鐵的析氫腐蝕和吸氧腐蝕的實(shí)驗(yàn)原理探查

呂琳+袁夢(mèng)玥+張瑜+吳星

摘要：利用改進(jìn)的實(shí)驗(yàn)裝置和實(shí)驗(yàn)操作方法，探究了高中化學(xué)選修課程模塊《化學(xué)反應(yīng)原理》中“鐵的析氫腐蝕和吸氧腐蝕”實(shí)驗(yàn)的原理，結(jié)果表明：（1）在酸性環(huán)境中，鐵的析氫腐蝕和吸氧腐蝕是同時(shí)發(fā)生的，且發(fā)生析氫腐蝕后鐵的吸氧腐蝕強(qiáng)度更大；（2）利用改進(jìn)的實(shí)驗(yàn)裝置進(jìn)行鐵的析氫腐蝕和吸氧腐蝕實(shí)驗(yàn)，可很好地幫助學(xué)生理解鐵的析氫腐蝕和吸氧腐蝕的原理。

關(guān)鍵詞：鐵粉；吸氧腐蝕；析氫腐蝕；腐蝕原理；實(shí)驗(yàn)探究

文章編號(hào)：1005–6629（2015）10–0046–04 中圖分類(lèi)號(hào)：G633.8 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

1 問(wèn)題的提出

金屬的電化學(xué)腐蝕是高中化學(xué)新教材《化學(xué)反應(yīng)原理》中的一個(gè)重要內(nèi)容。為了幫助學(xué)生理解金屬的吸氧腐蝕和析氫腐蝕的原理，蘇教版教材《化學(xué)反應(yīng)原理》[1]中安排了鐵的吸氧腐蝕和析氫腐蝕實(shí)驗(yàn)：將鐵粉和碳粉混合后分別撒入用氯化鈉和稀醋酸潤(rùn)濕的具支試管中，通過(guò)觀(guān)察與具支試管相連接導(dǎo)管中的水柱上升或下降情況，以體驗(yàn)鐵的電化學(xué)腐蝕。但有化學(xué)教師發(fā)現(xiàn)，按照教材中的實(shí)驗(yàn)方法可能需要幾十分鐘的時(shí)間才能觀(guān)察到明顯現(xiàn)象[2]。很多教師就此實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了改進(jìn)研究，如譚文生[3]通過(guò)用泡菜水浸濕的濾紙條沾附鐵粉和碳粉混合物進(jìn)行鐵的吸氧腐蝕實(shí)驗(yàn)，和用稀醋酸浸濕的濾紙條沾附鐵粉和碳粉混合物進(jìn)行鐵的析氫腐蝕實(shí)驗(yàn)；陶俞佳[4]對(duì)鐵粉和碳粉混合物的吸氧腐蝕實(shí)驗(yàn)裝置進(jìn)行了改進(jìn)；唐敏[5]改用不同溶液浸濕鐵粉和碳粉混合物探究鐵的電化學(xué)腐蝕。總體看來(lái)，多數(shù)對(duì)鐵的析氫、吸氧腐蝕實(shí)驗(yàn)的改進(jìn)，旨在使實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象更為明顯，而對(duì)于鐵析氫腐蝕的同時(shí)是否也發(fā)生吸氧腐蝕的探查較少。為了幫助學(xué)生更好地理解鐵的析氫腐蝕和吸氧腐蝕的原理，筆者改進(jìn)了實(shí)驗(yàn)裝置和實(shí)驗(yàn)操作方法，從定量的角度探究鐵的析氫腐蝕和吸氧腐蝕過(guò)程。

2 實(shí)驗(yàn)過(guò)程

2.1 實(shí)驗(yàn)原理

經(jīng)NaCl溶液濕潤(rùn)的碳粉、鐵粉混合物在空氣中發(fā)生吸氧腐蝕，其電極反應(yīng)及電池反應(yīng)的方程式為：

2.2 實(shí)驗(yàn)裝置

改進(jìn)后的實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示。裝置中具支試管壁上沾有NaCl溶液或稀酸溶液濕潤(rùn)的碳粉、鐵粉混合物，具支試管上的玻璃活塞用于腐蝕實(shí)驗(yàn)開(kāi)始時(shí)調(diào)節(jié)具支試管中的壓強(qiáng)與外界壓強(qiáng)一致；具支試管與盛有紅墨水的U型玻璃細(xì)導(dǎo)管相連，結(jié)合標(biāo)尺，可觀(guān)察記錄U型玻璃細(xì)導(dǎo)管中紅墨水的液面差（Δh）隨時(shí)間的變化。

