鐵的吸氧腐蝕實驗的新設計

陳云

摘要： 依據鐵的吸氧腐蝕原理，運用“一次性暖貼”、玻璃儀器以及手持技術改進傳統實驗。采用玻璃儀器探究鐵的吸氧腐蝕過程中的物質轉化，進一步利用氧氣傳感器和溫度傳感器對鐵氧化過程的能量變化、鐵的吸氧腐蝕的微觀原理、影響鐵的吸氧腐蝕速率因素等進行實驗探究，說明鋼鐵的吸氧腐蝕是一個氧氣參與的放熱反應。

關鍵詞： 吸氧腐蝕；氧氣傳感器；溫度傳感器；實驗探究

文章編號： 1005-6629（2018）4-0059-03 中圖分類號： G633.8 文獻標識碼： B

1 問題的提出

蘇教版《化學反應原理》在金屬的電化學腐蝕中設計了這樣的活動與探究： 向還原鐵粉中加入少量的炭粉，混合均勻后，撒入內壁用氯化鈉溶液潤濕過的具支試管中，按圖1組裝好儀器。幾分鐘后，打開止水夾，觀察、比較導管中水柱（在水中滴加幾滴紅墨水）的變化和試管中的現象。

圖1 教材上鐵的腐蝕實驗裝置

學生對實驗現象進行分析時可能存在以下困惑： 鋼鐵在潮濕空氣中容易生銹為什么是吸氧腐蝕過程，如何證明？鐵原子失電子，氧化產物是什么，如何證明？導管內水柱上升只能說明具支試管內氣體減少，怎么證明是O2參加反應呢？是否可以從定性和定量兩個角度證明O2參與吸氧腐蝕過程？

化學解惑的重要途徑就是實驗探究，利用玻璃儀器的傳統實驗呈現物質變化的宏觀現象，借助電子傳感器捕捉化學反應過程中的細微變化，通過手持技術對鐵的吸氧腐蝕實驗進行改進和補充，從而幫助學生正確理解吸氧腐蝕的概念，解決學生的疑惑問題。

2 實驗探究分析鐵的吸氧腐蝕原理

2.1 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：

負極反應： Fe-2e-Fe2+

正極反應： 2H2O+O2+4e- 4OH-

電池總反應： 2Fe+O2+2H2O2Fe（OH）2

后續進一步反應： 4Fe（OH）2+O2+2H2O4Fe（OH）3， 2Fe（OH）3Fe2O3·xH2O+（3-x）H2O

本實驗設計從兩個角度分析鐵的吸氧腐蝕實驗原理：

（1） 為驗證鐵的吸氧腐蝕是電化學過程，將鐵、碳從微觀粒子放大到鐵釘和碳棒，通過連接微電流計觀察指針偏轉情況說明構成原電池。向鐵釘處滴加K3[Fe（CN）6]溶液，向碳棒處滴加酚酞溶液，通過現象證明原電池正負極產物。

（2） 為驗證鐵的吸氧腐蝕過程中氧氣的參與情況，設計利用氧氣傳感器在一個封閉環境中測定一次性暖貼發熱過程中氧氣濃度的變化。通過改變氧氣初始濃度利用溫度傳感器監測溫度變化，探究氧氣初始濃度對鋼鐵吸氧腐蝕的影響。

2.2 實驗藥品與儀器

實驗儀器： 威尼爾數據采集器、氧氣傳感器、溫度傳感器、濾紙、帶魚嘴夾的導線、電流表、培養皿、雙口瓶、單孔塞、導管、剪刀、燒杯、玻璃棒、漏斗

實驗藥品： 鐵釘、多孔碳棒、1mol/L Na2SO4溶液、6mol/L NaCl溶液、K3[Fe（CN）6]溶液、酚酞溶液、雙氧水、二氧化錳、一次性暖貼（鐵粉型、市售）

本實驗采用威尼爾公司的數字采集器、數據采集軟件、氧氣傳感器以及溫度傳感器。

2.3 實驗裝置

實驗裝置見圖2。

圖2 改進的鐵的電化學腐蝕實驗裝置

2.4 實驗過程

實驗探究1：

將一片用6mol/L NaCl溶液濕潤的濾紙條置于培養皿中，將帶有魚嘴夾的兩根導線分別夾鐵釘和碳棒，連接微電流計，將兩電極分別接觸濾紙條兩端，觀察、記錄實驗現象。

實驗探究2：

將鐵釘、碳棒置于用6mol/L NaCl溶液濕潤的濾紙條上，連接電流計反應一段時間之后，向鐵釘與濾紙接觸處滴加1滴K3[Fe（CN）6]溶液[1]，向碳棒與濾紙接觸處滴加1滴酚酞溶液，觀察、記錄實驗現象{提示： Fe2+的檢驗： 加入K3[Fe（CN）6]溶液，產生特征藍色沉淀}。

實驗探究3：

用USB數據線將計算機與數字采集器連接起來，將氧氣傳感器、溫度傳感器連接到數據采集器上。將濾紙卷成圓筒狀放入雙口瓶內，使筒口對準插入溫度傳感器的瓶口，在雙口瓶的另一端接入氧氣傳感器。取一袋一次性暖貼，剪開，將其中的固體粉末倒入燒杯內，用玻璃棒迅速攪拌均勻，再沿漏斗從連接溫度傳感器的瓶口倒入正下方圓柱形濾紙槽內，迅速插入溫度傳感器，點擊數據采集器。

