钢铁吸氧腐蚀演示实验的创新设计

朱石明陈 凯

☆创新实验设计☆

钢铁吸氧腐蚀演示实验的创新设计

朱石明1陈 凯2

《高中化学课程标准》在《化学反应原理》选修模块中要求“能解释金属发生电化学腐蚀的原因,认识金属腐蚀的危害,通过实验探究防止金属腐蚀的措施。”教师开展“钢铁吸氧腐蚀”教学时大多依赖多媒体动画演示以配合理论教学,相关实验也仅限于“防止腐蚀”,而不关注“如何腐蚀”——钢铁腐蚀为何主要表现为有氧气参与的腐蚀？腐蚀时发生了什么原电池反应？钢铁腐蚀为何最终会生成铁锈？这一系列问题对习惯于宏观表征思维的中学生来说总是难以理解,学生对钢铁腐蚀的知识仍然停留在死记硬背电极反应式的学习模式中。

鉴于此,我们借鉴了钢铁腐蚀的专题研究文献,结合个人的探究,设计了一系列课堂演示实验,实验总耗时仅需10分钟左右。在新授课时如能在课堂上增补以下演示实验,不仅有利于学生对钢铁的腐蚀有深刻的理解,而且对以后学习金属的防护会有更大的益处。

一、重现一次偶然的发现（趣味钢铁腐蚀问题的引出）

笔者在读高中时,特别喜爱搞些手工制作。在一次摆弄自己“土制”的“万用电表”时,发现了一个令当时的笔者无法解释的现象：当将自做的两只相同铁质表棒插入潮湿的泥土中时,竟然发现万用表的指针发生了微微的偏转！难道相同的铁电极也能构成原电池吗？

图1 一次偶然的发现

我们先重现一下当时的事实：

【实验1】将氯化钠溶液加入有棉布隔膜的水槽中,用导线连接好2只铁片电极及物理教学用演示电流计（量程100μA）,观察是否有电流产生。

如图2,本实验选用长方形的塑料水槽,中间加1个棉质的隔膜,使两边连通,只是减缓了两极氧气的相互扩散。先在其中加入适量食盐水溶液,再将准备好的2只一样的铁片电极（提前用铁砂纸打磨除去表面铁锈）,与1只物理上用的100μA演示电流计,连接好导线。特别应注意的是：应先将连电表负极的铁片插入溶液10～20秒左右,再将连电表正极的铁片插入溶液中（这是本实验成功的秘诀！因为先放入的铁片由于局部吸氧腐蚀而消耗了一部分氧气,故氧气的浓度必然小于棉布另一侧的溶液,后插入的铁片因溶液中富含更多的氧气必然成为原电池的正极。于是,实验者就可以预料电表将会正向偏转！）。奇迹发生了,电表发生了明显的偏转（电流可大于100μA,如图3所示,然后电流又渐渐变小。按中学电化学理论,构成原电池应有2只活泼性不同的电极,但这个现象意味着什么呢？既然事实证明电流产生,就已说明发生了原电池反应,负极一定是铁失电子发生氧化反应被腐蚀。

图2 验证氧气参加了钢铁腐蚀的实验装置(改进1)

图3 相同的两只铁片电极事实上可构成原电池

本次实验结论：相同的铁电极插在氯化钠溶液就能有电流产生,证明了钢铁腐蚀的普遍性。

当时,笔者在小河边、池塘边、阴湿地都试过,现象都一样。这样的钢铁腐蚀到底是谁惹的祸呢？

二、何物腐蚀了铁（设计趣味实验验证氧气参加了钢铁的腐蚀）

【实验2】用鱼缸增气泵给一铁片电极鼓入空气,观察电流计是否偏转,确认原电池的正负极；给另一铁片电极鼓入空气,观察电流计是否反向偏转？增加氧气的浓度,现象又如何（如图4所示）？

图4 鱼缸增气泵及医用输液器改装成的空气流速控制装置(改进2)

图5 给另一侧通入空气,指针发生反向偏转

为了连续地通入空气的方便，我们用鱼缸增气泵作供气装置， 用医用输液器改装成流速控制装置。当接通鱼缸增气泵的电源，给其中一铁片电极处通入空气，发现指针就会发生偏转；再换成给另一铁片电极处通入空气，发现指针又会向相反的方向偏转（如图5所示）。再通过空气流速控制装置增大空气的进气量，我们发现空气的进气量越大指针偏转越大。

本次实验结论：根据电流方向，我们发现通氧气的一极是原电池的正极，另一铁电极是原电池的负极；电流计指针的偏转程度受氧气浓度的影响，这就证明了氧气参加了原电池反应，也就是说氧气的确参加了钢铁的腐蚀，增加正极溶液中氧气的浓度，钢铁的腐蚀速度加快。

钢铁在接近中性的潮湿的空气中，发生的这种有氧气参加的铁的腐蚀，就称之为钢铁的吸氧腐蚀。于是，前面偶然发现的趣味问题也就有了答案：原来同一个溶液中氧气的浓度不一定处处相同，氧气浓度大的一极就作为了原电池的正极，在更专业的资料中，将这种因氧气分布不均匀而引起的吸氧腐蚀，又称为差异充气腐蚀。钢铁的腐蚀问题虽然很普遍，反应过程却是比较复杂的，但主要表现为有氧气参与的吸氧腐蚀。那么，这样钢铁吸氧腐蚀的电极反应如何去书写呢？

