金屬的腐蝕與防護系列實驗改進

李夢倩 謝美珊 王懷文 郭煒杰 李林燊

摘要：2019年版人教版選擇性必修1“金屬的腐蝕與防護”章節新增了犧牲陽極法實驗，為提升該實驗的教學功能，將其改進為“金屬的腐蝕與防護”系列微型實驗，探究不同條件下鐵的電化學腐蝕速率大小關系。改進后的實驗不僅保留了教材實驗趣味性強的優點，還補充了外加電流法的實驗，操作簡單，裝置微型化，現象明顯，大大縮短了實驗所需的時間，便于設計為學生分組實驗。

關鍵詞：金屬的防護與腐蝕；實驗改進；犧牲陽極法；外加電流法

文章編號：1008-0546（2023）12-0091-04 中圖分類號：G632.41 文獻標識碼：B

doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2023.12.0020

一、問題的提出

《普通高中化學課程標準（2017年版2020年修訂）》明確提出，“能利用電化學原理解釋金屬腐蝕現象，選擇并設計防腐措施”的學業要求，［1］因此在2019年版人教版選擇性必修1的教材中，在“金屬的腐蝕與防護”章節中新增了一個犧牲陽極法的趣味實驗，使得金屬的腐蝕過程更加可視化，即在培養皿中倒入食鹽瓊脂溶液，滴入5～6滴酚酞溶液和 K3［Fe（CN）6］溶液，將裹有鋅皮和纏有銅絲的鐵釘分別放入培養皿中，如圖1所示，一段時間后，（a）中的鐵釘附近瓊脂出現紅色，鋅皮附近無明顯現象，（b）中的鐵釘附近瓊脂出現藍色，銅絲附近瓊脂出現紅色。

按照教材指引完成實驗后，發現以下兩點有待改進：

1.產生實驗現象較慢

教材中未對K3［Fe（CN）6］的濃度進行說明，若選擇飽和的K3［Fe（CN）6］溶液，按照教材指引完成實驗時，發現出現教材實驗拍攝圖的現象大概需要4 h，不適合在課堂上開展學生分組實驗，且實驗使用的是直徑10 cm 的培養皿，若開展分組學生實驗，實驗藥品消耗量較大。

2. Fe2+可能會與K3［Fe（CN）6］反應

若按照教材的指引配制食鹽瓊脂，即使是使用6滴飽和的 K3［Fe（CN）6］溶液，也需要較長的時間才能明顯看到瓊脂呈藍色。但是若選擇滴加更多的 K3［Fe（CN）6］溶液，又會加速 K3［Fe（CN）6］與鐵的反應，K3［Fe（CN）6］會將鐵氧化成 Fe2+，［2］而 Fe2+會與 K3［Fe（CN）6］繼續反應生成藍色的沉淀，對負極產物Fe2+的檢驗造成干擾。

二、文獻追蹤

對比新舊教材的實驗，可以發現新教材新增的“犧牲陽極法實驗”進步之處可概括為以下三點：第一，補充了鐵與較不活潑金屬構成原電池時，鐵充當負極被腐蝕的實驗；第二，采用鐵釘、鋅皮、銅絲，裝置簡單，現象美觀，有一定的趣味性；第三，將 NaCl、酚酞、K3［Fe（CN）6］與瓊脂混合，減小了Fe2+的擴散程度，縮短了藍色沉淀產生的時間。

以“金屬的防護與腐蝕”“實驗改進”“犧牲陽極法”等為關鍵詞，在知網上搜索到相關文獻有22篇。由于該實驗是新教材新增的實驗，而大部分文獻研究的是舊教材中已有的吸氧腐蝕（鐵與碳粉混合）實驗，以及鋅片與鐵片構成原電池的實驗，只有少數文獻有一定的參考價值。

