铁的析氢腐蚀和吸氧腐蚀的实验原理探查

吕琳+袁梦玥+张瑜+吴星

摘要：利用改进的实验装置和实验操作方法，探究了高中化学选修课程模块《化学反应原理》中“铁的析氢腐蚀和吸氧腐蚀”实验的原理，结果表明：（1）在酸性环境中，铁的析氢腐蚀和吸氧腐蚀是同时发生的，且发生析氢腐蚀后铁的吸氧腐蚀强度更大；（2）利用改进的实验装置进行铁的析氢腐蚀和吸氧腐蚀实验，可很好地帮助学生理解铁的析氢腐蚀和吸氧腐蚀的原理。

关键词：铁粉；吸氧腐蚀；析氢腐蚀；腐蚀原理；实验探究

文章编号：1005–6629（2015）10–0046–04 中图分类号：G633.8 文献标识码：B

1 问题的提出

金属的电化学腐蚀是高中化学新教材《化学反应原理》中的一个重要内容。为了帮助学生理解金属的吸氧腐蚀和析氢腐蚀的原理，苏教版教材《化学反应原理》[1]中安排了铁的吸氧腐蚀和析氢腐蚀实验：将铁粉和碳粉混合后分别撒入用氯化钠和稀醋酸润湿的具支试管中，通过观察与具支试管相连接导管中的水柱上升或下降情况，以体验铁的电化学腐蚀。但有化学教师发现，按照教材中的实验方法可能需要几十分钟的时间才能观察到明显现象[2]。很多教师就此实验进行了改进研究，如谭文生[3]通过用泡菜水浸湿的滤纸条沾附铁粉和碳粉混合物进行铁的吸氧腐蚀实验，和用稀醋酸浸湿的滤纸条沾附铁粉和碳粉混合物进行铁的析氢腐蚀实验；陶俞佳[4]对铁粉和碳粉混合物的吸氧腐蚀实验装置进行了改进；唐敏[5]改用不同溶液浸湿铁粉和碳粉混合物探究铁的电化学腐蚀。总体看来，多数对铁的析氢、吸氧腐蚀实验的改进，旨在使实验现象更为明显，而对于铁析氢腐蚀的同时是否也发生吸氧腐蚀的探查较少。为了帮助学生更好地理解铁的析氢腐蚀和吸氧腐蚀的原理，笔者改进了实验装置和实验操作方法，从定量的角度探究铁的析氢腐蚀和吸氧腐蚀过程。

2 实验过程

2.1 实验原理

经NaCl溶液湿润的碳粉、铁粉混合物在空气中发生吸氧腐蚀，其电极反应及电池反应的方程式为：

2.2 实验装置

改进后的实验装置如图1所示。装置中具支试管壁上沾有NaCl溶液或稀酸溶液湿润的碳粉、铁粉混合物，具支试管上的玻璃活塞用于腐蚀实验开始时调节具支试管中的压强与外界压强一致；具支试管与盛有红墨水的U型玻璃细导管相连，结合标尺，可观察记录U型玻璃细导管中红墨水的液面差（Δh）随时间的变化。

2.3 实验操作

实验1 HCl浓度变化对铁析氢腐蚀影响的探究

在图1所示装置的具支试管中分别加入1.5mL 3% HCl、4% HCl、5% HCl溶液，使溶液充分润湿试管壁；称取3.0g还原性铁粉和0.6g碳颗粒在研钵中充分研磨，将研磨好的碳粉、铁粉混合物迅速倒入具支试管中，振荡试管使碳粉、铁粉混合物附着在试管壁上，迅速塞紧橡皮塞，打开活塞，U型玻璃导管中红墨水左右两边液面持平后关闭活塞。每隔一定时间记录U型玻璃导管中红墨水左右两边的液面高度差Δh。

