基于手持技术的金属电化学腐蚀实验改进
2022-06-08
摘要：对铁的吸氧腐蚀演示实验进行了改进和补充。采用手持技术，设计了3组对比实验，利用氧气传感器和压强传感器测定实验过程中氧气浓度和压强的微弱变化以及吸氧腐蚀中溶液pH的变化。结果表明：铁的电化学腐蚀是一个缓慢的氧化过程。酸性较强条件下以析氢腐蚀为主；在中性条件下发生吸氧腐蚀；在弱酸性条件下，析氢腐蚀和吸氧腐蚀是同时发生的。
教育期刊网http://www.jyqkw.com/
关键词： 吸氧腐蚀；析氢腐蚀；手持技术；实验改进
文章编号：1005?6629（2014）3?0052?03 中图分类号：G633.8 文献标识码：B
金属的电化学腐蚀是在原电池内容的基础上所展开的，是中学化学教学的重点以及难点内容。钢铁的析氢腐蚀与吸氧腐蚀是一个缓慢的氧化过程，尽管传统的对比实验已进行了较多的实验改进来缩短反应时间，使反应现象更加明显，但是只能对实验现象做出定性的分析，仍无法将二者定量地反映出来，不利于学生理解析氢腐蚀、吸氧腐蚀的概念。由于在金属的析氢腐蚀、吸氧腐蚀的过程中，不仅伴随着物质浓度的变化，而且还伴随着压强的改变，因此我们可以借助于电子传感器捕捉化学反应过程中的细微变化，利用手持技术对金属的电化学腐蚀实验进行改进和补充，从而帮助学生正确理解析氢腐蚀与吸氧腐蚀的概念，解决学生的迷思概念问题。
1 实验原理
不纯的金属与电解质溶液接触时，会发生原电池反应，比较活泼的金属失去电子被氧化，这种腐蚀叫做电化学腐蚀。当在钢铁表面形成的电解质溶液薄膜呈酸性时发生析氢腐蚀[1]，反应如下：
负极：Fe-2e-=Fe2+（氧化反应）
正极：2H++2e-=H2↑（还原反应）
总反应：Fe+2H+=Fe2++H2↑
当在钢铁表面形成的电解质溶液薄膜呈中性或酸性很弱，且溶有一定量的氧气时发生吸氧腐蚀，反应如下：
负极：2Fe-4e-=2Fe2+（氧化反应）
正极：2H2O+O2+4e-=4OH-（还原反应）
总反应：2Fe+O2+2H2O=2Fe（OH）2
进一步反应：4Fe（OH）2+O2+2H2O=4Fe（OH）3，
2Fe（OH）3=Fe2O3?xH2O+（3-x）H2O
根据上述原理，本实验主要利用氧气传感器和压强传感器测定反应过程中压强变化和氧气浓度变化，并利用pH传感器测定吸氧腐蚀反应前后溶液的pH。通过计算机和数字采集器收集数据、绘制曲线，并通过相应软件进行实验分析。
2 实验用品与仪器
炭粉、还原铁粉、2 mol/L盐酸溶液、2 mol/L醋酸溶液、2 mol/L氯化钠溶液[2，3]、橡皮塞、乳胶管、导气管、止水夹、三口烧瓶。
本实验采用pasco公司的数字采集器、datastudio数据采集软件、氧气传感器以及压强传感器。
（1）用USB数据线将计算机与数字采集器连接起来。
（2）将氧气传感器、压强传感器连接到数据采集器上。
（3）三口瓶的左端接入带止水夹导气管的单孔胶塞（以便调节内外压平衡），中间用单孔胶塞将三口瓶与氧气传感器连接，右端用单孔胶塞将压强传感器与三口瓶连接。
4 实验过程
4.1 在中性条件下发生吸氧腐蚀
（1）取下三口瓶，用滴管滴取2 mol/L的氯化钠溶液，均匀的润湿三口烧瓶的内壁2～3次，将炭粉和铁粉的混合物加入到三口瓶中，沿同一方向转动，使炭粉和铁粉的混合物均匀地粘附在三口烧瓶的内壁上[4，5]，迅速地塞紧各个单孔胶塞，打开止水夹调节内外压平衡后，关闭止水夹。