2.3 實(shí)驗(yàn)操作

實(shí)驗(yàn)1 HCl濃度變化對(duì)鐵析氫腐蝕影響的探究

在圖1所示裝置的具支試管中分別加入1.5mL 3% HCl、4% HCl、5% HCl溶液，使溶液充分潤(rùn)濕試管壁；稱(chēng)取3.0g還原性鐵粉和0.6g碳顆粒在研缽中充分研磨，將研磨好的碳粉、鐵粉混合物迅速倒入具支試管中，振蕩試管使碳粉、鐵粉混合物附著在試管壁上，迅速塞緊橡皮塞，打開(kāi)活塞，U型玻璃導(dǎo)管中紅墨水左右兩邊液面持平后關(guān)閉活塞。每隔一定時(shí)間記錄U型玻璃導(dǎo)管中紅墨水左右兩邊的液面高度差Δh。

實(shí)驗(yàn)2 飽和NaCl溶液、5% HAc溶液對(duì)鐵腐蝕影響的探究

分別以飽和NaCl溶液、5% HAc溶液代替實(shí)驗(yàn)1中的鹽酸溶液，在圖1所示裝置中進(jìn)行鐵的析氫腐蝕和吸氧腐蝕實(shí)驗(yàn)。

實(shí)驗(yàn)3 鐵析氫腐蝕和吸氧腐蝕組合實(shí)驗(yàn)探究

在圖2所示裝置的兩只具支試管中分別加入1.5mL飽和NaCl溶液和1.5mL 5% HCl溶液，使溶液充分潤(rùn)濕試管壁，分別稱(chēng)取兩份0.6g碳顆粒和3.0g還原性鐵粉，在研缽中充分研磨，將研磨好的碳粉、鐵粉混合物迅速倒入具支試管中，振蕩試管使碳粉、鐵粉混合物附著在試管壁上，迅速塞緊橡皮塞，打開(kāi)活塞，U型玻璃導(dǎo)管中紅墨水左右兩邊液面持平后關(guān)閉活塞。每隔一定時(shí)間記錄U型玻璃導(dǎo)管中紅墨水左右兩邊的液面高度差Δh。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

3.1 不同酸度溶液對(duì)鐵析氫腐蝕的影響

在空氣中，鹽酸溶液濕潤(rùn)的碳粉、鐵粉混合物發(fā)生電化學(xué)腐蝕，導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)裝置中U型玻璃導(dǎo)管內(nèi)紅墨水的液面發(fā)生變化。不同濃度的鹽酸溶液濕潤(rùn)的碳粉、鐵粉混合物發(fā)生電化學(xué)腐蝕時(shí)U型玻璃細(xì)導(dǎo)管中紅墨水的液面差（Δh）隨時(shí)間的變化曲線(xiàn)如圖3所示。圖中Δh<0表示具支試管內(nèi)壓強(qiáng)增大，具支試管內(nèi)有氣體生成；Δh>0表示具支試管內(nèi)壓強(qiáng)減小，具支試管內(nèi)有氣體被消耗。

