基于探究性学习思路的金属氧化腐蚀实验探讨

李浩天

摘 要：本文以高中化学课程中的金属氧化腐蚀实验为背景，探讨了同学们如何在高中化学的学习中通过探究式实验培养创新意识，本文详细论述了两个实验的实验方法，在第一个实验中，研究了pH值对铁的析氢腐蚀和吸氧腐蚀的影响；在第二个实验中，通过实验学习了原电池的工作原理，全文是笔者在高中化学学习中的理论升华，以期对同学们能有所裨益。

关键词：高中化学 实验 探究 创新 金属氧化腐蚀

中图分类号：G633.8 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2018）12（b）-0-03

在高中化学的学习中，实验一般都安排在每一章节学完之后进行。等到我们做实验时，几乎所有的实验都是对所学知识的验证，缺乏新颖性。如果能将实验提前，通过我们自己的双手，经由自己的参与，然后根据实验现象自己得出结论，简单、明了，让我们通过自己做实验得出结果。这样做有利于打破权威，活跃思维，调动学习的积极性、创新的能动性。

在新课程高中化学的金属腐蚀当中，主要分为化学腐蚀和电化学腐蚀这两种情况，其中电化学腐蚀又可以分为吸氧腐蚀和析氢腐蚀这两种现象，一般来说当金属在酸性较强的环境当中时，就会发生析氢腐蚀的现象；当金属所处的环境为酸性较弱或者是呈现中性时，就会发生吸氧腐蚀，通常来说自然界中较为普遍发生的是吸氧腐蚀。关于吸氧腐蚀，在课本当中，无论是哪一版本都是以锌-稀硫酸-铜作为主要的实验进行讲解。尽管该实验在操作上和结果上比较简单和明显，但是该实验为金属的析氢腐蚀，所以需要简单明显易懂的吸氧腐蚀实验。

1 pH值对铁的析氢腐蚀和吸氧腐蚀的影响

1.1 实验原理

铁表面形成的水膜酸性较弱时，在空气中发生吸氧腐蚀，其电极及电池反应方程式为：负极：2Fe=2Fe2++4e-；正极：O2+2H2O+4e-=4OH-；电池反应：2Fe+O2+2H2O=2Fe（OH）2。

随着与氧气的结合，铁被氧化成氢氧化亚铁，然后进一步被氧化成氢氧化铁，脱去一部分水生成三氧化二铁，即铁锈。由于反应过程吸收氧气，而使得U型玻璃管内红墨水液面上升。

铁表面形成的水膜酸性较强时，在空气中发生析氢腐蚀，其电极及电池反应方程式为：负极：Fe= Fe2++2e-；正极：2H++2e-=H2；电池反应：Fe +2H+= Fe2++ H2↑。

随着氢气的析出，水膜的pH不断上升，Fe2+与OH-结合生成Fe（OH）2，再继续和O2作用，生成Fe（OH）3，进而形成铁锈。虽然后期也发生了吸氧腐蚀，但由于前期有氢气放出，可明显看到试管内有大量小气泡逸出，红墨水液面下降。本实验向铁粉中加入少量的炭粉，混合均匀后，将此混合物分别均匀地粘附在事先用不同介质溶液浸润过的密闭容器壁上，通过观察与密闭容器另一端接口的U型玻璃管内红墨水位置的变换，即可探究金属的吸氧腐蚀和析氢腐蚀过程。

1.2 实验器材

试管、玻璃活塞、橡胶塞、标尺、U型玻璃管、烧杯、量筒、玻璃棒、容量瓶、滴管，电子天平、研钵、药匙、称量纸。浓盐酸（AR，37%）、醋酸（AR）、氯化钠（AR）、碳粉、铁粉、红墨水。

