鐵生銹實驗的半定量化研究

羅鵬

摘要：文章研究鋼絲絨生銹的過程，巧妙利用滴定管來半定量研究鐵的生銹氧化過程。通過滴定管中氣體體積的變化情況，來計算反應過程中氧氣含量的變化情況。從反應動力學角度證實，鐵的生銹反應是關于氧氣含量的一級反應。通過對數據的收集和處理，讓學生體會科學定量化學實驗，讓實驗回歸本質。

關鍵詞：鋼絲絨；生銹；半定量研究

文章編號：1008-0546（2017）02-0095-02 中圖分類號：G633.8 文獻標識碼：B

doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2017.02.032

一、問題的提出

鐵合金（鋼）作為全球消耗量最大的材料，每年因氧化生銹腐蝕的量也相當驚人。在中學教材中[1]，關于鐵的生銹過程通常是以鐵釘或者鐵絲來演示完成的。筆者認為以鐵釘或鐵絲生銹過程往往很難開展相關定量實驗。而以鋼絲絨來研究鐵的生銹過程能更加快速、定量地描述該反應過程的反應動力學問題。基于這樣的思考，筆者開展相關實驗，取得了較好的結果，供各位同仁參考。

鋼絲絨又名鋼絲棉，也可叫鋼鐵絲絨，成絲絨狀，由多根連續的纖維組成一定寬度的帶狀，纖維由粗到細一般分8個型號：4#、3#、2#、1#、0#、00#、000#、0000#。纖維越細越柔軟，較細纖維的棉帶摸起來像棉花一樣柔軟，故又名為鋼絲棉，其實較粗纖維的棉帶并非像其名，它比細棉硬且易劃破手，用高倍度顯微鏡看，纖維的兩邊呈鋒利的刀口狀。 鋼絲棉產品應用廣泛：一般用于家居清潔，大型商場、酒店賓館、公共場所等設施的清潔，石材木器等拋光打磨加工行業，汽車行業等。因國內該行業起步較晚，大家對其認識還比較少，還有更多未開發的使用領域。本文選擇000#鋼絲絨開展實驗。

二、實驗部分

實驗裝置：水槽（或大燒杯）、聚四氟乙烯通用滴定管。

實驗試劑：鋼絲絨000#、乙酸（分析純）、去離子水。

數據處理軟件：Original 6.1。

實驗步驟：取質量約為0.5g左右鋼絲絨，用去離子水和乙酸（體積比為100∶1）混合溶液潤濕，這樣做可以加速反應，減少觀察時間。從活塞端將濕潤的鋼絲絨放在滴定管中（戴手套完成，防止鋼絲絨劃破手），關閉活塞。滴定管內用水封住一定體積（約為50mL）的空氣，滴定管倒置于水槽中。通過觀察記錄水位的變化，從而得到其中氣體體積的改變量，計算參與反應的氧氣量。

三、實驗數據與討論

表1為兩個同時開展實驗記錄了7天的數據。隨著時間的推移滴定管中氣體逐漸減少，這主要是鐵生銹消耗了空氣中氧氣所導致。

為了盡可能地減小誤差，兩組實驗在同一滴定管中進行，實驗溫度25℃左右（實驗室恒溫）。一般來說，空氣中氧氣的含量占到20%左右，因此滴定管中反應初始階段氧氣含量就為10mL左右。 為了盡可能準確地表示反應過程中氧氣的含量情況，本文采取了混合氣體中氧氣的摩爾分數來表示氧氣在反應過程中的含量的變化。

為了進一步探究相關動力學問題，我們開展數據處理。取In（氧氣摩爾分數）對時間（天數）作圖，得到較好的線性關系（R達到0.99左右）。大學《物理化學》教材[2]中指出，In（反應物濃度）與時間t呈線性關系為反應動力學一級反應的標志。因此，鐵的生銹反應是關于反應物氧氣含量而言的一級反應。也即鐵的生銹速率與氧氣濃度的一次方成正比。符合動力學一級反應的特征，比如有固定的半衰期，反應物濃度隨時間呈指數性下降等。

四、結論

巧妙地使用實驗室中常見的定量儀器滴定管成功的半定量化研究了鐵的氧化生銹反應，證實了鐵生銹反應是關于氧氣含量的一級反應，與文獻[3]報道的結論一致。讓學生參與實驗過程，通過對數據的記錄和分析，來體驗定量實驗的過程，增長科學素養和培養自己的動手能力。

參考文獻

[1] 人民教育出版社課程教材研究所化學課程考研研發中心.普通高中課程標準實驗教科書·化學反應原理 [M]. 北京：人民教育出版社，2007：85

[2] 傅獻彩等. 物理化學（第四版）下冊[M]. 北京：高等教育出版社，2003：712-713

[3] Wilson，R. E. The Mechanism of Corrosion of Iron and Steel in Natural Waters and the Calculation of Specific Rates of Corrosion. Ind. Eng. Chem[J].1923：127-134