基于手持技術探究不同介質中鐵的析氫腐蝕和吸氧腐蝕

劉燕偉 吳紅艷

摘 要：本文采用手持技術探究三種不同介質中鐵的析氫腐蝕和吸氧腐蝕，借助氫氣、氧氣、溫度以及pH傳感器，便捷、直觀地測定實驗過程中氫氣、氧氣、溫度和pH的變化過程。實驗數據表明：強酸條件下以析氫腐蝕為主;中性條件下發生吸氧腐蝕;弱酸性條件下，析氫腐蝕和吸氧腐蝕是同時發生的。

關鍵詞：析氫腐蝕;吸氧腐蝕;手持技術;實驗探究

一、 提出問題

金屬的電化學腐蝕是高中化學選修四《化學反應原理》中的重要知識點，其實質是金屬與電解質溶液接觸在表面形成原電池，電化學的反應機理和形成條件均為重難點知識。

學生在理解鐵的腐蝕原理時認為在酸性條件下發生鐵的析氫腐蝕，在中性或堿性條件下發生鐵的吸氧腐蝕。但對析氫腐蝕和吸氧腐蝕共存卻持有懷疑的態度。

查閱文獻得知，近年來化學教學工作者利用鐵的析氫和吸氧腐蝕實驗進行改進，以及利用數字化儀器（氧氣和壓力傳感器）間接地研究鐵的析氫和吸氧腐蝕。現象不夠直觀，不能定量地表示出鐵的析氫和吸氧腐蝕，而且壓力變化無法排除溫度變化的影響。

為了幫助學生更好地理解鐵的析氫腐蝕和吸氧腐蝕的原理，我們借助氫氣傳感器、氧氣傳感器、溫度傳感器以及pH傳感器實時監測不同介質中鐵的析氫腐蝕和吸氧腐蝕的細微的變化過程，幫助學生正確理解析氫腐蝕和吸氧腐蝕的概念。

二、 實驗過程

（一） 實驗原理

在酸性條件下，鐵發生析氫腐蝕，反應原理：

在中性或弱酸性條件下，發生吸氧腐蝕，反應原理：

與氧氣的接觸后，鐵最終被氧化成氫氧化鐵，氫氧化鐵再脫去一部分水后生成鐵銹。

根據實驗的反應原理，實驗中利用氧氣傳感器、氫氣傳感器和pH傳感器、溫度傳感器分別進行實時監測反應中氧氣、氫氣的濃度和反應中溶液的pH、溫度的變化。

（二） 實驗藥品與儀器

還原鐵粉、炭粉、2mol/L醋酸溶液、2mol/L鹽酸溶液、2mol/L氯化鈉溶液、四頸燒瓶。

本實驗采用朗威公司的數字采集器、傳感器（分別為氧氣、氫氣、溫度和pH傳感器）。

（三） 實驗過程

1. 中性條件下的吸氧腐蝕

（1）稱取1g炭粉和8g鐵粉混合均勻后加入四頸燒瓶中，再向四頸燒瓶中加入2mol/L的氯化鈉溶液至剛好浸沒pH傳感器，迅速地塞緊各個單孔膠塞，裝好傳感器。

（2）分別開通四個傳感器窗口，開啟儀器采集數據，采集反應過程中氫氣、氧氣、溫度和pH的變化情況，采集數據，利用Origin軟件對數據進行繪圖。橫坐標選擇時間，采集氫氣濃度、氧氣濃度、溫度和pH。

（3）實驗結果及討論

實驗結果是氧氣減少速率較慢，無氫氣放出;即在中性條件下，吸氧腐蝕速率較慢，無氫氣放出，即發生吸氧腐蝕。

2. 酸性較弱條件下的析氫腐蝕和吸氧腐蝕

（1）將實驗1中的“2mol/L的氯化鈉溶液”換成“2mol/L醋酸溶液”，其他實驗操作步驟不變（實驗結果見圖1）。

（2）實驗結果及討論

酸性較弱的條件下，pH呈增大趨勢，但變化緩慢;溫度變化不明顯;氫氣的含量呈增加趨勢，但達到最大值時，氫氣的含量下降;氧氣的含量在整個過程中一直下降。

酸性較弱的條件下，析氫腐蝕和吸氧腐蝕共存，但以析氫腐蝕為主。隨著酸性的減弱，吸氧腐蝕逐漸增強，后期以吸氧腐蝕為主。

其中酸性較弱的條件下，氫氣的含量呈增加趨勢，但達到最大值時，氫氣的含量下降。因為

H2+2Fe3+2H++2Fe2+ Eθ=0.771-0=0.771>0，所以我們猜測氫氣有可能是被溶液中的鐵離子氧化。但后續的實驗我們還在繼續研究中。

3.? 酸性較強條件下的析氫腐蝕

（1）將實驗1中的“2mol/L的氯化鈉溶液”換成“2mol/L的鹽酸溶液”，其他實驗操作不變。

（2）實驗結果及討論

在酸性較強的條件下，反應很劇烈，很快釋放出大量的氫氣，即發生析氫腐蝕。

三、 實驗小結

我們通過可視化的實驗儀器探究三種不同介質中（強酸、弱酸、中性）鐵的析氫腐蝕和吸氧腐蝕。在以上的實驗中，利用傳感器（氧氣、氫氣、溫度和pH傳感器）便捷地、直觀地實時監測實驗過程中氧氣、氫氣、溫度和pH的微弱變化。在較強酸性下主要發生析氫腐蝕;中性條件下只發生吸氧腐蝕;弱酸性條件下，析氫腐蝕和吸氧腐蝕同時發生。

參考文獻：

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作者簡介：劉燕偉，吳紅艷，安徽省蚌埠市，蚌埠第一中學。