（2）数据图像纵轴选择O2浓度（%）（体积分数），横轴选择时间，开启仪器采集数据，采集氧气浓度和压强变化情况（见图2、图3）。
（3）保存数据。
（4）实验结果及讨论：通过图2可以看出，本次测量中，瓶内空气中氧气浓度为21.0%，50s后为20.8%，500s后为20.0%，氧气的浓度在不断地缓慢减少，利用氧气传感器可使我们在较短时间内看出变化趋势。通过图3可以看出，此时瓶内初始测量压强为100957Pa（由于加完试剂塞紧胶塞等过程中瓶内的反应已经进行，所以导致瓶内初始的测量压强略小于理论压强值），随着氧气浓度的减小，压强也在下降，50s后瓶内压强降为100699Pa，10min内瓶内压强共下降了1080Pa。但是随着反应的进行，我们可以发现，氧气浓度的下降量不仅是由于吸氧腐蚀的发生而造成的，在后续的反应中，氢氧化亚铁转化为氢氧化铁的过程中也消耗了部分氧气，所以紧靠氧气浓度的变化还不足以完全说明是否发生了吸氧腐蚀。因此，我们还通过pH传感器检测pH的变化来证明确实发生了吸氧腐蚀。经检测，如图4所示，反应前溶液的pH为6.8，反应后经过滤，测得滤液的pH为9.5，正是由于吸氧腐蚀的发生，从而造成了三口瓶内溶液pH的升高。由此可以得出，在中性条件时主要发生吸氧腐蚀，而且吸氧腐蚀是缓慢进行的。
4.2 酸性较弱条件下同时发生吸氧腐蚀和析氢腐蚀
4.2.1 定性实验
取一支小试管，滴入5 mL 2 mol/L的醋酸溶液，加入适量炭粉和铁粉的混合物，静置一段时间后，观察现象。
4.2.2 定量实验
（1）取下三口瓶，用滴管滴取2 mol/L的醋酸溶液，均匀的润湿三口烧瓶的内壁2～3次，将炭粉和铁粉的混合物加入到三口瓶中，沿同一方向转动，使炭粉和铁粉的混合物均匀地粘附在三口烧瓶的内壁上，迅速地塞紧各个单孔胶塞，打开止水夹调节内外压平衡后，关闭止水夹。
（2）数据图像纵轴选择O2浓度（%）（体积分数），横轴选择时间，开启仪器采集数据，采集氧气浓度和压强变化情况（见图5、图6）。 （3）保存数据。
4.2.3 实验结果及讨论
由于没有直接测量氢气浓度的传感器，本实验中采取测量容器内压强的变化和观察小试管内金属与弱酸反应的实验现象的方法来说明氢气浓度的变化。
定性观察可见，小试管内有气泡冒出，可以断定容器内有析氢腐蚀发生。
在定量研究中，如图5所示，当电解质溶液为醋酸溶液时，随着反应的进行，氧气浓度逐渐缓慢减少，说明瓶内消耗了部分氧气，可知有吸氧腐蚀发生；如图6所示，在10min内，瓶内压强由起始的101075Pa下降到100626Pa，共下降了449Pa。正是由于三口瓶内同时发生了吸氧腐蚀和析氢腐蚀，所以导致了瓶内压强的下降幅度小于实验1中压强的下降幅度。由此可以看出，当电解质溶液为弱酸条件时，析氢腐蚀和吸氧腐蚀同时发生。
4.3 酸性较强条件下以析氢腐蚀为主
（1）取两支试管，各加入5 mL 2 mol/L的盐酸溶液和等量的0.22 g铁粉，再向其中一支试管中加入少量的炭粉，将两支试管同时连接上两个压强传感器，得到如下数据：
（2）仅将实验1中的“2 mol/L的氯化钠溶液”改为“2 mol/L盐酸溶液”，其他操作步骤与实验1完全相同。实验结果如图8、图9所示：
