探索數字化實驗，突破教學難點
——以金屬電化學腐蝕為例

戴崇超

（上海市曹楊第二中學 上海 200062）

一、問題的提出

金屬的電化學腐蝕是高中化學選擇性必修《化學反應原理》中的重要內容。以鋼鐵為例，在潮濕的環境中，鋼鐵容易發生電化學腐蝕，鋼鐵表面在潮濕情況下，覆有一層水膜，其中溶有O2和CO2，同時水膜可以起到電解質溶液的作用，當水膜的酸性較強時，主要發生析氫腐蝕，而在水膜呈中性、弱酸性或弱堿性時，主要發生吸氧腐蝕。［1］

有學生提出疑問：在酸性較強環境下，水膜中也溶解有氧氣，在鋼鐵發生析氫腐蝕的同時，是否存在吸氧腐蝕？在中性或弱酸性環境下，溶液中也存在H+，在發生吸氧腐蝕的同時，是否也存在析氫腐蝕？

如何在課堂演示實驗中使得學生能夠快速、清晰地看到并理解兩者在不同pH 下同時存在又相互競爭？最直觀的方法是在不同pH 下，同時測定得到氣體壓力和氧氣濃度的變化曲線。

如果模擬實驗在密閉環境中進行，氣體總壓升高和氧氣濃度減小能夠證明水膜酸性較強情況下，金屬電化學腐蝕以析氫腐蝕為主，但同時也存在吸氧腐蝕。［4］

但在中性環境下，吸氧腐蝕發生時是否同時存在析氫腐蝕，又該如何觀察到？由于中性環境中鋼鐵發生電化學腐蝕的時候氣體總壓和氧氣濃度都在減小，從數據的變化上無法直觀、快速地觀察到氫氣的生成，且目前氫氣壓力傳感器也并未普及，如何利用現有數據，讓學生在課堂中能更直觀地獲得氫氣生成的曲線，從而幫助學生更好地理解析氫和吸氧腐蝕？

本文利用數字化實驗，借助氧氣濃度和氣體壓力傳感器，通過測定不同pH 下鋼鐵電化學腐蝕過程中氣體壓力和氧氣濃度的變化，利用logger-pro 軟件實時對實驗數據進行進一步處理、計算，同步得到氣體總壓力、氧氣壓力和氫氣壓力的變化曲線。使學生在課堂中能迅速、直觀地看到并理解酸性較強環境中電化學腐蝕以析氫腐蝕為主，但也存在吸氧腐蝕、中性弱酸性環境中以吸氧腐蝕為主，但也存在析氫腐蝕；兩者同時存在、相互競爭。

二、實驗過程

1.實驗原理

通過查閱資料筆者發現，從電化學角度計算，酸性較強環境中可以發生吸氧腐蝕；中性、弱酸性和弱堿性環境中，也能發生析氫腐蝕。［2］

Fe-H2O體系φ-pH圖見圖1。

圖1 Fe-H2O體系的φ -pH圖。

其中兩條虛線：

a 為氧線，代表的電極反應為：O2+4e-+2H2O→4OH-

b為氫線，代表的電極反應為：2H++2e-→H2↑

②線表示的電極反應為Fe2++2e-→Fe

③線表示的電極反應為Fe（OH）2+2e-→Fe+2OH-

從Fe-H2O體系的φ-pH圖中，可知：

（1）當鋼鐵在電解質溶液中發生電化腐蝕時，隨著pH的減小，無論析氫腐蝕還是吸氧腐蝕，它們發生的趨勢都在不斷增大。

（2）在酸性，中性和弱堿性條件下，氫線和氧線，都在②、③之上，說明析氫腐蝕和吸氧腐蝕在熱力學上都能發生。

雖然電極電勢可以判斷反應正向進行趨勢的大小，但實際反應速率的快慢還與動力學因素有關，析氫腐蝕的正極是溶液中的氫離子直接在正極獲得電子，形成氫氣，而吸氧腐蝕要發生，氧氣首先必須通過界面進入水溶液，之后氧氣借助對流、擴散，進入溶液的主體層，最后氧氣借助擴散，通過擴散層，達到固體表面，參與電極反應。因此，析氫吸氧腐蝕的發生快慢受多因素的影響，兩者同時發生，相互競爭。［3］

