基于手持技术探究不同介质中铁的析氢腐蚀和吸氧腐蚀

刘燕伟 吴红艳

摘 要：本文采用手持技术探究三种不同介质中铁的析氢腐蚀和吸氧腐蚀，借助氢气、氧气、温度以及pH传感器，便捷、直观地测定实验过程中氢气、氧气、温度和pH的变化过程。实验数据表明：强酸条件下以析氢腐蚀为主;中性条件下发生吸氧腐蚀;弱酸性条件下，析氢腐蚀和吸氧腐蚀是同时发生的。

关键词：析氢腐蚀;吸氧腐蚀;手持技术;实验探究

一、 提出问题

金属的电化学腐蚀是高中化学选修四《化学反应原理》中的重要知识点，其实质是金属与电解质溶液接触在表面形成原电池，电化学的反应机理和形成条件均为重难点知识。

学生在理解铁的腐蚀原理时认为在酸性条件下发生铁的析氢腐蚀，在中性或碱性条件下发生铁的吸氧腐蚀。但对析氢腐蚀和吸氧腐蚀共存却持有怀疑的态度。

查阅文献得知，近年来化学教学工作者利用铁的析氢和吸氧腐蚀实验进行改进，以及利用数字化仪器（氧气和压力传感器）间接地研究铁的析氢和吸氧腐蚀。现象不够直观，不能定量地表示出铁的析氢和吸氧腐蚀，而且压力变化无法排除温度变化的影响。

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，我们借助氢气传感器、氧气传感器、温度传感器以及pH传感器实时监测不同介质中铁的析氢腐蚀和吸氧腐蚀的细微的变化过程，帮助学生正确理解析氢腐蚀和吸氧腐蚀的概念。

二、 实验过程

（一） 实验原理

在酸性条件下，铁发生析氢腐蚀，反应原理：

在中性或弱酸性条件下，发生吸氧腐蚀，反应原理：

与氧气的接触后，铁最终被氧化成氢氧化铁，氢氧化铁再脱去一部分水后生成铁锈。

根据实验的反应原理，实验中利用氧气传感器、氢气传感器和pH传感器、温度传感器分别进行实时监测反应中氧气、氢气的浓度和反应中溶液的pH、温度的变化。

（二） 实验药品与仪器

还原铁粉、炭粉、2mol/L醋酸溶液、2mol/L盐酸溶液、2mol/L氯化钠溶液、四颈烧瓶。

本实验采用朗威公司的数字采集器、传感器（分别为氧气、氢气、温度和pH传感器）。

（三） 实验过程

1. 中性条件下的吸氧腐蚀

（1）称取1g炭粉和8g铁粉混合均匀后加入四颈烧瓶中，再向四颈烧瓶中加入2mol/L的氯化钠溶液至刚好浸没pH传感器，迅速地塞紧各个单孔胶塞，装好传感器。

（2）分别开通四个传感器窗口，开启仪器采集数据，采集反应过程中氢气、氧气、温度和pH的变化情况，采集数据，利用Origin软件对数据进行绘图。横坐标选择时间，采集氢气浓度、氧气浓度、温度和pH。

（3）实驗结果及讨论

实验结果是氧气减少速率较慢，无氢气放出;即在中性条件下，吸氧腐蚀速率较慢，无氢气放出，即发生吸氧腐蚀。

2. 酸性较弱条件下的析氢腐蚀和吸氧腐蚀

（1）将实验1中的“2mol/L的氯化钠溶液”换成“2mol/L醋酸溶液”，其他实验操作步骤不变（实验结果见图1）。

（2）实验结果及讨论

酸性较弱的条件下，pH呈增大趋势，但变化缓慢;温度变化不明显;氢气的含量呈增加趋势，但达到最大值时，氢气的含量下降;氧气的含量在整个过程中一直下降。

酸性较弱的条件下，析氢腐蚀和吸氧腐蚀共存，但以析氢腐蚀为主。随着酸性的减弱，吸氧腐蚀逐渐增强，后期以吸氧腐蚀为主。

其中酸性较弱的条件下，氢气的含量呈增加趋势，但达到最大值时，氢气的含量下降。因为

H2+2Fe3+2H++2Fe2+ Eθ=0.771-0=0.771>0，所以我们猜测氢气有可能是被溶液中的铁离子氧化。但后续的实验我们还在继续研究中。

3.  酸性较强条件下的析氢腐蚀

（1）将实验1中的“2mol/L的氯化钠溶液”换成“2mol/L的盐酸溶液”，其他实验操作不变。

（2）实验结果及讨论

在酸性较强的条件下，反应很剧烈，很快释放出大量的氢气，即发生析氢腐蚀。

三、 实验小结

我们通过可视化的实验仪器探究三种不同介质中（强酸、弱酸、中性）铁的析氢腐蚀和吸氧腐蚀。在以上的实验中，利用传感器（氧气、氢气、温度和pH传感器）便捷地、直观地实时监测实验过程中氧气、氢气、温度和pH的微弱变化。在较强酸性下主要发生析氢腐蚀;中性条件下只发生吸氧腐蚀;弱酸性条件下，析氢腐蚀和吸氧腐蚀同时发生。

参考文献：

[1]吕琳，袁梦玥，张瑜，等.铁的析氢腐蚀和吸氧腐蚀的实验原理探查[J].化学教学，2015（10）：46-49.

[2]林建芬.析氢腐蚀和吸氧腐蚀实验的最佳条件及临界pH值的探究[J].实验教学，2017（4）：63-66.

[3]孙慧玲，靳莹，霍爱新.基于手持技术的金属电化学腐蚀实验改进[J].化学教学，2014（3）：52-54.

[4]林建芬，钱扬义.运用数字化手持技术对金属电化学腐蚀探究实验的改进[J].中学化学教学参考，2015（1-2）：51-52.

作者简介：刘燕伟，吴红艳，安徽省蚌埠市，蚌埠第一中学。