鐵的析氫腐蝕和吸氧腐蝕的實驗原理探查

呂琳+袁夢玥+張瑜+吳星

摘要：利用改進的實驗裝置和實驗操作方法，探究了高中化學選修課程模塊《化學反應原理》中“鐵的析氫腐蝕和吸氧腐蝕”實驗的原理，結果表明：（1）在酸性環境中，鐵的析氫腐蝕和吸氧腐蝕是同時發生的，且發生析氫腐蝕后鐵的吸氧腐蝕強度更大；（2）利用改進的實驗裝置進行鐵的析氫腐蝕和吸氧腐蝕實驗，可很好地幫助學生理解鐵的析氫腐蝕和吸氧腐蝕的原理。

關鍵詞：鐵粉；吸氧腐蝕；析氫腐蝕；腐蝕原理；實驗探究

文章編號：1005–6629（2015）10–0046–04 中圖分類號：G633.8 文獻標識碼：B

1 問題的提出

金屬的電化學腐蝕是高中化學新教材《化學反應原理》中的一個重要內容。為了幫助學生理解金屬的吸氧腐蝕和析氫腐蝕的原理，蘇教版教材《化學反應原理》[1]中安排了鐵的吸氧腐蝕和析氫腐蝕實驗：將鐵粉和碳粉混合后分別撒入用氯化鈉和稀醋酸潤濕的具支試管中，通過觀察與具支試管相連接導管中的水柱上升或下降情況，以體驗鐵的電化學腐蝕。但有化學教師發現，按照教材中的實驗方法可能需要幾十分鐘的時間才能觀察到明顯現象[2]。很多教師就此實驗進行了改進研究，如譚文生[3]通過用泡菜水浸濕的濾紙條沾附鐵粉和碳粉混合物進行鐵的吸氧腐蝕實驗，和用稀醋酸浸濕的濾紙條沾附鐵粉和碳粉混合物進行鐵的析氫腐蝕實驗；陶俞佳[4]對鐵粉和碳粉混合物的吸氧腐蝕實驗裝置進行了改進；唐敏[5]改用不同溶液浸濕鐵粉和碳粉混合物探究鐵的電化學腐蝕。總體看來，多數對鐵的析氫、吸氧腐蝕實驗的改進，旨在使實驗現象更為明顯，而對于鐵析氫腐蝕的同時是否也發生吸氧腐蝕的探查較少。為了幫助學生更好地理解鐵的析氫腐蝕和吸氧腐蝕的原理，筆者改進了實驗裝置和實驗操作方法，從定量的角度探究鐵的析氫腐蝕和吸氧腐蝕過程。

2 實驗過程

2.1 實驗原理

經NaCl溶液濕潤的碳粉、鐵粉混合物在空氣中發生吸氧腐蝕，其電極反應及電池反應的方程式為：

2.2 實驗裝置

改進后的實驗裝置如圖1所示。裝置中具支試管壁上沾有NaCl溶液或稀酸溶液濕潤的碳粉、鐵粉混合物，具支試管上的玻璃活塞用于腐蝕實驗開始時調節具支試管中的壓強與外界壓強一致；具支試管與盛有紅墨水的U型玻璃細導管相連，結合標尺，可觀察記錄U型玻璃細導管中紅墨水的液面差（Δh）隨時間的變化。

2.3 實驗操作

實驗1 HCl濃度變化對鐵析氫腐蝕影響的探究

在圖1所示裝置的具支試管中分別加入1.5mL 3% HCl、4% HCl、5% HCl溶液，使溶液充分潤濕試管壁；稱取3.0g還原性鐵粉和0.6g碳顆粒在研缽中充分研磨，將研磨好的碳粉、鐵粉混合物迅速倒入具支試管中，振蕩試管使碳粉、鐵粉混合物附著在試管壁上，迅速塞緊橡皮塞，打開活塞，U型玻璃導管中紅墨水左右兩邊液面持平后關閉活塞。每隔一定時間記錄U型玻璃導管中紅墨水左右兩邊的液面高度差Δh。

