对食盐水中生铁锈蚀问题的探讨

2015-04-01郑梅花张祁帆

化学教学 2015年3期

关键词：实验探究

郑梅花+张祁帆

摘要：通过实证方式，探讨了生铁在食盐水中的锈蚀问题，指出生铁的腐蚀和生锈是两个不同的概念。当生铁发生电化学腐蚀（如氧浓差腐蚀）时，生锈与腐蚀的发生部位可能并不一致，常会有水线腐蚀现象，即铁锈生成集中于水线附近，腐蚀主要发生在溶液深处。

关键词：生锈；电化学腐蚀；氧浓差腐蚀；水线腐蚀；实验探究

文章编号：1005–6629（2015）3–0040–04 中图分类号：G633.8 文献标识码：B

1 问题背景

鲁科版《化学反应原理（选修）》教材指出，钢铁中含有可充当正极材料的碳等杂质，在通常情况下暴露于潮湿空气中，表面会附上一层酸性不强的水膜，继而在表面杂质附近形成微小的原电池而腐蚀（吸氧腐蚀）。为了让学生获得感性体验，促进对电化学腐蚀原理的理解，笔者在教学时补充了盐水滴实验[1]。具体操作及现象为：将NaCl和酚酞的混合液滴在一块光亮清洁的铁板表面上，1～2min后即可看到在液滴外沿形成了清晰的红色环（a）（如图1所示）。但直接观察液滴覆盖的中心区（b）生铁被腐蚀而变暗的现象并不明显。

负极铁溶解现象不明显是否是由腐蚀时间较短所致呢？笔者将实验后的铁片继续放置，最先在a区域观察到浅褐色锈环，最后锈点布满整个液滴覆盖区域，负极（b区域）腐蚀仍不明显。对此，有学生认为可能是电解质溶液用量过少导致，继而提议通过将铁片部分浸泡于食盐水中的方式改进实验。基于这样的思考，课后笔者组织他们成立兴趣小组，一起通过实验探索、文献查阅等手段对生铁在食盐水中的锈蚀问题作了进一步探究，得到了一些意料之外的收获。

2 实验过程

实验1 截取15cm×1cm、厚度1mm的光亮生铁片，依次用Na2CO3溶液、蒸馏水洗净表面油污。选择18mm×180mm规格（以外径×长度表示）的试管，并加入约2/3试管高度的2%的食盐水。然后用细棉线将火柴梗和生铁片一端系上并使火柴梗架于试管口，按图2使铁片悬挂于试管中，其中2/3浸于溶液，并在自然通风环境中敞口、静置。1h后在水线附近（即图2中a区域）最先出现少量红褐色的锈迹。放置过夜，a区域已有大量明显铁锈，而区域b呈灰黑色、无金属光泽。3天后，锈蚀程度加剧，并有部分铁锈沉底，但b处无铁锈，露于空气中部分也仍无明显变化；取出铁片，擦去表面附着物，水线以下部分变薄（尤其以b区域附近为甚）。

若将试管中的食盐水更换为蒸馏水，重复上述实验，结果与实验1同，但由于溶液导电性差、无Cl-促进效应等，铁片腐蚀速度要慢很多（一般需要10天以上）。

可见，无论是生铁片浸泡于食盐水还是蒸馏水中，都是水线附近锈迹斑斑，但内层铁厚度较初始却并未明显改变，而铁片在溶液深处b区域部分虽无锈迹却因严重电化学腐蚀而显著变薄，即铁片生锈位置与生铁腐蚀溶解位置不一致。

实验2 按实验1截取并洗涤两块同样大小的光亮的生铁片，其中一块作对照。将另一块平放于培养皿中，加入适量2%的食盐水浸没生铁片，然后在自然通风环境中敞口、静置。约3h后整块铁片表面上均匀出现少量红色点状锈迹，放置过夜红褐色锈斑愈加明显。7天后，取出铁片，除去表面附着物并对照，厚度变薄。

实验说明，生铁片各部位都发生明显锈蚀，锈蚀程度几乎一致，并未出现实验1中生锈和腐蚀位置不吻合的状况。

实验3 按实验1操作截取并洗涤同样大小的一块光亮生铁片。取一两通管，一端配单孔橡胶塞并插上约3cm长导管（预先充满含KCl的琼脂，作盐桥）及生铁片（露出胶塞部分上下大致相等），然后按图3组装实验装置。向两通管和烧杯中各加入适量2%食盐水至没过生铁片，将水族箱增氧泵的塑料软管插入两通管深处，通过调节阀向食盐水匀速鼓入空气。自然通风环境中敞口、静置30min，各取两通管和烧杯中食盐水少许（记为溶液A、B），分别用酚酞、K3[Fe（CN）6]溶液检验，结果见表1。继续通空气2h，取出铁片，其中浸于烧杯一端的铁片与另一端比较明显变薄，但均无铁锈。若改用增氧泵向烧杯中食盐水鼓气，重复以上操作，最终现象相同，但现象位置恰好相反。

实验表明，持续通入空气一端O2得电子生成OH-，电解质溶液显碱性，是原电池的正极区；而未通空气一端的铁片作负极，氧化腐蚀生成Fe2+。可见，电解质溶液中氧气浓度的差异会影响铁片两段的电化学腐蚀。

