基于探究性學習思路的金屬氧化腐蝕實驗探討

李浩天

摘 要：本文以高中化學課程中的金屬氧化腐蝕實驗為背景，探討了同學們如何在高中化學的學習中通過探究式實驗培養創新意識，本文詳細論述了兩個實驗的實驗方法，在第一個實驗中，研究了pH值對鐵的析氫腐蝕和吸氧腐蝕的影響；在第二個實驗中，通過實驗學習了原電池的工作原理，全文是筆者在高中化學學習中的理論升華，以期對同學們能有所裨益。

關鍵詞：高中化學 實驗 探究 創新 金屬氧化腐蝕

中圖分類號：G633.8 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2018）12（b）-0-03

在高中化學的學習中，實驗一般都安排在每一章節學完之后進行。等到我們做實驗時，幾乎所有的實驗都是對所學知識的驗證，缺乏新穎性。如果能將實驗提前，通過我們自己的雙手，經由自己的參與，然后根據實驗現象自己得出結論，簡單、明了，讓我們通過自己做實驗得出結果。這樣做有利于打破權威，活躍思維，調動學習的積極性、創新的能動性。

在新課程高中化學的金屬腐蝕當中，主要分為化學腐蝕和電化學腐蝕這兩種情況，其中電化學腐蝕又可以分為吸氧腐蝕和析氫腐蝕這兩種現象，一般來說當金屬在酸性較強的環境當中時，就會發生析氫腐蝕的現象；當金屬所處的環境為酸性較弱或者是呈現中性時，就會發生吸氧腐蝕，通常來說自然界中較為普遍發生的是吸氧腐蝕。關于吸氧腐蝕，在課本當中，無論是哪一版本都是以鋅-稀硫酸-銅作為主要的實驗進行講解。盡管該實驗在操作上和結果上比較簡單和明顯，但是該實驗為金屬的析氫腐蝕，所以需要簡單明顯易懂的吸氧腐蝕實驗。

1 pH值對鐵的析氫腐蝕和吸氧腐蝕的影響

1.1 實驗原理

鐵表面形成的水膜酸性較弱時，在空氣中發生吸氧腐蝕，其電極及電池反應方程式為：負極：2Fe=2Fe2++4e-；正極：O2+2H2O+4e-=4OH-；電池反應：2Fe+O2+2H2O=2Fe（OH）2。

隨著與氧氣的結合，鐵被氧化成氫氧化亞鐵，然后進一步被氧化成氫氧化鐵，脫去一部分水生成三氧化二鐵，即鐵銹。由于反應過程吸收氧氣，而使得U型玻璃管內紅墨水液面上升。

鐵表面形成的水膜酸性較強時，在空氣中發生析氫腐蝕，其電極及電池反應方程式為：負極：Fe= Fe2++2e-；正極：2H++2e-=H2；電池反應：Fe +2H+= Fe2++ H2↑。

隨著氫氣的析出，水膜的pH不斷上升，Fe2+與OH-結合生成Fe（OH）2，再繼續和O2作用，生成Fe（OH）3，進而形成鐵銹。雖然后期也發生了吸氧腐蝕，但由于前期有氫氣放出，可明顯看到試管內有大量小氣泡逸出，紅墨水液面下降。本實驗向鐵粉中加入少量的炭粉，混合均勻后，將此混合物分別均勻地粘附在事先用不同介質溶液浸潤過的密閉容器壁上，通過觀察與密閉容器另一端接口的U型玻璃管內紅墨水位置的變換，即可探究金屬的吸氧腐蝕和析氫腐蝕過程。

1.2 實驗器材

試管、玻璃活塞、橡膠塞、標尺、U型玻璃管、燒杯、量筒、玻璃棒、容量瓶、滴管，電子天平、研缽、藥匙、稱量紙。濃鹽酸（AR，37%）、醋酸（AR）、氯化鈉（AR）、碳粉、鐵粉、紅墨水。

1.3 實驗步驟

HCl濃度變化對鐵電化學腐蝕影響的探究。首先，分別配制濃度為1%、2%、3%、4%、5%的HCl溶液，以配制 1%HCl溶液為例，具體步驟為：（1）在通風櫥內用電子天平迅速稱取6.80g 37%濃鹽酸，置于燒杯中；（2）向燒杯中加入少量蒸餾水，并用玻璃棒攪拌；（3）將燒杯中溶液在玻璃棒引流下，轉入250ml容量瓶中；（4）用蒸餾水沖洗燒杯數次（每次少量），沖洗液轉入容量瓶內；（5）向容量瓶內加入去離子水，直至離刻度線2～3cm處，左右搖動容量瓶，使其均勻；（6）用膠頭滴管向容量瓶中加入蒸餾水，直至凹液面與刻度線持平。