三、钢铁是如何腐蚀的（钢铁吸氧腐蚀的电极方程式书写的疑惑）

氧气参加了原电池反应，反应后生成什么呢？是氢氧根吗？带着疑惑再做如下实验：

【实验3】在通了一段时间空气的溶液中加入几滴酚酞试液。

本次实验现象：通氧气的一侧的溶液加入酚酞后却没有变红！

有氧气参与电极反应，反应后生成的离子到底是不是氢氧根呢？难道是氢氧根扩散速度太快，氢氧根的浓度还不足以让酚酞变色？

四、巧妙设计钢铁腐蚀的微型实验（验证钢铁腐蚀时两极生成的离子）

【实验4】U形管中验证钢铁腐蚀原理的微型实验，如图6所示：在加有纱布的U形管中，加入氯化钠溶液，在两电极分别加入几滴铁氰化钾溶液、酚酞试液，再插入铁丝电极、碳棒电极，连接好物理教学用演示电流计（量程2.5mA），观察指针的偏转及两电极的颜色变化，并分析电极反应式。

图6 验证钢铁腐蚀原理微型实验的示意图与实物图(改进3)

本实验中应预先在U形管下部加入卷成的圆柱状的医用棉纱布,以减缓原电池反应生成的离子的扩散速度。由于棉纱布层较厚实,我们从两边分别加入氯化钠溶液（注意：试剂的用量非常讲究,否则不能观察到正极的红色。根据当原电池工作的电流强度一定时,单位时间内产生的OH-就一定,OH-还在不停地向另一电极扩散,再加上正极的碱性要达到pH>8才可能出现红色,故碳棒正极溶液的量应尽可能地少,U形管的口径应与碳棒的直径尽可能地相近,这样才能确保电极与溶液接触面积大,原电池的内阻小,让生成的OH-浓度足够使酚酞变色）。再在铁电极一侧加入铁氰化钾,在碳棒电极一侧加入酚酞溶液（其目的是为了分别检验Fe2+、OH-,向学生说明Fe2+与铁氰化钾呈蓝色可用来检验Fe2+）,加入铁丝电极、碳棒电极,电流计改换5mA量程,连接好电路,发现指针发生偏转,电流达2mA（如图7所示）。

图7 验证钢铁腐蚀时两极生成的离子

本次实验现象：U形管的微量实验中,碳棒电极（正极）附近呈红色；铁丝电极（负极）附近呈蓝色,以证明钢铁腐蚀过程中,正极产生了OH-,负极产生了Fe2+。

五、问题的深入研究

思考1：为何要改用U形管做微量实验？

目的是在有限空间内生成一定量的氢氧根离子,使酚酞迅速变红。碳棒正极溶液应尽可能地少,U形管的口径应尽可能的小,这样才能让OH-浓度足够让酚酞变色。碳棒电极(正极)附近呈红色；铁丝电极(负极)附近呈蓝色,以证明钢铁腐蚀过程中,正极产生了OH-,负极产生了Fe2+。

思考2：构成原电池是否必须有2个活泼性不同的电极？

否,如钢铁的吸氧腐蚀可以是相同的铁电极,燃烧电池可用相同的惰性电极等。

思考3：有无其他办法在课堂上检验吸氧腐蚀的产物？

有,但不适合作课堂演示实验。如刘先昊、朱海英设计的《钢铁吸氧腐蚀实验的条件优化》中钢铁腐蚀液滴实验,只适合用作学生分组实验。

六、本演示实验设计特点反思

1.本装置简明直观,便于观察,实验现象明显,说服力强；特别是使用物理学中演示用的电流计,灵敏度高,刻度醒目,便于学生在课堂上观察。

2.鼓入空气用鱼缸增气泵,代替初期用化学方法制氧气更有创意。葛宏涛在《吸氧腐蚀的演示实验》中,用的是实验室制氧气的方法,再通入水中研究钢铁的吸氧腐蚀。而用鱼缸增氧机(市售价只有十多元),比用氯酸钾制氧气或用气唧来提供空气,气流更为恒定,更易于操作；另外,用鼓入空气来演示钢铁的吸氧腐蚀,与现实中钢铁腐蚀的条件一致,更具有说服力。

3.采用U形管中进行的微型实验,颜色对比鲜明,学生印象特别深刻。

4.课堂实测,学生对吸氧腐蚀电极反应的理解效率比照本宣科好很多。特别是学生书写反应式不会出现：2H＋+2e-=H2↑,Fe－3e-=Fe3＋等易犯的错误。

经实测,在NaCl溶液浓度为5mol/L,铁片在溶液中部分表面积保持约8cm2,铁片间距2cm时,演示钢铁腐蚀受氧气的影响的效果更为显著。食盐水的浓度越大效果越明显,建议使用精盐配成饱和食盐水,再取上层清液进行实验。铁片的除锈应选用较粗的铁砂纸,铁丝应选用较软的无锈铁丝,不适宜使用硬度较大的钢丝做实验。

[1] 邹兰,李勤,魏振枢.差异充气腐蚀产生机理的探讨[J].周口师范高等专科学校学报,1999,5：9

[2] Mark T. Stauffer,Justin P. Fox.Yet Another Variation on the Electrolysis of Water at Iron Nails[J].Journal of Chemical Education,2008,85（4）：523

[3] 刘先昊,朱海英.钢铁吸氧腐蚀实验的条件优化[J].教学仪器与实验,2008,10：37

[4] 葛宏涛.吸氧腐蚀的演示实验[J].中学化学教学参考,2000,8～9：8

稿件编号：P1104082

朱石明，本科，中教一级，教研组长。基金项目：本文系中国化学会化学教育委员会基础教育“十一五”重点课题“微型化学实验的趣味性与探究性研究”（编号：HJ2008-0006）成果。

稿件说明：本实验设计曾获得江苏省第五届中学化学实验调演活动二等奖。

1.江苏省兴化市戴窑高级中学。2.南京晓庄学院生物化工与环境工程学院。