基于手持技术的电化学腐蚀发生条件研究

佘海红

摘 要：人教版、苏教版课本中均有关于电化学腐蚀实验方案的设计。文章从创新实验设计的角度出发，进行基于手持技术的电化学腐蚀发生条件实验，以形象地观察铁的析氢腐蚀和吸氧腐蚀。

关键词：化学教学;化学实验;电化学腐蚀;创新设计

中图分类号：G633.8文献标志码：A文章编号：1008-3561（2019）13-0089-01

人教版和苏教版课本中的一个实验引发了笔者思考：如何在课堂上有限的时间内让学生直观地体会到吸氧腐蚀和析氢腐蚀的发生？以下是笔者的创新实验过程。

一、创新实验来源

人教版、苏教版课本中均有关于电化学腐蚀实验方案的设计。人教版：将经过酸洗除锈的铁钉，用饱和食盐水浸泡一下，放入连接有导管的具支试管，导管末端浸入水中。几分钟后，观察导管中水柱的变化。苏教版：向还原铁粉中加入少量的炭粉，混合均匀后，撒入内壁分别用氯化钠溶液和稀醋酸润湿过的两支具支试管中，几分钟后观察、比较导管中水柱（在水中滴加几滴红墨水）的变化和试管中的现象。对这两套方案，笔者有如下思考：人教版中浸泡铁钉的食盐水是饱和溶液，苏教版中并未提及是否饱和，那么离子浓度对铁的腐蚀影响大小如何？人教版用铁钉来做吸氧腐蚀，苏教版中用铁粉，二者接触面积对铁的电化学腐蚀的速率影响大小如何？苏教版中析氢腐蚀使用稀醋酸，溶液酸度达到什么程度，析氢腐蚀较为明显？以下是笔者的探索实验。

二、实验试剂及仪器

（1）实验试剂：NaCl（固体）、浓H2SO4、水、铁粉、碳粉。（2）实验仪器及用品：电脑、数据采集器、压强传感器、氧气传感器、注射器、铁架台（带铁夹）、试管、药匙、pH计、一次性手套、纱布。

三、实验研究过程

配制溶液：（1）将一定质量的NaCl（固体）加入到一定体积的水中，配制浓度约为2 mol/L的NaCl溶液。（2）分别取一定体积上述NaCl溶液，向其中滴加浓硫酸，配制pH=5、pH=2、pH=1、pH=0的硫酸和NaCl的混合溶液，冷却后备用。（3）向蒸馏水中加入浓硫酸，配制pH=5的稀硫酸，将所配制的溶液进行编号：样品1：2 mol/L NaCl溶液;样品2～5：依次为 pH=5、pH=2、pH=1、pH=0的硫酸和NaCl的混合溶液;样品6：pH=5的稀硫酸。

实验一，探究酸度对铁的电化学腐蚀的影响。步骤：将纱布分别用样品1（2 mol/L NaCl溶液）、样品2～5（pH=5、pH=2、pH=1、pH=0的硫酸和NaCl的混合溶液）浸泡，拧干，再撒上等量铁、碳混合物，装入大试管，连接装置，点击电脑软件开始实验。

现象及结论。采集100s内 5个大试管中压强的变化情况，数据处理后可知样品1～6在100s内压强分别减小5kPa、减小6kPa、减小8.5kPa、减小10kPa、增加19kPa。结论1：pH≈1时，铁发生吸氧腐蚀速率最快，pH为0时主要发生析氢腐蚀。

实验二，探究离子浓度对铁的电化学腐蚀的影响。步骤：同实验一，浸泡纱布的溶液改为样品2（pH=5的硫酸和NaCl的混合溶液）和样品6（pH=5的稀硫酸）。

现象及结论。用数据采集器采集100s内两个大试管中压强的变化情况（使用样品2进行实验压强减小6kPa，使用样品6进行实验压强减小大约2kPa）。结论2：离子浓度增大，铁的吸氧腐蝕加快，可较为明显地观察吸氧腐蚀的变化。

实验三，探究容器体积对铁的电化学腐蚀的影响。步骤：将两块纱布均用样品4（pH=1的硫酸和NaCl的混合溶液）浸泡，拧干，再撒上等量铁、碳混合物，分别装入大试管和锥形瓶中，连接装置，点击电脑软件开始实验。

现象及结论。用数据采集器采集100s内两个装置中压强的变化情况（大试管中压强减小10kPa，锥形瓶中压强减小5kPa）。结论3：容器体积较小时，吸氧腐蚀引起的压强变化比较明显。

实验四，探究温度对铁的电化学腐蚀的影响。步骤：将纱布用样品4（pH=1的硫酸和NaCl的混合溶液）浸泡后，拧干，再撒上等量铁、碳混合物，放入大试管中，连接装置（其中一只大试管采用热水浴加热），采用O2传感器测定试管内O2浓度的变化。点击电脑软件开始实验。

现象及结论。用数据采集器采集两个大试管中O2浓度的变化情况（同样使氧气的浓度降为19%，室温需要300s，90℃的水浴中仅需150s）。结论4：温度越高，铁的吸氧腐蚀速率越快。

四、创新实验设计

综上结论，笔者设计了如下实验。步骤：（1）将20mL的注射器吸满pH=0的硫酸，插在单孔橡皮塞上（吸氧腐蚀形成的负压达到一定程度时，注射器内的稀硫酸将被吸入试管中）。（2）称取5g的铁粉、2g的碳粉置于滤纸上混合均匀。（3）将一块15cm×15cm的纱布放入pH=1的硫酸、NaCl 混合溶液浸泡后取出并将其拧干。（4）摊开纱布，将铁粉、碳粉的混合物均匀撒在纱布的两面。（5）将纱布放入试管中（尽可能疏松），并塞上单孔橡皮塞。（6）点击电脑软件采集相关数据。本实验创新之处在于：（1）装置简单，实验时间短、操作方便，可在两分钟内观察到吸氧腐蚀转化成析氢腐蚀。（2）实验的定量化使稳定性更好。（3）数字化实验的可视性让学生观察实验现象更形象生动、具体直观。

参考文献：

[1]江军.基于原理解读的铁吸氧腐蚀再设计[J].化学教育，2014（15）.

[2]谢婷婷.手持技术的金属电化学腐蚀影响因素的实验探究[J].中学化学教学参考，2017（18）.