從圖3中可以看出：（1）用濃度為3%～5%的鹽酸溶液濕潤(rùn)的碳粉、鐵粉混合物，在空氣中經(jīng)過(guò)約10分鐘的電化學(xué)腐蝕，具支試管內(nèi)壓強(qiáng)均會(huì)減小，說(shuō)明即使在酸性環(huán)境中，鐵電化學(xué)腐蝕也會(huì)消耗氧氣。（2）用濃度為5%的鹽酸溶液濕潤(rùn)的碳粉、鐵粉混合物，在空氣中發(fā)生電化學(xué)腐蝕時(shí)，可明顯觀(guān)察到析出氫氣和吸收氧氣的現(xiàn)象，在鐵開(kāi)始腐蝕約1分鐘內(nèi)，由于腐蝕的酸度較大，析氫腐蝕導(dǎo)致的具支試管內(nèi)壓強(qiáng)增大強(qiáng)于吸收氧氣導(dǎo)致的具支試管內(nèi)壓強(qiáng)減小，可觀(guān)察到具支試管內(nèi)壓強(qiáng)增大（Δh<0）；隨著腐蝕的繼續(xù)進(jìn)行，環(huán)境的酸度不斷下降，鐵析氫腐蝕的速率減小，吸收氧氣導(dǎo)致的具支試管內(nèi)壓強(qiáng)減小明顯地表現(xiàn)出來(lái)，總體觀(guān)察到具支試管內(nèi)壓強(qiáng)減小（Δh增大）。（3）在空氣中用3%的鹽酸溶液濕潤(rùn)的碳粉、鐵粉混合物的腐蝕實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)過(guò)程中很難觀(guān)察到發(fā)生析氫腐蝕產(chǎn)生的析出氫氣的現(xiàn)象，只能觀(guān)察到具支試管內(nèi)壓強(qiáng)減小。筆者認(rèn)為這并不能說(shuō)明該條件下不發(fā)生析氫腐蝕，只是在該條件下鐵電化學(xué)腐蝕吸收氧氣導(dǎo)致具支試管內(nèi)壓強(qiáng)減小比析氫腐蝕析出氫氣導(dǎo)致具支試管內(nèi)壓強(qiáng)增大要強(qiáng)得多，因而只能觀(guān)察到具支試管內(nèi)壓強(qiáng)減小的現(xiàn)象。

3.2 不同介質(zhì)對(duì)鐵電化學(xué)腐蝕的影響

圖4給出了分別用5%的鹽酸溶液、醋酸溶液和飽和氯化鈉溶液濕潤(rùn)的碳粉、鐵粉混合物在空氣中電化學(xué)腐蝕時(shí)，U型玻璃導(dǎo)管中紅墨水左右兩邊的液面高度差Δh隨時(shí)間的變化曲線(xiàn)。為了說(shuō)明鐵析氫腐蝕時(shí)吸氧腐蝕的速率，圖4中同時(shí)給出了在圖2裝置中所做的鐵析氫腐蝕和吸氧腐蝕組合實(shí)驗(yàn)的結(jié)果。

比較圖4中的曲線(xiàn)1、2、3發(fā)現(xiàn)：（1）用5%的鹽酸溶液、醋酸溶液和飽和氯化鈉溶液濕潤(rùn)的碳粉、鐵粉混合物在空氣中電化學(xué)腐蝕時(shí)，都能觀(guān)察到鐵的吸氧腐蝕。用飽和氯化鈉溶液濕潤(rùn)的碳粉、鐵粉混合物在空氣中腐蝕時(shí)僅能觀(guān)察到吸氧腐蝕；用5%的鹽酸溶液或醋酸溶液濕潤(rùn)的碳粉、鐵粉混合物在空氣中腐蝕時(shí)，既能觀(guān)察到析氫腐蝕又能觀(guān)察到吸氧腐蝕。（2）碳粉、鐵粉混合物用5%的鹽酸溶液濕潤(rùn)比用5%的醋酸溶液濕潤(rùn)，更利于觀(guān)察鐵在酸性氛圍中的析氫腐蝕。