實驗2 飽和NaCl溶液、5% HAc溶液對鐵腐蝕影響的探究

分別以飽和NaCl溶液、5% HAc溶液代替實驗1中的鹽酸溶液，在圖1所示裝置中進行鐵的析氫腐蝕和吸氧腐蝕實驗。

實驗3 鐵析氫腐蝕和吸氧腐蝕組合實驗探究

在圖2所示裝置的兩只具支試管中分別加入1.5mL飽和NaCl溶液和1.5mL 5% HCl溶液，使溶液充分潤濕試管壁，分別稱取兩份0.6g碳顆粒和3.0g還原性鐵粉，在研缽中充分研磨，將研磨好的碳粉、鐵粉混合物迅速倒入具支試管中，振蕩試管使碳粉、鐵粉混合物附著在試管壁上，迅速塞緊橡皮塞，打開活塞，U型玻璃導管中紅墨水左右兩邊液面持平后關閉活塞。每隔一定時間記錄U型玻璃導管中紅墨水左右兩邊的液面高度差Δh。

3 實驗結果與討論

3.1 不同酸度溶液對鐵析氫腐蝕的影響

在空氣中，鹽酸溶液濕潤的碳粉、鐵粉混合物發生電化學腐蝕，導致實驗裝置中U型玻璃導管內紅墨水的液面發生變化。不同濃度的鹽酸溶液濕潤的碳粉、鐵粉混合物發生電化學腐蝕時U型玻璃細導管中紅墨水的液面差（Δh）隨時間的變化曲線如圖3所示。圖中Δh<0表示具支試管內壓強增大，具支試管內有氣體生成；Δh>0表示具支試管內壓強減小，具支試管內有氣體被消耗。

從圖3中可以看出：（1）用濃度為3%～5%的鹽酸溶液濕潤的碳粉、鐵粉混合物，在空氣中經過約10分鐘的電化學腐蝕，具支試管內壓強均會減小，說明即使在酸性環境中，鐵電化學腐蝕也會消耗氧氣。（2）用濃度為5%的鹽酸溶液濕潤的碳粉、鐵粉混合物，在空氣中發生電化學腐蝕時，可明顯觀察到析出氫氣和吸收氧氣的現象，在鐵開始腐蝕約1分鐘內，由于腐蝕的酸度較大，析氫腐蝕導致的具支試管內壓強增大強于吸收氧氣導致的具支試管內壓強減小，可觀察到具支試管內壓強增大（Δh<0）；隨著腐蝕的繼續進行，環境的酸度不斷下降，鐵析氫腐蝕的速率減小，吸收氧氣導致的具支試管內壓強減小明顯地表現出來，總體觀察到具支試管內壓強減小（Δh增大）。（3）在空氣中用3%的鹽酸溶液濕潤的碳粉、鐵粉混合物的腐蝕實驗，實驗過程中很難觀察到發生析氫腐蝕產生的析出氫氣的現象，只能觀察到具支試管內壓強減小。筆者認為這并不能說明該條件下不發生析氫腐蝕，只是在該條件下鐵電化學腐蝕吸收氧氣導致具支試管內壓強減小比析氫腐蝕析出氫氣導致具支試管內壓強增大要強得多，因而只能觀察到具支試管內壓強減小的現象。

3.2 不同介質對鐵電化學腐蝕的影響

圖4給出了分別用5%的鹽酸溶液、醋酸溶液和飽和氯化鈉溶液濕潤的碳粉、鐵粉混合物在空氣中電化學腐蝕時，U型玻璃導管中紅墨水左右兩邊的液面高度差Δh隨時間的變化曲線。為了說明鐵析氫腐蝕時吸氧腐蝕的速率，圖4中同時給出了在圖2裝置中所做的鐵析氫腐蝕和吸氧腐蝕組合實驗的結果。

比較圖4中的曲線1、2、3發現：（1）用5%的鹽酸溶液、醋酸溶液和飽和氯化鈉溶液濕潤的碳粉、鐵粉混合物在空氣中電化學腐蝕時，都能觀察到鐵的吸氧腐蝕。用飽和氯化鈉溶液濕潤的碳粉、鐵粉混合物在空氣中腐蝕時僅能觀察到吸氧腐蝕；用5%的鹽酸溶液或醋酸溶液濕潤的碳粉、鐵粉混合物在空氣中腐蝕時，既能觀察到析氫腐蝕又能觀察到吸氧腐蝕。（2）碳粉、鐵粉混合物用5%的鹽酸溶液濕潤比用5%的醋酸溶液濕潤，更利于觀察鐵在酸性氛圍中的析氫腐蝕。