比如，鄭曉紅的實驗中，［3］設置了空白鐵釘組作為鋅鐵原電池組的對照，如圖2所示，在酸化的飽和NaCl溶液中，1 min 內鐵片腐蝕便會使滴有K3［Fe（CN）6］溶液的濾紙呈現藍色，而在鋅片的保護下，鐵片上的濾紙無藍色出現。該實驗中濾紙的使用能使 Fe2+更為集中，現象更明顯。由于在溶液中進行實驗，Fe2+的擴散會使得藍色不明顯或出現得較慢，于是，也有較多的文獻采用了U型管、小套管等措施來減慢Fe2+的擴散，但都出現了K3［Fe（CN）6］與鐵電極直接接觸的問題。清華附中的朱式玉的實驗中除了使用鐵與鋅兩種金屬作電極，［4］還增設了鐵與銅兩種金屬的對比實驗組，如圖3所示，將鐵釘與鋅片用銅線相連放入有鹽酸、H2O2、 KSCN 的混合溶液中，通過銅絲的剪斷與否，體現鐵釘作陰極被保護，作陽極被腐蝕的效果。但上述文獻中的實驗都是在酸化的溶液中進行，鐵的化學腐蝕不容忽略，而實驗的目的是研究不同條件下的鐵的電化學腐蝕速率。史文杰為了使現象出現的時間更短，［5］在新教材的基礎上，將銅絲纏繞鐵釘改為鐵釘鍍銅，然后浸泡在 NaCl、酚酞、K3［Fe（CN）6］的熱瓊脂溶液，可較快觀察到明顯現象。相比于纏繞銅絲，電鍍法可使得銅覆蓋得更為致密，但是“熱溶液”的形式不便在課堂開展小組實驗。

三、實驗設計

1.實驗用品

瓊脂粉、飽和NaCl溶液、酚酞、K3［Fe（CN）6］溶液、蒸餾水、6孔井穴板、6根鐵絲、銅絲、銅片、錫絲、鋅皮、9 V 電池。

2.實驗裝置圖（見圖4）

3.實驗步驟

（1）實驗準備

稱取1g 瓊脂粉，與150 mL 蒸餾水和50 mL 飽和 NaCl溶液煮沸，然后加入10滴酚酞溶液（酚酞溶液濃度可適當大一點，便于現象明顯），注入6孔井穴板中，待其凝固。

準備1根鐵絲，將一端纏繞在銅絲上，另一端螺旋旋轉10圈左右，可增大電極與電解質溶液的接觸面積，如圖4中組①所示。其他5根鐵絲（其中一端也纏繞10圈，保證反應時鐵絲與瓊脂的接觸面積相同）分別做以下處理：纏繞在錫絲上、纏繞在鋅皮上、連接電源正極、連接電源負極、不做處理。

（2）發生反應，檢驗電極產物

將鐵絲與銅絲纏繞組、鐵絲與錫絲纏繞組、鐵絲（空白組）、鐵絲與鋅皮纏繞組、鐵絲與銅片外加電源（鐵作陰極）組、鐵絲與銅片外加電源（鐵作陽極）組依次插入到6組瓊脂中，如圖4中組①～⑥所示，電池選用9 V 電池。1～2 min后，取出金屬，在鐵附近的瓊脂處滴1滴0.25 mol ·L-1的K3［Fe（CN）6］溶液，觀察現象。

4.實驗結果

6組實驗的現象及分析如表1所示。原電池組（①、②、③、④）1～2 min 即可觀察到現象，外加電源的⑤和⑥組10 s 即可觀察到明顯現象。從圖5可以觀察到，①、②、③、⑥組中鐵電極附近均出現藍色，且由深至淺為：⑥>①>②>③ ， 鐵電極附近紅色由深至淺為⑤>④>③ ， 可以證明腐蝕速率的大小為：電解池的陽極>原電池的負極>吸氧腐蝕>原電池的正極>電解池的陰極，且構成原電池的正負極活潑性之差越大，負極腐蝕速率越快。