实验2 饱和NaCl溶液、5% HAc溶液对铁腐蚀影响的探究

分别以饱和NaCl溶液、5% HAc溶液代替实验1中的盐酸溶液，在图1所示装置中进行铁的析氢腐蚀和吸氧腐蚀实验。

实验3 铁析氢腐蚀和吸氧腐蚀组合实验探究

在图2所示装置的两只具支试管中分别加入1.5mL饱和NaCl溶液和1.5mL 5% HCl溶液，使溶液充分润湿试管壁，分别称取两份0.6g碳颗粒和3.0g还原性铁粉，在研钵中充分研磨，将研磨好的碳粉、铁粉混合物迅速倒入具支试管中，振荡试管使碳粉、铁粉混合物附着在试管壁上，迅速塞紧橡皮塞，打开活塞，U型玻璃导管中红墨水左右两边液面持平后关闭活塞。每隔一定时间记录U型玻璃导管中红墨水左右两边的液面高度差Δh。

3 实验结果与讨论

3.1 不同酸度溶液对铁析氢腐蚀的影响

在空气中，盐酸溶液湿润的碳粉、铁粉混合物发生电化学腐蚀，导致实验装置中U型玻璃导管内红墨水的液面发生变化。不同浓度的盐酸溶液湿润的碳粉、铁粉混合物发生电化学腐蚀时U型玻璃细导管中红墨水的液面差（Δh）随时间的变化曲线如图3所示。图中Δh<0表示具支试管内压强增大，具支试管内有气体生成；Δh>0表示具支试管内压强减小，具支试管内有气体被消耗。

从图3中可以看出：（1）用浓度为3%～5%的盐酸溶液湿润的碳粉、铁粉混合物，在空气中经过约10分钟的电化学腐蚀，具支试管内压强均会减小，说明即使在酸性环境中，铁电化学腐蚀也会消耗氧气。（2）用浓度为5%的盐酸溶液湿润的碳粉、铁粉混合物，在空气中发生电化学腐蚀时，可明显观察到析出氢气和吸收氧气的现象，在铁开始腐蚀约1分钟内，由于腐蚀的酸度较大，析氢腐蚀导致的具支试管内压强增大强于吸收氧气导致的具支试管内压强减小，可观察到具支试管内压强增大（Δh<0）；随着腐蚀的继续进行，环境的酸度不断下降，铁析氢腐蚀的速率减小，吸收氧气导致的具支试管内压强减小明显地表现出来，总体观察到具支试管内压强减小（Δh增大）。（3）在空气中用3%的盐酸溶液湿润的碳粉、铁粉混合物的腐蚀实验，实验过程中很难观察到发生析氢腐蚀产生的析出氢气的现象，只能观察到具支试管内压强减小。笔者认为这并不能说明该条件下不发生析氢腐蚀，只是在该条件下铁电化学腐蚀吸收氧气导致具支试管内压强减小比析氢腐蚀析出氢气导致具支试管内压强增大要强得多，因而只能观察到具支试管内压强减小的现象。

3.2 不同介质对铁电化学腐蚀的影响

图4给出了分别用5%的盐酸溶液、醋酸溶液和饱和氯化钠溶液湿润的碳粉、铁粉混合物在空气中电化学腐蚀时，U型玻璃导管中红墨水左右两边的液面高度差Δh随时间的变化曲线。为了说明铁析氢腐蚀时吸氧腐蚀的速率，图4中同时给出了在图2装置中所做的铁析氢腐蚀和吸氧腐蚀组合实验的结果。

比较图4中的曲线1、2、3发现：（1）用5%的盐酸溶液、醋酸溶液和饱和氯化钠溶液湿润的碳粉、铁粉混合物在空气中电化学腐蚀时，都能观察到铁的吸氧腐蚀。用饱和氯化钠溶液湿润的碳粉、铁粉混合物在空气中腐蚀时仅能观察到吸氧腐蚀；用5%的盐酸溶液或醋酸溶液湿润的碳粉、铁粉混合物在空气中腐蚀时，既能观察到析氢腐蚀又能观察到吸氧腐蚀。（2）碳粉、铁粉混合物用5%的盐酸溶液湿润比用5%的醋酸溶液湿润，更利于观察铁在酸性氛围中的析氢腐蚀。