2.實驗儀器和試劑

儀器：壓強傳感器、氧氣濃度傳感器、溫度傳感器、數據采集器、磨口玻璃瓶、三孔橡皮塞、長條形濾紙。

實驗試劑：鐵粉、碳粉、冰醋酸、氯化鈉。

3.實驗操作步驟

（1）將壓強傳感器、氧氣濃度傳感器、溫度傳感器插入三孔塞。

由于氧氣濃度傳感器并不密封，若置于密閉裝置外，當其與壓強傳感器連用時會干擾氣體壓強的測定，所以將傳感器直接放入磨口玻璃瓶中，且需對三孔塞作嚴格密封處理，試劑瓶孔徑需較大，才能同時裝入三個傳感器，如圖2所示。

圖2 實驗裝置

（2）配制［H+］=0.01 mol/L，c（NaCl）=1 mol/L 的醋酸和氯化鈉混合溶液。

（3）實驗一：將長條濾紙放入玻璃瓶中，鋪滿玻璃瓶內壁，向其中加入pH=2的醋酸和氯化鈉混合溶液，使溶液充分潤濕濾紙，將18 g 鐵粉和6 g 碳粉的混合粉末迅速撒入玻璃瓶，使粉末與潤濕濾紙充分接觸，迅速將三孔塞裝入玻璃瓶。讀取溫度、壓強、氧氣濃度變化的數據得到原始數據曲線如圖3所示。

圖3 實驗一的原始數據曲線

（4）實驗二：將試劑改為1 mol/L NaCl 溶液，以同樣的實驗方法，將鐵粉碳粉撒入玻璃瓶中，模擬鋼鐵電化學腐蝕，進行實驗，得到原始數據曲線如圖4 所示。

圖4 實驗二的原始數據曲線

三、數據處理、結果分析

1.數據處理

Logger-pro軟件自帶的數據處理功能能夠允許我們將氧氣含量轉化為氧氣壓力，同時幫助我們結合溫度傳感器的數據對原始的氣體壓力和氧氣壓力數據進行修正，并同步計算出氫氣壓力的數據。

氧氣濃度傳感器是利用電化學原理，通過不同濃度的氧氣在電極上發生氧化還原反應時產生的電極電勢的不同，換算出氧氣濃度，并以0 海拔大氣壓為100 kPa，空氣中氧氣濃度為20.9%為準的。因此，筆者在上海的實驗條件下，可以認為p（氧氣）=氧氣濃度示數×100 kPa。

具體處理如下：

（1）首先將兩組圖像數據中的氣體總壓力和氧氣壓力的數據修正至同一溫度。

電化學腐蝕是放熱的過程，玻璃瓶導熱較慢，所以單純使用水槽在外部進行冷卻無法達到迅速將瓶內氣體溫度冷卻到室溫的效果，因此利用溫度傳感器，通過查理定律將反應過程中的氣體總壓和氧氣壓力的數據修正到298.15K。

在Logger-pro 軟件中新建數據欄，輸入“壓力”×298.15/（“溫度”+273）和“（氧氣濃度× 100）”×298.15/（“溫度”+273）即可得到兩組實驗數據修正后的數據曲線圖。

（2）兩組圖像數據中的氫氣壓力的計算。

氣體總壓的變化源自氧氣的減少和氫氣的生成，所以p（氫氣）=△p（總壓）-△p（氧氣）。

在Logger-pro軟件中新建數據欄，輸入：（“修正總壓”-102.77）+（20.75-“修正氧氣壓力”）（其中102.77和20.75為當天利用傳感器測定的大氣總壓和氧氣壓力）。

（3）實驗數據處理雖略顯繁瑣，但所有處理均可在實驗開始前設置完畢，課堂實驗過程中僅需進行簡單分析后就可以直接呈現修正和計算后的氣體總壓、氧氣壓力和氫氣壓力的三條曲線，如圖5、圖6所示。

圖5 實驗一：課堂實時呈現的氣體總壓力、氧氣壓力、氫氣壓力的變化曲線

圖6 實驗二：課堂實時呈現的氣體總壓力、氧氣壓力、氫氣壓力的變化曲線

2.實驗數據、結果分析

實驗一曲線前半段氣體總壓不斷增加，氧氣壓力不斷減少，氣體總壓不斷增大，說明此時溶液酸性較強，以析氫腐蝕為主，但同時存在吸氧腐蝕。曲線后半段總壓減小是因為溶液酸性減弱，使得鋼鐵電化學腐蝕逐漸轉變為吸氧腐蝕為主，但由于試劑瓶內的反應已經進行一段時間，此時氧氣分壓已經明顯小于空氣中氧氣分壓，與實際反應情況區別較大，故實驗二更貼近于中性溶液中鋼鐵電化學腐蝕的實際情況。

