金属的腐蚀与防护系列实验改进

2023-08-09李梦倩谢美珊王怀文郭炜杰李林燊

化学教与学 2023年12期

李梦倩谢美珊王怀文郭炜杰李林燊

摘要：2019年版人教版选择性必修1“金属的腐蚀与防护”章节新增了牺牲阳极法实验，为提升该实验的教学功能，将其改进为“金属的腐蚀与防护”系列微型实验，探究不同条件下铁的电化学腐蚀速率大小关系。改进后的实验不仅保留了教材实验趣味性强的优点，还补充了外加电流法的实验，操作简单，装置微型化，现象明显，大大缩短了实验所需的时间，便于设计为学生分组实验。

关键词：金属的防护与腐蚀；实验改进；牺牲阳极法；外加电流法

文章编号：1008-0546（2023）12-0091-04 中图分类号：G632.41 文献标识码：B

doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2023.12.0020

一、问题的提出

《普通高中化学课程标准（2017年版2020年修订）》明确提出，“能利用电化学原理解释金属腐蚀现象，选择并设计防腐措施”的学业要求，［1］因此在2019年版人教版选择性必修1的教材中，在“金属的腐蚀与防护”章节中新增了一个牺牲阳极法的趣味实验，使得金属的腐蚀过程更加可视化，即在培养皿中倒入食盐琼脂溶液，滴入5～6滴酚酞溶液和 K3［Fe（CN）6］溶液，将裹有锌皮和缠有铜丝的铁钉分别放入培养皿中，如图1所示，一段时间后，（a）中的铁钉附近琼脂出现红色，锌皮附近无明显现象，（b）中的铁钉附近琼脂出现蓝色，铜丝附近琼脂出现红色。

按照教材指引完成实验后，发现以下两点有待改进：

1.产生实验现象较慢

教材中未对K3［Fe（CN）6］的浓度进行说明，若选择饱和的K3［Fe（CN）6］溶液，按照教材指引完成实验时，发现出现教材实验拍摄图的现象大概需要4 h，不适合在课堂上开展学生分组实验，且实验使用的是直径10 cm 的培养皿，若开展分组学生实验，实验药品消耗量较大。

2. Fe2+可能会与K3［Fe（CN）6］反应

若按照教材的指引配制食盐琼脂，即使是使用6滴饱和的 K3［Fe（CN）6］溶液，也需要较长的时间才能明显看到琼脂呈蓝色。但是若选择滴加更多的 K3［Fe（CN）6］溶液，又会加速 K3［Fe（CN）6］与铁的反应，K3［Fe（CN）6］会将铁氧化成 Fe2+，［2］而 Fe2+会与 K3［Fe（CN）6］继续反应生成蓝色的沉淀，對负极产物Fe2+的检验造成干扰。

二、文献追踪

对比新旧教材的实验，可以发现新教材新增的“牺牲阳极法实验”进步之处可概括为以下三点：第一，补充了铁与较不活泼金属构成原电池时，铁充当负极被腐蚀的实验；第二，采用铁钉、锌皮、铜丝，装置简单，现象美观，有一定的趣味性；第三，将 NaCl、酚酞、K3［Fe（CN）6］与琼脂混合，减小了Fe2+的扩散程度，缩短了蓝色沉淀产生的时间。

以“金属的防护与腐蚀”“实验改进”“牺牲阳极法”等为关键词，在知网上搜索到相关文献有22篇。由于该实验是新教材新增的实验，而大部分文献研究的是旧教材中已有的吸氧腐蚀（铁与碳粉混合）实验，以及锌片与铁片构成原电池的实验，只有少数文献有一定的参考价值。

比如，郑晓红的实验中，［3］设置了空白铁钉组作为锌铁原电池组的对照，如图2所示，在酸化的饱和NaCl溶液中，1 min 内铁片腐蚀便会使滴有K3［Fe（CN）6］溶液的滤纸呈现蓝色，而在锌片的保护下，铁片上的滤纸无蓝色出现。该实验中滤纸的使用能使 Fe2+更为集中，现象更明显。由于在溶液中进行实验，Fe2+的扩散会使得蓝色不明显或出现得较慢，于是，也有较多的文献采用了U型管、小套管等措施来减慢Fe2+的扩散，但都出现了K3［Fe（CN）6］与铁电极直接接触的问题。清华附中的朱式玉的实验中除了使用铁与锌两种金属作电极，［4］还增设了铁与铜两种金属的对比实验组，如图3所示，将铁钉与锌片用铜线相连放入有盐酸、H2O2、 KSCN 的混合溶液中，通过铜丝的剪断与否，体现铁钉作阴极被保护，作阳极被腐蚀的效果。但上述文献中的实验都是在酸化的溶液中进行，铁的化学腐蚀不容忽略，而实验的目的是研究不同条件下的铁的电化学腐蚀速率。史文杰为了使现象出现的时间更短，［5］在新教材的基础上，将铜丝缠绕铁钉改为铁钉镀铜，然后浸泡在 NaCl、酚酞、K3［Fe（CN）6］的热琼脂溶液，可较快观察到明显现象。相比于缠绕铜丝，电镀法可使得铜覆盖得更为致密，但是“热溶液”的形式不便在课堂开展小组实验。