利用装置2进行的铁析氢腐蚀和吸氧腐蚀组合实验的结果为图4中的曲线4。该装置中U型玻璃导管一边联接着铁吸氧腐蚀装置，另一边联接着铁析氢腐蚀装置，记录的Δh为与铁吸氧腐蚀装置相连的U型玻璃导管内红墨水上升和与铁析氢腐蚀装置相连的U型玻璃导管内红墨水下降的差值（Δh增大表示铁吸氧腐蚀装置内压强减小）。比较曲线1和曲线4发现：（1）在时间约为90秒前曲线4的Δh上升的速率明显大于曲线1的Δh上升的速率，说明在该时间段内装置2中用5%的盐酸溶液湿润的碳粉、铁粉混合物发生的析氢腐蚀产生的氢气速率大于其发生吸氧腐蚀消耗的氧气速率，加上装置2中用饱和氯化钠溶液湿润的碳粉、铁粉混合物发生着吸氧腐蚀消耗氧气，整体表现为曲线4中的Δh上升的速率大于仅存在用饱和氯化钠溶液湿润的碳粉、铁粉混合物发生着吸氧腐蚀的Δh上升的速率。（2）在实验中铁腐蚀发生约90秒后，曲线4的Δh上升的速率明显减小，并出现下降。说明在该时间段装置2中用5%的盐酸溶液湿润的碳粉、铁粉混合物发生的析氢腐蚀析出氢气的速率下降，而其吸氧腐蚀消耗氧气的速率上升，且出现用5%的盐酸溶液湿润的碳粉、铁粉混合物吸氧腐蚀消耗的氧气速率大于用饱和氯化钠溶液湿润的碳粉、铁粉混合物发生的吸氧腐蚀消耗氧气的速率。其可能原因是，用酸性溶液湿润的碳粉、铁粉混合物发生析氢腐蚀的同时，还发生着两个反应，一是析氢腐蚀生成的Fe2+和Fe（OH）2进一步与氧气反应消耗氧气，二是暴露在空气中的铁粉（特别是没有完全被酸性溶液湿润的铁粉）直接发生吸氧腐蚀消耗氧气，这两个反应消耗氧气的总速率比用饱和氯化钠溶液湿润的碳粉、铁粉混合物发生的吸氧腐蚀消耗氧气的速率大。

3.3 结论

（1）铁在酸性环境中发生腐蚀时，析出氢气和消耗氧气的反应同时发生着。通过观察铁腐蚀体系中的压强差来说明铁发生析氢腐蚀的实验，必须在铁腐蚀析出氢气的速率大于铁腐蚀消耗氧气的条件下进行。即用类似于装置1进行铁析氢腐蚀实验时，要求湿润碳粉、铁粉混合物的酸性溶液具有一定的酸度，例如用4%～5%的盐酸溶液湿润碳粉、铁粉混合物。

（2）铁在酸性环境中发生腐蚀时，如果酸性介质中H+的物质的量不是较大（酸性介质中H+的物质的量较大时，发生的是酸与铁的反应），用如图1所示装置，实验中能同时观察到析出氢气和吸收氧气的现象。

（3）在其他条件相同时，用装置2进行铁析氢腐蚀和吸氧腐蚀组合实验，可观察到“铁发生析氢腐蚀过程中消耗氧气的速率大于铁单纯发生吸氧腐蚀消耗氧气的速率”的现象。

参考文献：

[1]王祖浩主编.普通高中课程标准实验教科书·化学反应原理（选修）[M].南京：江苏教育出版社，2009：23～25.

[2]任志强，徐素芳.苏教版《化学反应原理》中值得商榷的几个问题[J].中学化学教学参考，2008，（11）：36.

[3]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.

[4]陶俞佳，李桂林.吸氧腐蚀实验的改进[J].化学教学，2009，（6）：26～27.

[5]唐敏.实验探究钢铁的腐蚀[J].化学教育，2011，（6）：58～59.