實驗二使用的是接近中性的氯化鈉溶液，反應開始的一段時間內氣體總壓、氧氣壓力均逐漸減小，說明此時以吸氧腐蝕為主，通過數據處理發現此時依然有氫氣生成，說明同時也存在析氫腐蝕，說明在中性情況下，吸氧腐蝕和析氫腐蝕也同時存在，此時以吸氧腐蝕為主。

上述實驗過程，整體耗時3-4 min左右，具備較好的當堂演示實驗的可行性，且現象明顯，曲線數據很好地說明不同pH下電化腐蝕過程中的氧氣消耗和氫氣生成的過程，幫助學生直觀清晰地認識到析氫腐蝕和吸氧腐蝕是一對同時存在而又相互競爭的反應。

同時，在實驗探究過程中還發現了下述意外情況，當將實驗時間不斷延長后，發現經過足夠長的時間，總壓均會再一次升高，如圖7所示，此時氧氣的分壓已經低于傳感器檢測下限，故氧氣壓力數據無意義。總壓再一次升高，說明雖然溶液的堿性已經在反應過程中明顯增強但由于氧氣壓力過低之后鋼鐵的吸氧腐蝕很難明顯發生，此時析氫腐蝕再一次成為電化學腐蝕的主要因素，這一偶然的發現也可以作為命題素材之一。

圖7 反應經過50min后氣體總壓力、氧氣壓力的變化曲線

四、教學實踐、激活創新思維

為了把實驗更好地在課堂上呈現，幫助學生理解和直觀地感受到析氫腐蝕和吸氧腐蝕是兩個同時存在而又相互競爭的反應，教學環節設計如下：

【演示實驗1】利用壓強傳感器、溫度傳感器、氧氣濃度傳感器模擬在pH=2的混合溶液中鋼鐵電化腐蝕過程的數字化實驗。

【教師】請同學們首先觀察反應過程中體系溫度的變化，并思考溫度對壓強的影響。

【學生】反應過程中溫度逐漸升高，溫度越高，氣體壓強越大。

【教師】那如何修正溫度對壓強的影響呢？

【學生】利用查理定律或者克拉伯龍定律將數據修正至同一溫度下。

【教師】那么從其他氣體壓力變化曲線上，同學們可以獲得哪些信息？

【學生】反應開始時總壓逐漸增大說明反應初期發生析氫腐蝕，之后壓強逐漸減小，說明發生吸氧腐蝕。

【教師】那么從氧氣壓力的變化中能獲得什么信息呢？

【學生】整個反應過程中氧氣的壓力始終在逐漸降低，說明整個過程中始終都有吸氧腐蝕發生。說明反應開始時總壓增加是氫氣增多和氧氣減少所造成的共同影響。

【教師】我們如何才能找到氫氣生成的證據呢？反應體系壓力的變化主要是由氧氣減少和氫氣增加共同引起的，因此，我們可以利用總壓和氧氣壓力的變化，通過p（氫氣）=△p（總壓）-△p（氧氣），計算出反應過程中氫氣分壓的變化。

【教師】既然金屬析氫和吸氧腐蝕同時存在，為什么反應開始時總壓在增大呢？

【學生】因為反應開始時溶液酸性較強，此時主要以析氫腐蝕為主，吸氧腐蝕發生速率比較慢，所以此時壓強總體在增加。

【演示實驗2】利用壓強傳感器、溫度傳感器、氧氣濃度傳感器模擬在1 mol/L 的氯化鈉溶液中鋼鐵電化腐蝕過程的數字化實驗。

【教師】通過使用和實驗一相同的方法來處理實驗二的數據后我們得到了上述曲線，請同學們根據處理后的圖像數據，分析曲線變化的原因。

【學生】在NaCl溶液中，鋼鐵也同時存在析氫和吸氧兩種腐蝕，但是總壓在減小，說明吸氧腐蝕的速率大于析氫腐蝕，在中性或弱酸性溶液中，吸氧腐蝕是主要的電化學腐蝕。

說明電化學腐蝕過程中析氫腐蝕和吸氧腐蝕是一對同時存在又相互競爭的反應。

5.總結

通過對實驗數據以及曲線進一步處理和分析，使學生直觀地看到電化學腐蝕過程中氫氣的生成和氧氣的消耗，讓電極上看不見的變化顯性化，深化學生對鋼鐵電化學腐蝕的原理及其正極反應發生條件的理解，同時體會化學反應的復雜性、多個反應競爭的普遍性和反應條件的重要性。應用數字化實驗這種現代技術幫助學生從新的視角感知微觀過程，使實驗與思維相結合，展現科學的提升觀。