1.3 实验步骤

HCl浓度变化对铁电化学腐蚀影响的探究。首先，分别配制浓度为1%、2%、3%、4%、5%的HCl溶液，以配制 1%HCl溶液为例，具体步骤为：（1）在通风橱内用电子天平迅速称取6.80g 37%浓盐酸，置于烧杯中；（2）向烧杯中加入少量蒸馏水，并用玻璃棒搅拌；（3）将烧杯中溶液在玻璃棒引流下，转入250ml容量瓶中；（4）用蒸馏水冲洗烧杯数次（每次少量），冲洗液转入容量瓶内；（5）向容量瓶内加入去离子水，直至离刻度线2～3cm处，左右摇动容量瓶，使其均匀；（6）用胶头滴管向容量瓶中加入蒸馏水，直至凹液面与刻度线持平。

其次，在图1所示装置的具支试管中分别加入1.5ml 1%、2%、3%、4%、5%的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型玻璃导管中左右两边的红墨水液面高度差Δh。

1.4 实验现象与分析

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高度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2所示。

图2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2中可以看出：第一，用浓度为1%～5%的盐酸溶液湿润的碳粉、铁粉混合物，在空气中经过约10min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。第二，用浓度为4%和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1min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）。第三，在空气中用1%～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。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。第四，随着盐酸溶液浓度不断增加，即溶液pH值不断减小，析氢腐蚀越来越明顯，这说明酸性条件下有利于析氢腐蚀的发生。

1.5 實验结论

（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。通过铁腐蚀体系中的压强差可以证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。即用类似于图1装置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，随着酸性环境越强（即酸度越大），析氢腐蚀越明显。

2 基于原电池原理的实验

2.1 实验原理

原电池工作原理。铜、锌两电极，一同浸入H2O2时，由于锌比铜活泼，容易失去电子，锌被氧化成二价锌进入溶液，电子由锌片通过导线流向铜片，溶液中的氢离子从铜片获得电子，被还原成氢原子。

2.2 实验器材

锌片（新）、铜片、导线、灵敏型电流表（0～1.5A）、烧杯、胶头滴管、30%双氧水、蒸馏水

2.3 实验步骤

（1）按示意图连接装置，观察电流表指针变化。

（2）在锌片附近加入两滴管 H2O2，观察电流表指针变化。

2.4 实验现象与分析

未加入H2O2之前，电流表指针几乎不动；加入H2O2后，热蒸馏水中产生大量微小的气泡（O2）指针慢慢偏转，同时锌片上生成一薄层 Zn（OH）2。

指针偏转的原因可能为：（1）H2O2微弱电离导电；（2）H2O2在热蒸馏水中分解产生O2，金属发生吸氧腐蚀，形成原电池导电。

用玻璃棒蘸取加入双氧水后的蒸馏水，涂在pH试纸上和标准比色卡对比，该溶液显中性，说明双氧水显弱酸性不是产生电流的主要原因；以往实验也可以证明，在相同条件（T、P）下，向热蒸馏水中锌片附近缓慢通入细小氧气气泡也会产生相同的现象，也能证明H2O2电离不是电流表指针偏转的主要原因。所以，形成电流的主要原因是H2O2分解生成O2，金属发生吸氧腐蚀。此外，由锌表面生成一层白色氢氧化锌也可以证明发生了金属的吸氧腐蚀。

2.5 实验结论

本实验证明了金属在中性甚至极弱酸性条件下能发生吸氧腐蚀。实验选用热蒸馏水不仅避免了普通水中杂质离子的干扰，而且加快了H2O2的分解，增大了氧气在水中的浓度，从而克服了氧气难溶于水而使实验现象不明显的缺点。明显的实验现象充分证明了金属在中性甚至极弱酸性条件下发生吸氧腐蚀，克服了普通条件下难证明吸氧腐蚀存在的缺点。

3 结语

通过探究性实验，可以使我们在学习和运用的过程中学习科学方法。可使大家寻求发现新途径、新关系、新知识，并运用知识解决问题，从而不断增强创新意识。创新能力的形成，除了必要的基础知识之外，更重要的是要有正确的思维方法和良好的思维品质，通过实验调动大家的主体意识，激活灵感，鼓励标新立异，在实践中不断探索、评价，从而有所发现、有所创新。从培养思维能力入手，以达到创新之目的，正是我们多做探究性实验之宗旨。

参考文献

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