（3）实验结果及讨论：在较短的时间内可明显地观察到步骤（1）中两支试管内均有气泡冒出。由图7可知，铁粉和盐酸反应发生化学腐蚀，试管内压强在60s内上升了4288Pa，而加入炭粉后，试管内压强值始终大于不加炭粉的试管的压强值，且压强上升得更高，在60s内上升了7316Pa，这说明加了炭粉的试管不仅仅发生了化学腐蚀，还发生了电化学腐蚀，即析氢腐蚀。从图8和图9可以看出，在实验过程中，容器内的压强不断上升，50s内压强便上升了2435Pa，600s内上升了11244Pa，可知有氢气生成，瓶内总的分子数增加，但是由于瓶内氧气的分子数不变，所以氧气的体积浓度也呈略微的下降趋势。再结合步骤（1）中的实验结论，可以得出，在酸性较强的条件下，电化学腐蚀主要以析氢腐蚀为主，且腐蚀速度快于吸氧腐蚀。
5 实验小结
通过设计三组演示实验，利用氧气传感器和压强传感器可便捷地测定实验过程中氧气浓度和压强的微弱变化以及吸氧腐蚀中溶液pH的变化，明确提出金属铁的电化学腐蚀是一个缓慢的氧化过程。酸性较强条件下以析氢腐蚀为主，在中性条件下发生吸氧腐蚀，在弱酸性条件下，析氢腐蚀和吸氧腐蚀是同时发生的。在一组比较化学腐蚀与电化学腐蚀反应速率的学生实验中，说明应用现代的实验手段可以让学生对化学反应有一个更全面、更深刻的认识。
参考文献：
[1]宋心琦主编.普通高中课程标准实验教科书?化学反应原理（选修4）[M].北京：人民教育出版社，2007：84.
[2]陶俞佳，李桂林.吸氧腐蚀实验的改进[J].化学教学，2009，（6）：26～27.
[3]雷和平，刘英丽.铁的吸氧腐蚀实验改进[J].化学教育，2009，（8）：49～50.
[4]谭文生.铁的吸氧腐蚀与析氢腐蚀对比实验设计[J].化学教学，2011，（6）：46～47.
[5]项云，钱海滨，蒋金虎.铁吸氧腐蚀的实验创新[J].化学教育，2011，（6）：59.
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关键词： 吸氧腐蚀；析氢腐蚀；手持技术；实验改进
文章编号：1005?6629（2014）3?0052?03 中图分类号：G633.8 文献标识码：B
金属的电化学腐蚀是在原电池内容的基础上所展开的，是中学化学教学的重点以及难点内容。钢铁的析氢腐蚀与吸氧腐蚀是一个缓慢的氧化过程，尽管传统的对比实验已进行了较多的实验改进来缩短反应时间，使反应现象更加明显，但是只能对实验现象做出定性的分析，仍无法将二者定量地反映出来，不利于学生理解析氢腐蚀、吸氧腐蚀的概念。由于在金属的析氢腐蚀、吸氧腐蚀的过程中，不仅伴随着物质浓度的变化，而且还伴随着压强的改变，因此我们可以借助于电子传感器捕捉化学反应过程中的细微变化，利用手持技术对金属的电化学腐蚀实验进行改进和补充，从而帮助学生正确理解析氢腐蚀与吸氧腐蚀的概念，解决学生的迷思概念问题。
1 实验原理
不纯的金属与电解质溶液接触时，会发生原电池反应，比较活泼的金属失去电子被氧化，这种腐蚀叫做电化学腐蚀。当在钢铁表面形成的电解质溶液薄膜呈酸性时发生析氢腐蚀[1]，反应如下：
负极：Fe-2e-=Fe2+（氧化反应）
正极：2H++2e-=H2↑（还原反应）
总反应：Fe+2H+=Fe2++H2↑
当在钢铁表面形成的电解质溶液薄膜呈中性或酸性很弱，且溶有一定量的氧气时发生吸氧腐蚀，反应如下：