5.其他現象說明

學生發現，空白鐵絲組（組③）會同時出現紅色和藍色，若將鐵絲插入較深，還可觀察到紅色主要集中于瓊脂表面處，藍色集中于瓊脂深處。此現象可解釋為鐵在該情況中發生了吸氧腐蝕，在瓊脂表面處氧氣濃度大，發生反應：O2+4e－+2H2O=4OH－，瓊脂深處氧氣含量相對較少，鐵絲發生反應：Fe=Fe2++2e－，因此藍色沉淀主要在瓊脂深處，而這其實也就是金屬構件在海水中會發生的氧濃差腐蝕。海水表面氧濃度高于深處，所以金屬上部的腐蝕電位要高于下部，產生了電位差，從而引起電子的傳輸，導致金屬產生腐蝕。［6］

四、改進后實驗的創新

1.實驗更微型

使用孔徑為2 cm 或3 cm 的井穴板代替10 cm 直徑的生物培養皿，大大減少了瓊脂的用量和實驗準備的工作量，也可同時進行多組對比實驗，也便于學生開展小組實驗。

2.實驗現象明顯且快速

改進后的實驗可以在2 min 內就看到較為明顯的現象，借助特征試劑的顯色深淺及范圍，學生可以親眼見證金屬的腐蝕過程并比較速率快慢。

3. Fe2+的檢驗方式更科學

由于鐵釘可能與K3［Fe（CN）6］溶液發生反應，因此在配制瓊脂溶液時，不加入 K3［Fe（CN）6］溶液，當鐵釘放入瓊脂反應一段時間后，取出鐵釘再局部滴加 K3［Fe（CN）6］溶液，這樣可以避免了鐵與K3［Fe（CN）6］直接接觸，使得 Fe2+的檢驗方式更嚴謹。

4.開發成系列實驗

改進后的實驗是在教材“犧牲陽極法”實驗的基礎上，加入了“外加電流法”實驗，與犧牲陽極法、化學腐蝕（以及吸氧腐蝕）構成電化學系列實驗。另外，在開展課堂教學時，教師也可以根據課堂的需要，利用改進后的裝置繼續探究外加電流時電壓的大小、陰陽極材料的選擇等因素對金屬腐蝕速率的影響，實驗的可開發空間大。

五、結語

在課堂的最后，通過電化學腐蝕速率比較的典型例題（如圖6）進行即時鞏固，學生答題效果非常理想，說明通過實驗探究，學生已經成功構建了金屬腐蝕與防護的思維模型。在課后的訪談中，學生表示“現象非常好看”“原來外加電源腐蝕速率快這么多”，說明學生們通過親手實驗，體會到了化學之精髓。

本實驗在教材的基礎上，進一步實現了實驗微型化，做到了現象快且對比明顯，不僅便于教師的演示，也有助于課堂分組實驗的開展，培養學生宏觀辨識與微觀探析等化學核心素養。

參考文獻

［1］中華人民共和國教育部.普通高中化學課程標準（2017年版2020年修訂）［S］.北京：人民教育出版社，2020.

［2］房壽高.鐵氰化鉀溶液與鐵反應的實驗探究［J］.化學教學，2014（10）：59-61.

［3］鄭曉紅.金屬的腐蝕與防護實驗設計［J］.化學教育（中英文），2015，36（3）：69-72.

［4］朱式玉.金屬防腐蝕的實驗——犧牲陽極的陰極保護法［J］.教學儀器與實驗，1986（1）：21-24.

［5］史文杰，李冉，郭玉林，田巧云.提升化學學科核心素養的高中化學教學——以“金屬的防護”為例［J］.化學教育（中英文），2022，43（5）：34-39.

［6］劉英偉，張洋.海水管路氧濃差腐蝕數值分析［J］.天津大學學報（自然科學與工程技術版），2020，53（10）：1019-1027.