吸氧腐蝕中溶液pH的變化，明確提出金屬鐵的電化學腐蝕是一個緩慢的氧化過程。酸性較強條件下以析氫腐蝕為主，在中性條件下發生吸氧腐蝕，在弱酸性條件下，析氫腐蝕和吸氧腐蝕是同時發生的。在一組比較化學腐蝕與電化學腐蝕反應速率的學生實驗中，說明應用現代的實驗手段可以讓學生對化學反應有一個更全面、更深刻的認識。

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.

[2]陶俞佳，李桂林.吸氧腐蝕實驗的改進[J].化學教學，2009，（6）：26～27.

[3]雷和平，劉英麗.鐵的吸氧腐蝕實驗改進[J].化學教育，2009，（8）：49～50.

[4]譚文生.鐵的吸氧腐蝕與析氫腐蝕對比實驗設計[J].化學教學，2011，（6）：46～47.

[5]項云，錢海濱，蔣金虎.鐵吸氧腐蝕的實驗創新[J].化學教育，2011，（6）：59.

（3）保存數據。

4.2.3 實驗結果及討論

由于沒有直接測量氫氣濃度的傳感器，本實驗中采取測量容器內壓強的變化和觀察小試管內金屬與弱酸反應的實驗現象的方法來說明氫氣濃度的變化。

定性觀察可見，小試管內有氣泡冒出，可以斷定容器內有析氫腐蝕發生。

在定量研究中，如圖5所示，當電解質溶液為醋酸溶液時，隨著反應的進行，氧氣濃度逐漸緩慢減少，說明瓶內消耗了部分氧氣，可知有吸氧腐蝕發生；如圖6所示，在10min內，瓶內壓強由起始的101075Pa下降到100626Pa，共下降了449Pa。正是由于三口瓶內同時發生了吸氧腐蝕和析氫腐蝕，所以導致了瓶內壓強的下降幅度小于實驗1中壓強的下降幅度。由此可以看出，當電解質溶液為弱酸條件時，析氫腐蝕和吸氧腐蝕同時發生。

4.3 酸性較強條件下以析氫腐蝕為主

（1）取兩支試管，各加入5 mL 2 mol/L的鹽酸溶液和等量的0.22 g鐵粉，再向其中一支試管中加入少量的炭粉，將兩支試管同時連接上兩個壓強傳感器，得到如下數據：

（2）僅將實驗1中的“2 mol/L的氯化鈉溶液”改為“2 mol/L鹽酸溶液”，其他操作步驟與實驗1完全相同。實驗結果如圖8、圖9所示：

（3）實驗結果及討論：在較短的時間內可明顯地觀察到步驟（1）中兩支試管內均有氣泡冒出。由圖7可知，鐵粉和鹽酸反應發生化學腐蝕，試管內壓強在60s內上升了4288Pa，而加入炭粉后，試管內壓強值始終大于不加炭粉的試管的壓強值，且壓強上升得更高，在60s內上升了7316Pa，這說明加了炭粉的試管不僅僅發生了化學腐蝕，還發生了電化學腐蝕，即析氫腐蝕。從圖8和圖9可以看出，在實驗過程中，容器內的壓強不斷上升，50s內壓強便上升了2435Pa，600s內上升了11244Pa，可知有氫氣生成，瓶內總的分子數增加，但是由于瓶內氧氣的分子數不變，所以氧氣的體積濃度也呈略微的下降趨勢。再結合步驟（1）中的實驗結論，可以得出，在酸性較強的條件下，電化學腐蝕主要以析氫腐蝕為主，且腐蝕速度快于吸氧腐蝕。

5 實驗小結

通過設計三組演示實驗，利用氧氣傳感器和壓強傳感器可便捷地測定實驗過程中氧氣濃度和壓強的微弱變化以及吸氧腐蝕中溶液pH的變化，明確提出金屬鐵的電化學腐蝕是一個緩慢的氧化過程。酸性較強條件下以析氫腐蝕為主，在中性條件下發生吸氧腐蝕，在弱酸性條件下，析氫腐蝕和吸氧腐蝕是同時發生的。在一組比較化學腐蝕與電化學腐蝕反應速率的學生實驗中，說明應用現代的實驗手段可以讓學生對化學反應有一個更全面、更深刻的認識。

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.