利用裝置2進(jìn)行的鐵析氫腐蝕和吸氧腐蝕組合實(shí)驗(yàn)的結(jié)果為圖4中的曲線(xiàn)4。該裝置中U型玻璃導(dǎo)管一邊聯(lián)接著鐵吸氧腐蝕裝置，另一邊聯(lián)接著鐵析氫腐蝕裝置，記錄的Δh為與鐵吸氧腐蝕裝置相連的U型玻璃導(dǎo)管內(nèi)紅墨水上升和與鐵析氫腐蝕裝置相連的U型玻璃導(dǎo)管內(nèi)紅墨水下降的差值（Δh增大表示鐵吸氧腐蝕裝置內(nèi)壓強(qiáng)減小）。比較曲線(xiàn)1和曲線(xiàn)4發(fā)現(xiàn)：（1）在時(shí)間約為90秒前曲線(xiàn)4的Δh上升的速率明顯大于曲線(xiàn)1的Δh上升的速率，說(shuō)明在該時(shí)間段內(nèi)裝置2中用5%的鹽酸溶液濕潤(rùn)的碳粉、鐵粉混合物發(fā)生的析氫腐蝕產(chǎn)生的氫氣速率大于其發(fā)生吸氧腐蝕消耗的氧氣速率，加上裝置2中用飽和氯化鈉溶液濕潤(rùn)的碳粉、鐵粉混合物發(fā)生著吸氧腐蝕消耗氧氣，整體表現(xiàn)為曲線(xiàn)4中的Δh上升的速率大于僅存在用飽和氯化鈉溶液濕潤(rùn)的碳粉、鐵粉混合物發(fā)生著吸氧腐蝕的Δh上升的速率。（2）在實(shí)驗(yàn)中鐵腐蝕發(fā)生約90秒后，曲線(xiàn)4的Δh上升的速率明顯減小，并出現(xiàn)下降。說(shuō)明在該時(shí)間段裝置2中用5%的鹽酸溶液濕潤(rùn)的碳粉、鐵粉混合物發(fā)生的析氫腐蝕析出氫氣的速率下降，而其吸氧腐蝕消耗氧氣的速率上升，且出現(xiàn)用5%的鹽酸溶液濕潤(rùn)的碳粉、鐵粉混合物吸氧腐蝕消耗的氧氣速率大于用飽和氯化鈉溶液濕潤(rùn)的碳粉、鐵粉混合物發(fā)生的吸氧腐蝕消耗氧氣的速率。其可能原因是，用酸性溶液濕潤(rùn)的碳粉、鐵粉混合物發(fā)生析氫腐蝕的同時(shí)，還發(fā)生著兩個(gè)反應(yīng)，一是析氫腐蝕生成的Fe2+和Fe（OH）2進(jìn)一步與氧氣反應(yīng)消耗氧氣，二是暴露在空氣中的鐵粉（特別是沒(méi)有完全被酸性溶液濕潤(rùn)的鐵粉）直接發(fā)生吸氧腐蝕消耗氧氣，這兩個(gè)反應(yīng)消耗氧氣的總速率比用飽和氯化鈉溶液濕潤(rùn)的碳粉、鐵粉混合物發(fā)生的吸氧腐蝕消耗氧氣的速率大。

3.3 結(jié)論

（1）鐵在酸性環(huán)境中發(fā)生腐蝕時(shí)，析出氫氣和消耗氧氣的反應(yīng)同時(shí)發(fā)生著。通過(guò)觀(guān)察鐵腐蝕體系中的壓強(qiáng)差來(lái)說(shuō)明鐵發(fā)生析氫腐蝕的實(shí)驗(yàn)，必須在鐵腐蝕析出氫氣的速率大于鐵腐蝕消耗氧氣的條件下進(jìn)行。即用類(lèi)似于裝置1進(jìn)行鐵析氫腐蝕實(shí)驗(yàn)時(shí)，要求濕潤(rùn)碳粉、鐵粉混合物的酸性溶液具有一定的酸度，例如用4%～5%的鹽酸溶液濕潤(rùn)碳粉、鐵粉混合物。

（2）鐵在酸性環(huán)境中發(fā)生腐蝕時(shí)，如果酸性介質(zhì)中H+的物質(zhì)的量不是較大（酸性介質(zhì)中H+的物質(zhì)的量較大時(shí)，發(fā)生的是酸與鐵的反應(yīng)），用如圖1所示裝置，實(shí)驗(yàn)中能同時(shí)觀(guān)察到析出氫氣和吸收氧氣的現(xiàn)象。

（3）在其他條件相同時(shí)，用裝置2進(jìn)行鐵析氫腐蝕和吸氧腐蝕組合實(shí)驗(yàn)，可觀(guān)察到“鐵發(fā)生析氫腐蝕過(guò)程中消耗氧氣的速率大于鐵單純發(fā)生吸氧腐蝕消耗氧氣的速率”的現(xiàn)象。

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