黄铜抗腐蚀性能的实验探究

苏传清 丁伟

摘要： 以揭示一道不合理试题为契机，设计不同浓度的盐酸、硫酸、硝酸腐蚀黄铜的实验，探究黄铜的抗腐蚀性能。实验表明，在不同时刻，不同浓度的盐酸、硫酸腐蚀黄铜均缓慢，实验现象不明显;硝酸浓度为2mol/L时，腐蚀黄铜较为缓慢，但硝酸腐蚀黄铜随硝酸浓度的增大而加快，综合可见黄铜抗腐蚀性能优良。在此基础上，通过黄铜相图深入认识黄铜结构，可知随着锌含量的不同，黄铜在固态下有α、 β、 γ、 δ、 ε、 η六个相，各相的晶格与纯金属铜（除α相外）、锌的晶格均不同，解释了黄铜抗腐蚀性能优良的原因。

关键词： 黄铜; 抗腐蚀性; 实验探究

文章编号： 1005-6629（2019）11-0067-03            中图分类号： G633.8            文献标识码： B

1  问题提出

金属包括纯金属和合金。合金是指在金属中加热熔合某些金属或非金属进而制得具备金属特征的材料。中学化学教材中提到“合金的抗腐蚀性一般比组成它们的纯金属更好”，但在合金知识考查中，出现把“合金与酸反应的速率等同其组成的纯金属与酸反应的速率”的不合理试题，如“为了测定黄铜样品（含铜和锌）中铜的质量分数，取10g黄铜加入到足量的稀硫酸中，使其充分反应，产生氢气0.1g。求该样品中铜的质量分数”。实际上，用稀硫酸溶解黄铜存在科学性错误。因此，本研究以该试题为契机，设计不同浓度的盐酸、硫酸、硝酸腐蚀黄铜的实验，探究黄铜的抗腐蚀性能，同时证明上述试题的不合理性。基于实验现象，结合黄铜相图，深入揭示黄铜结构，解释其抗腐蚀性能优良的原因。

2  黄铜抗腐蚀性能实验

2.1  实验仪器与试剂

H62H表示黄铜，数字表示铜的质量分数。如H62表示含铜量约为62%，含锌量约为38%的黄铜。黄铜片[1.5mm（厚度）×10mm（宽）×15mm（长），1.90g/片，佛山市华儒铜业有限公司，生产许可证编号XK27-201-00108]、浓硫酸、浓盐酸、浓硝酸、蒸馏水、试管、量筒、烧杯、玻璃棒、小气球

2.2  黄铜与不同浓度的盐酸、硫酸、硝酸反应探究

2.2.1  实验步骤

（1） 在贴好标签的每支试管中分别放入一片H62黄铜;

（2） 向三组贴有标签的试管中，分别加入5mL不同的酸（酸的温度均为室温）;

（3） 加入酸后，迅速用小气球套住试管口;

（4） 观察并记录不同时刻的实验现象。

按照以上实验步骤，探究黄铜与三组不同浓度酸的反应。三组不同浓度的酸为： ①浓盐酸、浓硫酸、浓硝酸;②6mol/L盐酸、3mol/L硫酸、6mol/L硝酸;③2mol/L盐酸、1mol/L硫酸、2mol/L硝酸。

2.2.2  实验现象

实验现象如表1、表2所示。

表1  黄铜与浓酸反应现象记录表实验需要在通风橱中进行，刚开始浓硝酸与黄铜反应剧烈，并且产生大量NO2，需要及时更换气球，同时配备好NaOH溶液及时处理NO2气体，减少环境污染;浓盐酸具有挥发性。

0～5min15min1h2h

浓盐酸无气泡产生黄铜片表面出现少量小气泡，但反应缓慢黄铜片表面气泡增多，溶液中出现淡黄色黄铜片表面气泡增多且变大，溶液为淡黄色暂未找到黄铜与浓盐酸反应一定时间出现淡黄色的合理解释，需要后续深入探究。

续  表

0～5min15min1h2h

浓硫酸无气泡产生

浓硝酸反应物接触后迅速反应，产生红棕色气体（浅→深），反应剧烈，溶液颜色变化为无色→亮绿色→墨绿色，气球开始膨胀溶液为深蓝色，持续产生气泡，红棕色气体明显，气球完全鼓起来溶液为深蓝色，反应温和溶液为深蓝色，反应缓慢，仍有黄铜片残余

表2  黄铜与稀酸反应现象记录表

0～1h1h2h

6mol/L盐酸无气泡产生

3mol/L硫酸无气泡产生黄铜表面出现少量小气泡但不明显，反应缓慢黄铜表面小气泡数量增加不明显，反应缓慢

6mol/L硝酸2min时出现较多气泡，反应迅速进行，4min时溶液变为淡蓝色，此时红棕色气体不明显，但在10min时出现明显的红棕色气体，颜色逐渐加深。气球慢慢鼓起来，在20min时气球完全鼓立起来溶液为蓝色，反应持续进行，但不剧烈，试管中红棕色气体不明显溶液为蓝色，反应持续进行，反应较为缓慢，试管中红棕色气体不明显