數據圖像縱軸選擇O2濃度（%）（體積分數）和溫度（℃），橫軸選擇時間（s），開啟儀器采集數據，觀察氧氣濃度和溫度變化情況。

實驗探究4：

向雙口瓶中通入氧氣，用氧氣傳感器監測氧氣濃度變化。再重復操作，改變氧氣初始濃度，采集數據，觀察O2濃度和溫度隨時間變化情況。

2.5 結果與討論

（1） 實驗探究1和實驗探究2結果表明通過觀察到有電流通過微電流計指針偏轉，說明構成原電池，驗證鋼鐵的吸氧腐蝕是一種電化學過程。鐵電極附近產生特征藍色沉淀說明生成Fe2+，碳電極附近變成紅色說明生成OH-，現象很好地將鋼鐵的吸氧腐蝕過程中的物質轉化情況加以體現。

（2） 實驗探究3結果如圖3，實驗表明O2含量在300秒內從最初的21%逐漸下降到14%，溫度從最初的34℃逐漸上升到47℃，說明鐵的吸氧腐蝕是一個放熱的過程，雙口瓶內減少的氣體是O2，即氧氣參與鐵的腐蝕。實驗探究4結果如圖4和圖5，實驗表明氧氣初始濃度越高，溫度上升越快，吸氧腐蝕速率越快。

圖3 氧氣起始濃度為21%的放熱時間曲線

圖4 不同氧氣起始濃度隨時間變化的曲線

圖5 不同氧氣起始濃度時溫度隨時間變化的曲線

2.6 結論

本實驗運用“一次性暖貼”、玻璃儀器以及手持技術，通過在密閉容器內氧氣的濃度隨著溫度的上升逐漸減小的變化曲線，并且O2初始濃度越高，溫度上升越快，鋼鐵吸氧腐蝕速率也更快，說明鋼鐵的吸氧腐蝕中氧氣參與了反應且是一個放熱的過程。

3 反思與啟示

鐵的吸氧腐蝕實驗是氧化還原反應原理在電化學中的應用之一，如何將反應的微觀變化盡可能通過技術手段呈現出來成為本實驗設計的主要思想。與傳統實驗相比較： 將鐵、碳從微觀顆粒放大到鐵釘和碳棒，宏觀展現其電化學原理，利用宏觀現象解釋微觀的物質變化，有效地激發了學生思維。實驗在培養皿中進行，用濾紙作為載體，材料易得，操作簡單，現象明顯，便于學生分組探究。手持技術的應用使得一些原本不明顯的現象更加明顯和可測。將手持技術運用于鋼鐵的吸氧腐蝕的定性和定量研究已經有不少人做過，如何創新是最難的。在查閱資料過程中發現已經做過的工作主要有以下幾種： 單傳感器監測氧氣[2]或壓強變化；單傳感器監測溶解氧變化[3]；雙傳感器監測O2和壓強變化[4]等，但是實驗設計中都有一個共性，即運用的藥品是實驗室的鐵粉、碳粉和NaCl。化學來源于生活，在學習的過程中，又向學生滲透了利用新技術、新方法。學習化學的主要目的是服務于工業與生活，并應用于解決生活中的相關問題。因此結合生活中的化學，本實驗直接利用熟悉的“一次性暖貼”，對其包裝設計和藥品成分展開討論研究。

實驗過程中發現有以下幾方面需要作進一步思考：

（1） 學生探究實驗設計。在設計探究鋼鐵的吸氧腐蝕原理的實驗時，發現構成原電池的放電量很小，因此在選擇電流計時應選擇微電流計。本實驗檢驗亞鐵離子時選用K3[Fe（CN）6]溶液，實驗現象較為明顯，但這種藥品學生并不熟悉，若使用熟悉的檢驗方法應怎樣改進？

（2） 原電池實驗設計。在考慮O2參與反應時，曾設計向正極多孔碳棒通入O2，但是效果較差，原因是多方面的，如飽和NaCl溶液中O2的溶解度較小、碳棒吸附O2的能力也很小等。后續工作如怎樣增大正極碳吸附O2的效果；選擇合適的NaCl溶液的濃度以增大O2的溶解度；溫度的影響，是否可以結合手持技術作進一步的探究等，都是可以繼續進行實驗探究的方面[5]。

（3） 實驗設計時，相關知識緊密聯系工業與生活。如： 鐵、碳混合物在水溶液中形成微電池，可以用來處理水中的污染物，是否可以從這個角度進一步作實驗探究。因此后續相關工作還有很多，需要不斷去探索。

參考文獻：

[1]鄭曉紅.幾則電化學實驗的改進與創新[J].化學教育， 2015，（3）： 69～72.

[2]徐泓，朱敏，魏明貴.鐵粉吸氧腐蝕系列實驗的設計及應用[J].化學教學， 2015，（4）： 63～66.

[3]江軍.基于原理解讀的鐵吸氧腐蝕實驗再設計[J].化學教育， 2015，（15）： 56～59.

[4]江軍.利用數字化實驗系統探究鐵的吸氧腐蝕實驗[J].化學教育， 2014，（7）： 55～58.

[5]徐衛瑛，趙琦.微型氧濃差電池的制作與分析[J].化學教學， 2013，（12）： 51～52.