负极：2Fe-4e-=2Fe2+（氧化反应）
正极：2H2O+O2+4e-=4OH-（还原反应）
总反应：2Fe+O2+2H2O=2Fe（OH）2
进一步反应：4Fe（OH）2+O2+2H2O=4Fe（OH）3，
2Fe（OH）3=Fe2O3?xH2O+（3-x）H2O
根据上述原理，本实验主要利用氧气传感器和压强传感器测定反应过程中压强变化和氧气浓度变化，并利用pH传感器测定吸氧腐蚀反应前后溶液的pH。通过计算机和数字采集器收集数据、绘制曲线，并通过相应软件进行实验分析。
2 实验用品与仪器
炭粉、还原铁粉、2 mol/L盐酸溶液、2 mol/L醋酸溶液、2 mol/L氯化钠溶液[2，3]、橡皮塞、乳胶管、导气管、止水夹、三口烧瓶。
本实验采用pasco公司的数字采集器、datastudio数据采集软件、氧气传感器以及压强传感器。
（1）用USB数据线将计算机与数字采集器连接起来。
（2）将氧气传感器、压强传感器连接到数据采集器上。
（3）三口瓶的左端接入带止水夹导气管的单孔胶塞（以便调节内外压平衡），中间用单孔胶塞将三口瓶与氧气传感器连接，右端用单孔胶塞将压强传感器与三口瓶连接。
4 实验过程
4.1 在中性条件下发生吸氧腐蚀
（1）取下三口瓶，用滴管滴取2 mol/L的氯化钠溶液，均匀的润湿三口烧瓶的内壁2～3次，将炭粉和铁粉的混合物加入到三口瓶中，沿同一方向转动，使炭粉和铁粉的混合物均匀地粘附在三口烧瓶的内壁上[4，5]，迅速地塞紧各个单孔胶塞，打开止水夹调节内外压平衡后，关闭止水夹。
（2）数据图像纵轴选择O2浓度（%）（体积分数），横轴选择时间，开启仪器采集数据，采集氧气浓度和压强变化情况（见图2、图3）。
（3）保存数据。
（4）实验结果及讨论：通过图2可以看出，本次测量中，瓶内空气中氧气浓度为21.0%，50s后为20.8%，500s后为20.0%，氧气的浓度在不断地缓慢减少，利用氧气传感器可使我们在较短时间内看出变化趋势。通过图3可以看出，此时瓶内初始测量压强为100957Pa（由于加完试剂塞紧胶塞等过程中瓶内的反应已经进行，所以导致瓶内初始的测量压强略小于理论压强值），随着氧气浓度的减小，压强也在下降，50s后瓶内压强降为100699Pa，10min内瓶内压强共下降了1080Pa。但是随着反应的进行，我们可以发现，氧气浓度的下降量不仅是由于吸氧腐蚀的发生而造成的，在后续的反应中，氢氧化亚铁转化为氢氧化铁的过程中也消耗了部分氧气，所以紧靠氧气浓度的变化还不足以完全说明是否发生了吸氧腐蚀。因此，我们还通过pH传感器检测pH的变化来证明确实发生了吸氧腐蚀。经检测，如图4所示，反应前溶液的pH为6.8，反应后经过滤，测得滤液的pH为9.5，正是由于吸氧腐蚀的发生，从而造成了三口瓶内溶液pH的升高。由此可以得出，在中性条件时主要发生吸氧腐蚀，而且吸氧腐蚀是缓慢进行的。
4.2 酸性较弱条件下同时发生吸氧腐蚀和析氢腐蚀
4.2.1 定性实验
取一支小试管，滴入5 mL 2 mol/L的醋酸溶液，加入适量炭粉和铁粉的混合物，静置一段时间后，观察现象。
4.2.2 定量实验
（1）取下三口瓶，用滴管滴取2 mol/L的醋酸溶液，均匀的润湿三口烧瓶的内壁2～3次，将炭粉和铁粉的混合物加入到三口瓶中，沿同一方向转动，使炭粉和铁粉的混合物均匀地粘附在三口烧瓶的内壁上，迅速地塞紧各个单孔胶塞，打开止水夹调节内外压平衡后，关闭止水夹。