3 理论探讨

从热力学观点看，绝大多数的金属都具有与周围介质发生作用而转入氧化（离子）状态的倾向（即发生腐蚀）。金属腐蚀是指金属与周围环境发生化学、电化学反应和物理作用引起的变质和破坏现象，一般分为化学腐蚀与电化学腐蚀，其本质都是金属原子失去电子被氧化的过程。当金属与电解质溶液接触时，由于电化学作用而引起的腐蚀叫做电化学腐蚀，通常分为析氢腐蚀和吸氧腐蚀，宏观上也可分为原电池腐蚀、接触腐蚀、浓差腐蚀（氧浓差腐蚀）等[2]。

3.1 氧浓差腐蚀简介

氧浓差腐蚀又称差异充气腐蚀，是由金属与含氧量不同的溶液接触而形成。当金属浸入含氧的溶液中时，氧的电极电位与氧分压有关，可表示为：

可见，如果各部位含氧量不同，存在浓差，O2浓度较小的部位处金属的电位较低，成为阳极而腐蚀；而O2浓度较大部位电位较高，成为电化学腐蚀的阴极。氧浓差腐蚀在生产生活中也常会遇到，如金属管道通过不同性质土壤时，黏土段（相较于碎石段）贫氧，易发生腐蚀，特别是在两种土壤的交接处的部位腐蚀最为严重（如图4）。此外，还有金属裂缝深处腐蚀，钉入木头的长铁钉、浸入水中的铁柱（闸）的腐蚀等等。

3.2 腐蚀和生锈是两个概念

生铁的电化学腐蚀机理与原电池原理相同，实际上是一种短路了的原电池。当它工作时，虽然也有电流产生，但其电能不能被利用，而是以热的形式散失掉，其工作的直接结果便是造成阳极铁的溶解（Fe-2e-→Fe2+），即铁发生腐蚀。生锈则是指铁锈的生成，即阳极氧化生成的Fe2+与溶液中的OH-作用生成Fe（OH）2，继而进一步被氧气氧化为Fe（OH）3，Fe（OH）3脱去一部分水生成Fe2O3·nH2O，它就是铁锈的主要成分。

可见，生铁的腐蚀和生锈是两个不同的概念[3]。当生铁发生腐蚀时不一定会生锈（如实验3），而若生锈，其发生部位与腐蚀位置可能也不一致（如实验1）。

3.3 水线附近生铁生锈最严重

部分浸于食盐水的生铁片，为什么邻近水线区域生锈最严重？文献[4]介绍，由于溶液上下氧的浓度不同，引起铁表面pH发生变化，进一步在水线附近铁的表面形成或加强了氧化膜；而c（O2）小的部分（图2中b区域）则即使原有的一点氧化膜也被溶解掉。两处铁的溶解已不再遵循同一动力学方程，引起两处阳极和阴极的电流密度不同，从而形成阳极区和阴极区，电子从c（O2）小处流向c（O2）大处，发生氧浓差腐蚀。

实验1溶液深处的铁发生阳极腐蚀生成Fe2+并向上扩散，水线附近的O2得电子不断与水作用生成OH-。OH-与从溶液深处扩散的Fe2+生成Fe（OH）2附于铁片表面，并与空气中O2继续反应转化为Fe（OH）3、铁锈。虽然水线附近的一些OH-也会向溶液深处扩散并与Fe2+生成Fe（OH）2，但溶液深处溶解氧少，难将Fe（OH）2氧化，且溶液内部处于湿润、运动状态，不利于铁锈附着，故浸入溶液中的铁片不易形成铁锈。因此，实验1生成铁锈集中于图2中a区域，腐蚀主要在b区域；而实验3未通空气（氧浓度小）一端阳极铁溶解，但因盐桥存在，Fe2+、OH-不直接接触就不生成铁锈。

至于实验2，平放于食盐水中的生铁片，各部位所处溶液深度相同、含氧量相等（或接近），无法形成典型的氧浓差电池，因而久置后的铁片表面锈斑分布均匀，无明显阴、阳极区。而盐水滴实验中，开始时液滴表面因氧的直接接触、溶解，使氧浓度较液滴中心区大，形成浓差电池而会快速出现红色环现象（生成OH-），但因水膜厚度小，短时间内水膜不同位置的氧浓度差就会消失，因此长时间放置不会出现锈、蚀部位不一致的情况。

4 教学反思

生铁的腐蚀和生锈是两个不同的电化学概念。实证表明，当生铁发生电化学腐蚀（如氧浓差腐蚀）时，生锈与腐蚀的发生部位不一定相同，常有水线腐蚀现象，即铁锈生成集中于水线附近，腐蚀主要发生在溶液深处。基于上述理解，反思我们教学中使用的部分习题，还需要同行全面审视，如题1（见附录）想当然地认为，选项A铁棒发生腐蚀时靠近底端的部分与氧气接触少，所以腐蚀程度轻；题2（2014年福建高考理综卷24题）中生成铁锈最多的区域为什么是B，而腐蚀最严重的为什么是C却不是D等，都值得我们进一步探讨、甄别。可见，教师对试题的研究不能仅浮于问题的表面，而要善于总结，勤于反思，乐于探究，积累经验。大胆质疑、小心论证，应该成为我们的惯用方式和教学常态。

附录

题1：下列与金属腐蚀有关的说法正确的是

A.图5-a中，插入海水中的铁棒，越靠近底端腐蚀越轻

B.图5-b中，开关由M改置于N时，Cu-Zn合金的腐蚀速率增大

C.图5-c中，接通开关时Zn腐蚀速率增大，Zn上放出气体的速率也增大

D.图5-d中，Zn-MnO2干电池自放电腐蚀主要是由MnO2的氧化作用引起的

参考答案：A

题2：图6是实验室研究海水对水闸不同部位腐蚀情况的剖面示意图。