三、实验设计

1.实验用品

琼脂粉、饱和NaCl溶液、酚酞、K3［Fe（CN）6］溶液、蒸馏水、6孔井穴板、6根铁丝、铜丝、铜片、锡丝、锌皮、9 V 电池。

2.实验装置图（见图4）

3.实验步骤

（1）实验准备

称取1g 琼脂粉，与150 mL 蒸馏水和50 mL 饱和 NaCl溶液煮沸，然后加入10滴酚酞溶液（酚酞溶液浓度可适当大一点，便于现象明显），注入6孔井穴板中，待其凝固。

准备1根铁丝，将一端缠绕在铜丝上，另一端螺旋旋转10圈左右，可增大电极与电解质溶液的接触面积，如图4中组①所示。其他5根铁丝（其中一端也缠绕10圈，保证反应时铁丝与琼脂的接触面积相同）分别做以下处理：缠绕在锡丝上、缠绕在锌皮上、连接电源正极、连接电源负极、不做处理。

（2）发生反应，检验电极产物

将铁丝与铜丝缠绕组、铁丝与锡丝缠绕组、铁丝（空白组）、铁丝与锌皮缠绕组、铁丝与铜片外加电源（铁作阴极）组、铁丝与铜片外加电源（铁作阳极）组依次插入到6组琼脂中，如图4中组①～⑥所示，电池选用9 V 电池。1～2 min后，取出金属，在铁附近的琼脂处滴1滴0.25 mol ·L-1的K3［Fe（CN）6］溶液，观察现象。

4.实验结果

6组实验的现象及分析如表1所示。原电池组（①、②、③、④）1～2 min 即可观察到现象，外加电源的⑤和⑥组10 s 即可观察到明显现象。从图5可以观察到，①、②、③、⑥组中铁电极附近均出现蓝色，且由深至浅为：⑥>①>②>③ ，铁电极附近红色由深至浅为⑤>④>③ ，可以证明腐蚀速率的大小为：电解池的阳极>原电池的负极>吸氧腐蚀>原电池的正极>电解池的阴极，且构成原电池的正负极活泼性之差越大，负极腐蚀速率越快。

5.其他现象说明

学生发现，空白铁丝组（组③）会同时出现红色和蓝色，若将铁丝插入较深，还可观察到红色主要集中于琼脂表面处，蓝色集中于琼脂深处。此现象可解释为铁在该情况中发生了吸氧腐蚀，在琼脂表面处氧气浓度大，发生反应：O2+4e－+2H2O=4OH－，琼脂深处氧气含量相对较少，铁丝发生反应：Fe=Fe2++2e－，因此蓝色沉淀主要在琼脂深处，而这其实也就是金属构件在海水中会发生的氧浓差腐蚀。海水表面氧浓度高于深处，所以金属上部的腐蚀电位要高于下部，产生了电位差，从而引起电子的传输，导致金属产生腐蚀。［6］

四、改进后实验的创新

1.实验更微型

使用孔径为2 cm 或3 cm 的井穴板代替10 cm 直径的生物培养皿，大大减少了琼脂的用量和实验准备的工作量，也可同时进行多组对比实验，也便于学生开展小组实验。

2.实验现象明显且快速

改进后的实验可以在2 min 内就看到较为明显的现象，借助特征试剂的显色深浅及范圍，学生可以亲眼见证金属的腐蚀过程并比较速率快慢。

3. Fe2+的检验方式更科学

由于铁钉可能与K3［Fe（CN）6］溶液发生反应，因此在配制琼脂溶液时，不加入 K3［Fe（CN）6］溶液，当铁钉放入琼脂反应一段时间后，取出铁钉再局部滴加 K3［Fe（CN）6］溶液，这样可以避免了铁与K3［Fe（CN）6］直接接触，使得 Fe2+的检验方式更严谨。

4.开发成系列实验

改进后的实验是在教材“牺牲阳极法”实验的基础上，加入了“外加电流法”实验，与牺牲阳极法、化学腐蚀（以及吸氧腐蚀）构成电化学系列实验。另外，在开展课堂教学时，教师也可以根据课堂的需要，利用改进后的装置继续探究外加电流时电压的大小、阴阳极材料的选择等因素对金属腐蚀速率的影响，实验的可开发空间大。

五、结语

在课堂的最后，通过电化学腐蚀速率比较的典型例题（如图6）进行即时巩固，学生答题效果非常理想，说明通过实验探究，学生已经成功构建了金属腐蚀与防护的思维模型。在课后的访谈中，学生表示“现象非常好看”“原来外加电源腐蚀速率快这么多”，说明学生们通过亲手实验，体会到了化学之精髓。

本实验在教材的基础上，进一步实现了实验微型化，做到了现象快且对比明显，不仅便于教师的演示，也有助于课堂分组实验的开展，培养学生宏观辨识与微观探析等化学核心素养。