（2）数据图像纵轴选择O2浓度（%）（体积分数），横轴选择时间，开启仪器采集数据，采集氧气浓度和压强变化情况（见图5、图6）。 （3）保存数据。
4.2.3 实验结果及讨论
由于没有直接测量氢气浓度的传感器，本实验中采取测量容器内压强的变化和观察小试管内金属与弱酸反应的实验现象的方法来说明氢气浓度的变化。
定性观察可见，小试管内有气泡冒出，可以断定容器内有析氢腐蚀发生。
在定量研究中，如图5所示，当电解质溶液为醋酸溶液时，随着反应的进行，氧气浓度逐渐缓慢减少，说明瓶内消耗了部分氧气，可知有吸氧腐蚀发生；如图6所示，在10min内，瓶内压强由起始的101075Pa下降到100626Pa，共下降了449Pa。正是由于三口瓶内同时发生了吸氧腐蚀和析氢腐蚀，所以导致了瓶内压强的下降幅度小于实验1中压强的下降幅度。由此可以看出，当电解质溶液为弱酸条件时，析氢腐蚀和吸氧腐蚀同时发生。
4.3 酸性较强条件下以析氢腐蚀为主
（1）取两支试管，各加入5 mL 2 mol/L的盐酸溶液和等量的0.22 g铁粉，再向其中一支试管中加入少量的炭粉，将两支试管同时连接上两个压强传感器，得到如下数据：
（2）仅将实验1中的“2 mol/L的氯化钠溶液”改为“2 mol/L盐酸溶液”，其他操作步骤与实验1完全相同。实验结果如图8、图9所示：
（3）实验结果及讨论：在较短的时间内可明显地观察到步骤（1）中两支试管内均有气泡冒出。由图7可知，铁粉和盐酸反应发生化学腐蚀，试管内压强在60s内上升了4288Pa，而加入炭粉后，试管内压强值始终大于不加炭粉的试管的压强值，且压强上升得更高，在60s内上升了7316Pa，这说明加了炭粉的试管不仅仅发生了化学腐蚀，还发生了电化学腐蚀，即析氢腐蚀。从图8和图9可以看出，在实验过程中，容器内的压强不断上升，50s内压强便上升了2435Pa，600s内上升了11244Pa，可知有氢气生成，瓶内总的分子数增加，但是由于瓶内氧气的分子数不变，所以氧气的体积浓度也呈略微的下降趋势。再结合步骤（1）中的实验结论，可以得出，在酸性较强的条件下，电化学腐蚀主要以析氢腐蚀为主，且腐蚀速度快于吸氧腐蚀。
5 实验小结
通过设计三组演示实验，利用氧气传感器和压强传感器可便捷地测定实验过程中氧气浓度和压强的微弱变化以及吸氧腐蚀中溶液pH的变化，明确提出金属铁的电化学腐蚀是一个缓慢的氧化过程。酸性较强条件下以析氢腐蚀为主，在中性条件下发生吸氧腐蚀，在弱酸性条件下，析氢腐蚀和吸氧腐蚀是同时发生的。在一组比较化学腐蚀与电化学腐蚀反应速率的学生实验中，说明应用现代的实验手段可以让学生对化学反应有一个更全面、更深刻的认识。
参考文献：
[1]宋心琦主编.普通高中课程标准实验教科书?化学反应原理（选修4）[M].北京：人民教育出版社，2007：84.
[2]陶俞佳，李桂林.吸氧腐蚀实验的改进[J].化学教学，2009，（6）：26～27.
[3]雷和平，刘英丽.铁的吸氧腐蚀实验改进[J].化学教育，2009，（8）：49～50.
[4]谭文生.铁的吸氧腐蚀与析氢腐蚀对比实验设计[J].化学教学，2011，（6）：46～47.
[5]项云，钱海滨，蒋金虎.铁吸氧腐蚀的实验创新[J].化学教育，2011，（6）：59.