利用裝置2進行的鐵析氫腐蝕和吸氧腐蝕組合實驗的結果為圖4中的曲線4。該裝置中U型玻璃導管一邊聯接著鐵吸氧腐蝕裝置，另一邊聯接著鐵析氫腐蝕裝置，記錄的Δh為與鐵吸氧腐蝕裝置相連的U型玻璃導管內紅墨水上升和與鐵析氫腐蝕裝置相連的U型玻璃導管內紅墨水下降的差值（Δh增大表示鐵吸氧腐蝕裝置內壓強減小）。比較曲線1和曲線4發現：（1）在時間約為90秒前曲線4的Δh上升的速率明顯大于曲線1的Δh上升的速率，說明在該時間段內裝置2中用5%的鹽酸溶液濕潤的碳粉、鐵粉混合物發生的析氫腐蝕產生的氫氣速率大于其發生吸氧腐蝕消耗的氧氣速率，加上裝置2中用飽和氯化鈉溶液濕潤的碳粉、鐵粉混合物發生著吸氧腐蝕消耗氧氣，整體表現為曲線4中的Δh上升的速率大于僅存在用飽和氯化鈉溶液濕潤的碳粉、鐵粉混合物發生著吸氧腐蝕的Δh上升的速率。（2）在實驗中鐵腐蝕發生約90秒后，曲線4的Δh上升的速率明顯減小，并出現下降。說明在該時間段裝置2中用5%的鹽酸溶液濕潤的碳粉、鐵粉混合物發生的析氫腐蝕析出氫氣的速率下降，而其吸氧腐蝕消耗氧氣的速率上升，且出現用5%的鹽酸溶液濕潤的碳粉、鐵粉混合物吸氧腐蝕消耗的氧氣速率大于用飽和氯化鈉溶液濕潤的碳粉、鐵粉混合物發生的吸氧腐蝕消耗氧氣的速率。其可能原因是，用酸性溶液濕潤的碳粉、鐵粉混合物發生析氫腐蝕的同時，還發生著兩個反應，一是析氫腐蝕生成的Fe2+和Fe（OH）2進一步與氧氣反應消耗氧氣，二是暴露在空氣中的鐵粉（特別是沒有完全被酸性溶液濕潤的鐵粉）直接發生吸氧腐蝕消耗氧氣，這兩個反應消耗氧氣的總速率比用飽和氯化鈉溶液濕潤的碳粉、鐵粉混合物發生的吸氧腐蝕消耗氧氣的速率大。

3.3 結論

（1）鐵在酸性環境中發生腐蝕時，析出氫氣和消耗氧氣的反應同時發生著。通過觀察鐵腐蝕體系中的壓強差來說明鐵發生析氫腐蝕的實驗，必須在鐵腐蝕析出氫氣的速率大于鐵腐蝕消耗氧氣的條件下進行。即用類似于裝置1進行鐵析氫腐蝕實驗時，要求濕潤碳粉、鐵粉混合物的酸性溶液具有一定的酸度，例如用4%～5%的鹽酸溶液濕潤碳粉、鐵粉混合物。

（2）鐵在酸性環境中發生腐蝕時，如果酸性介質中H+的物質的量不是較大（酸性介質中H+的物質的量較大時，發生的是酸與鐵的反應），用如圖1所示裝置，實驗中能同時觀察到析出氫氣和吸收氧氣的現象。

（3）在其他條件相同時，用裝置2進行鐵析氫腐蝕和吸氧腐蝕組合實驗，可觀察到“鐵發生析氫腐蝕過程中消耗氧氣的速率大于鐵單純發生吸氧腐蝕消耗氧氣的速率”的現象。

參考文獻：

[1]王祖浩主編.普通高中課程標準實驗教科書·化學反應原理（選修）[M].南京：江蘇教育出版社，2009：23～25.

[2]任志強，徐素芳.蘇教版《化學反應原理》中值得商榷的幾個問題[J].中學化學教學參考，2008，（11）：36.

[3]譚文生.鐵的吸氧腐蝕與析氫腐蝕對比實驗設計[J].化學教學，2011，（6）：46～47.

[4]陶俞佳，李桂林.吸氧腐蝕實驗的改進[J].化學教學，2009，（6）：26～27.

[5]唐敏.實驗探究鋼鐵的腐蝕[J].化學教育，2011，（6）：58～59.