2mol/L盐酸无气泡产生

1mol/L硫酸无气泡产生

2mol/L硝酸黄铜表面出现少量小气泡，随着反应进行，气泡数量缓慢增加，反应较为缓慢，在1h可以观察到溶液出现淡蓝色但不明显

在黄铜与不同浓度酸的反应中，可见不同浓度的硫酸、盐酸与黄铜反应缓慢，反应现象不明显，因此不能用硫酸、盐酸溶解黄铜;硝酸与黄铜反应，其反应速率随硝酸浓度增大而加快。铜-锌合金系称为黄铜，黄铜中主要含有铜和锌金属，从金属活动性顺序表看，锌与硫酸、盐酸反应较快，故有人推断黄铜也能与硫酸、盐酸反应较快;从锌-铜原电池的角度来看，有人推断黄铜和硫酸、盐酸的化学反应速率应比纯锌和稀鹽酸、硫酸反应的速率快。但实际上，黄铜和盐酸、稀硫酸反应极其缓慢。因此，需要深入思考黄铜与硝酸、硫酸、盐酸反应速率不同的原因，即需要深入了解黄铜的结构（见表3）。

3  黄铜的结构

黄铜根据加入合金元素的种类分为普通黄铜和复杂黄铜两类。普通黄铜是指铜-锌二元合金，但实际生产工艺上很难保证普通黄铜只含铜、锌两种金属，也可能会含有极少量的杂质，如本研究所使用的H62型号的黄铜属于普通黄铜，其化学

表3  普通黄铜的相结构[5]

名称电子化合物

分子式价电子数/原子数晶格类型

α——面心立方

βCuZn3/2体心立方

γCu5Zn821/13复杂立方

εCuZn37/4密集立方

η——密集立方

成分为铜（60.8%～62%）、锌（37.5%～38.7%）、杂质（铁、铅）≤0.5%，这是难以控制的范围，但可忽略不计其杂质的影响。

二元CuZn相图[1]（见图1）非常复杂，总共由5个包晶反应，一个共析反应加一个有序无序转变构成。随着锌含量的不同，在固态下有α、 β、 γ、 δ、 ε、 η六个相[2]。通常，把成分位于α相区的合金称α黄铜，位于α+β相区的称α+β黄铜，位于β相区称β黄铜。α相为锌在铜中的固熔体。含锌量愈高，冷却速度愈大，α相沿β相惯

图1  CuZn相图

习面成片状或针状的析出形态愈显著，α相不易受浸蚀，明场下多呈亮白色。β相是以电子化合物CuZn为基的固溶体，因含锌量较高易受浸蚀而在明场下颜色较深。γ相是以电子化合物Cu5Zn8为基的固溶体，性硬而脆[3]。

由于铜的晶格类型为面心立方，锌的晶格类型为六方[4]，与黄铜不同相的晶格类型比较，可发现黄铜合金与锌的晶格不同，并随着黄铜中锌的含量增加，黄铜的相结构向β、 γ、 δ、 η相转移，同

时与铜、锌的晶格不同，因此与铜、锌纯金属的结构不同，表现出了不同的物理性能。一般来讲，普通黄铜中的锌含量越高，强度也越高，但是塑性会降低[6]。CuZn合金具有极好的耐蚀性，且随着铜含量的增加，耐蚀性能会显著提高[7]。

综上所述，基于黄铜相图，可知黄铜的结构异于铜、锌结构，使黄铜与硫酸、盐酸的反应较为缓慢，但可使用硝酸、硝酸-盐酸混合酸、盐酸-过氧化氢3种代表性溶解酸体系溶解黄铜，其中硝酸最常用。稀硝酸和过氧化氢（酸性条件）的标准电极电势分别为+0.957V、 +1.776V[8]。电极电势越正，表明电极反应中氧化性物质越容易夺得电子转变为相应的还原态，即电极电势越正，氧化性越强。因此，黄铜溶解需要使用氧化性更强的物质。据研究显示，在40℃，使用1.0%硫酸溶液腐蚀黄铜7天所求得的腐蚀速率为1.657mg/cm2·d[9]，这就再次否定了试题中使用稀硫酸进行溶解黄铜进而分析铜、锌的质量分数的方法。因为稀硫酸与黄铜反应极其緩慢，在实际应用中需要考虑时间成本等因素，一般不会采用稀硫酸溶解黄铜。

4  结语

本研究从一道缺乏科学性的试题“用稀硫酸溶解黄铜测定铜、锌的质量分数”出发，探究黄铜与不同浓度的硫酸、盐酸、硝酸反应的抗腐蚀性能，并利用黄铜相图揭示黄铜的结构，深入认识其抗腐蚀性能优良的原因。本研究希望能引发化学教师利用大学化学相图知识加深对合金的认识，明确合金与其纯金属的物理化学性质的不同是由于合金结构所引起的，不能简单地认为合金是金属与另一些金属或非金属的简单混合。

参考文献：

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