其次，在圖1所示裝置的具支試管中分別加入1.5ml 1%、2%、3%、4%、5%的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型玻璃導管中左右兩邊的紅墨水液面高度差Δh。

1.4 實驗現象與分析

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高度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2所示。

圖2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2中可以看出：第一，用濃度為1%～5%的鹽酸溶液濕潤的碳粉、鐵粉混合物，在空氣中經過約10min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。第二，用濃度為4%和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1min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?。é增大）。第三，在空氣中用1%～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。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。第四，隨著鹽酸溶液濃度不斷增加，即溶液pH值不斷減小，析氫腐蝕越來越明顯，這說明酸性條件下有利于析氫腐蝕的發生。

1.5 實驗結論

（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。通過鐵腐蝕體系中的壓強差可以證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。即用類似于圖1裝置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，隨著酸性環境越強（即酸度越大），析氫腐蝕越明顯。

2 基于原電池原理的實驗

2.1 實驗原理

原電池工作原理。銅、鋅兩電極，一同浸入H2O2時，由于鋅比銅活潑，容易失去電子，鋅被氧化成二價鋅進入溶液，電子由鋅片通過導線流向銅片，溶液中的氫離子從銅片獲得電子，被還原成氫原子。

2.2 實驗器材

鋅片（新）、銅片、導線、靈敏型電流表（0～1.5A）、燒杯、膠頭滴管、30%雙氧水、蒸餾水

2.3 實驗步驟

（1）按示意圖連接裝置，觀察電流表指針變化。

（2）在鋅片附近加入兩滴管 H2O2，觀察電流表指針變化。

2.4 實驗現象與分析

未加入H2O2之前，電流表指針幾乎不動；加入H2O2后，熱蒸餾水中產生大量微小的氣泡（O2）指針慢慢偏轉，同時鋅片上生成一薄層 Zn（OH）2。

指針偏轉的原因可能為：（1）H2O2微弱電離導電；（2）H2O2在熱蒸餾水中分解產生O2，金屬發生吸氧腐蝕，形成原電池導電。

用玻璃棒蘸取加入雙氧水后的蒸餾水，涂在pH試紙上和標準比色卡對比，該溶液顯中性，說明雙氧水顯弱酸性不是產生電流的主要原因；以往實驗也可以證明，在相同條件（T、P）下，向熱蒸餾水中鋅片附近緩慢通入細小氧氣氣泡也會產生相同的現象，也能證明H2O2電離不是電流表指針偏轉的主要原因。所以，形成電流的主要原因是H2O2分解生成O2，金屬發生吸氧腐蝕。此外，由鋅表面生成一層白色氫氧化鋅也可以證明發生了金屬的吸氧腐蝕。

2.5 實驗結論

本實驗證明了金屬在中性甚至極弱酸性條件下能發生吸氧腐蝕。實驗選用熱蒸餾水不僅避免了普通水中雜質離子的干擾，而且加快了H2O2的分解，增大了氧氣在水中的濃度，從而克服了氧氣難溶于水而使實驗現象不明顯的缺點。明顯的實驗現象充分證明了金屬在中性甚至極弱酸性條件下發生吸氧腐蝕，克服了普通條件下難證明吸氧腐蝕存在的缺點。

3 結語

通過探究性實驗，可以使我們在學習和運用的過程中學習科學方法。可使大家尋求發現新途徑、新關系、新知識，并運用知識解決問題，從而不斷增強創新意識。創新能力的形成，除了必要的基礎知識之外，更重要的是要有正確的思維方法和良好的思維品質，通過實驗調動大家的主體意識，激活靈感，鼓勵標新立異，在實踐中不斷探索、評價，從而有所發現、有所創新。從培養思維能力入手，以達到創新之目的，正是我們多做探究性實驗之宗旨。

參考文獻

[1] 中華人民共和國教育部.普通高中化學課程標準（實驗）[M].北京：人民教育出版社，2003：44-47.

[2] 張軍.在中學化學教學中培養辯證思維能力的思考與實踐[J].中學化學教學參考，2016（15）：33-36.

[3] 肖中榮.談化學核心素養之實驗探究精神的塑造[J].中學化學教學參考，2016（17）：55-59.