[2]陶俞佳，李桂林.吸氧腐蝕實驗的改進[J].化學教學，2009，（6）：26～27.

[3]雷和平，劉英麗.鐵的吸氧腐蝕實驗改進[J].化學教育，2009，（8）：49～50.

[4]譚文生.鐵的吸氧腐蝕與析氫腐蝕對比實驗設計[J].化學教學，2011，（6）：46～47.

[5]項云，錢海濱，蔣金虎.鐵吸氧腐蝕的實驗創新[J].化學教育，2011，（6）：59.

（3）保存數據。

4.2.3 實驗結果及討論

由于沒有直接測量氫氣濃度的傳感器，本實驗中采取測量容器內壓強的變化和觀察小試管內金屬與弱酸反應的實驗現象的方法來說明氫氣濃度的變化。

定性觀察可見，小試管內有氣泡冒出，可以斷定容器內有析氫腐蝕發生。

在定量研究中，如圖5所示，當電解質溶液為醋酸溶液時，隨著反應的進行，氧氣濃度逐漸緩慢減少，說明瓶內消耗了部分氧氣，可知有吸氧腐蝕發生；如圖6所示，在10min內，瓶內壓強由起始的101075Pa下降到100626Pa，共下降了449Pa。正是由于三口瓶內同時發生了吸氧腐蝕和析氫腐蝕，所以導致了瓶內壓強的下降幅度小于實驗1中壓強的下降幅度。由此可以看出，當電解質溶液為弱酸條件時，析氫腐蝕和吸氧腐蝕同時發生。

4.3 酸性較強條件下以析氫腐蝕為主

（1）取兩支試管，各加入5 mL 2 mol/L的鹽酸溶液和等量的0.22 g鐵粉，再向其中一支試管中加入少量的炭粉，將兩支試管同時連接上兩個壓強傳感器，得到如下數據：

（2）僅將實驗1中的“2 mol/L的氯化鈉溶液”改為“2 mol/L鹽酸溶液”，其他操作步驟與實驗1完全相同。實驗結果如圖8、圖9所示：

（3）實驗結果及討論：在較短的時間內可明顯地觀察到步驟（1）中兩支試管內均有氣泡冒出。由圖7可知，鐵粉和鹽酸反應發生化學腐蝕，試管內壓強在60s內上升了4288Pa，而加入炭粉后，試管內壓強值始終大于不加炭粉的試管的壓強值，且壓強上升得更高，在60s內上升了7316Pa，這說明加了炭粉的試管不僅僅發生了化學腐蝕，還發生了電化學腐蝕，即析氫腐蝕。從圖8和圖9可以看出，在實驗過程中，容器內的壓強不斷上升，50s內壓強便上升了2435Pa，600s內上升了11244Pa，可知有氫氣生成，瓶內總的分子數增加，但是由于瓶內氧氣的分子數不變，所以氧氣的體積濃度也呈略微的下降趨勢。再結合步驟（1）中的實驗結論，可以得出，在酸性較強的條件下，電化學腐蝕主要以析氫腐蝕為主，且腐蝕速度快于吸氧腐蝕。

5 實驗小結

通過設計三組演示實驗，利用氧氣傳感器和壓強傳感器可便捷地測定實驗過程中氧氣濃度和壓強的微弱變化以及吸氧腐蝕中溶液pH的變化，明確提出金屬鐵的電化學腐蝕是一個緩慢的氧化過程。酸性較強條件下以析氫腐蝕為主，在中性條件下發生吸氧腐蝕，在弱酸性條件下，析氫腐蝕和吸氧腐蝕是同時發生的。在一組比較化學腐蝕與電化學腐蝕反應速率的學生實驗中，說明應用現代的實驗手段可以讓學生對化學反應有一個更全面、更深刻的認識。

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.

[2]陶俞佳，李桂林.吸氧腐蝕實驗的改進[J].化學教學，2009，（6）：26～27.

[3]雷和平，劉英麗.鐵的吸氧腐蝕實驗改進[J].化學教育，2009，（8）：49～50.

[4]譚文生.鐵的吸氧腐蝕與析氫腐蝕對比實驗設計[J].化學教學，2011，（6）：46～47.

[5]項云，錢海濱，蔣金虎.鐵吸氧腐蝕的實驗創新[J].化學教育，2011，（6）：59.