金屬氧化膜的成因及條件初探

摘 要：以實(shí)驗(yàn)探究為例，通過實(shí)驗(yàn)的設(shè)計與對比，探究金屬氧化物的成因及條件，并運(yùn)用所得規(guī)律，通過控制變量及條件，使反應(yīng)向有利于我們所需要的方向進(jìn)行，與環(huán)境友好共生。

關(guān)鍵詞：實(shí)驗(yàn)；探究；規(guī)律；應(yīng)用

日常生活中及工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)上接觸到各種金屬氧化膜，有的有益于生活及生產(chǎn)，如致密的氧化膜——氧化鋁薄膜。有的則對生活及生產(chǎn)極其不利，如疏松的氧化膜——鐵銹。了解其成因及形成條件，趨利避害，是我們高中化學(xué)教學(xué)不應(yīng)回避也必須面對的課題。下面就對金屬氧化膜的成因及形成條件做初步的探究。

金屬之所以易形成氧化膜，是因?yàn)榻饘倬墒ル娮樱c自然界的最常見的氧化劑氧氣反應(yīng)，生成較為穩(wěn)定的氧化物。礦山開采出的鋁土礦及紅土，主要成分均為氧化物也正驗(yàn)證了這一觀點(diǎn)，這是形成氧化膜的內(nèi)因。因?yàn)檫@些氧化物相對比較穩(wěn)定，即能量越低越穩(wěn)定，這也是自然界中的金屬通常以化合態(tài)形式存在，有的主要以氧化物的形式存在的原因所在。

我們改變不了形成氧化物的內(nèi)因，但可通過改變外因——即改變外界條件，加快或延緩生成氧化膜的速率，以利于人類的需要。

下面就中學(xué)常見的一些實(shí)驗(yàn)分析之，探究之，初步探尋氧化膜的成因及形成條件。

實(shí)驗(yàn)1：將鈉從裝煤油的試劑瓶中取出，吸干表面的煤油，用刀在玻璃片上切割，斷面上呈銀白色，立即變暗，生成易溶于水并與水反應(yīng)的氧化鈉。

實(shí)驗(yàn)2：將切去表皮的鈉置于坩堝中用酒精燈加熱。鈉先熔化，火焰呈黃色，生成淡黃色的固體過氧化鈉。取少量固體加水全部溶解并有氧氣生成。

實(shí)驗(yàn)3：將氧化鈉在坩堝中加熱，也生成了淡黃色的固體過氧化鈉。

上述實(shí)驗(yàn)說明了鈉在空氣中形成了氧化鈉，若在加熱條件下，更迅速生成了相對穩(wěn)定的過氧化鈉。

金屬易與氧氣反應(yīng)生成氧化物，更朝著生成相對穩(wěn)定的氧化物的方向進(jìn)行，越穩(wěn)定就越易生成，加熱更有利于反應(yīng)進(jìn)行。

若生成的氧化物易溶于水，與水或二氧化碳反應(yīng)生成可溶性堿或鹽，在自然環(huán)境被水沖刷，裸露出的金屬又會繼續(xù)反應(yīng)。不能保護(hù)內(nèi)部的金屬不被氧化，因此自然界中也沒有活潑金屬單質(zhì)，如鈉等。工業(yè)制備的金屬鈉只能保存在煤油中，避免與空氣中的氧氣及水反應(yīng)，即便如此，久置還會反應(yīng)。

實(shí)驗(yàn)4：將打磨過的鋁露置在空氣中，很快變暗，生成一層氧化膜，即氧化鋁。

實(shí)驗(yàn)5：將打磨過的鋁在酒精燈上加熱，內(nèi)部金屬熔化，但不滴落。

原因是表面迅速生成了一層致密的氧化鋁薄膜，兜住內(nèi)部金屬不脫落，也防止了內(nèi)部金屬繼續(xù)被氧化。

實(shí)驗(yàn)6：將表面已去氧化膜的鋁片浸沒在硝酸汞溶液中，片刻后取出，放置在潔凈的玻璃片上露置在空氣中一段時間，結(jié)果在鋁的表面上出現(xiàn)“白毛”。

原因是：2Al+3Hg（NO3）22Al（NO3）3+3Hg，在鋁的表面上不均勻的附著一層汞，裸露出的鋁與空氣中的氧氣反應(yīng)，生成了疏松的氧化膜即氧化鋁。且也看到一些黑色的物質(zhì)即氧化汞，量少說明汞與氧氣反應(yīng)速率小于鋁與氧氣的反應(yīng)速率，也可說明鋁的金屬活動性強(qiáng)于汞的金屬活動性。

從實(shí)驗(yàn)6得知要得到致密的氧化物薄膜與表面的潔凈度有關(guān)，同時也與氧氣、空氣等環(huán)境及氣流有關(guān)，只有表面均勻才可能形成致密的氧化物薄膜，也和金屬的活動性有關(guān)。

實(shí)驗(yàn)7：鐵在潮濕的空氣中生銹，與水、空氣中的氧氣有關(guān)，與反應(yīng)速率有關(guān)。

實(shí)驗(yàn)8：鐵與高溫下的水蒸氣反應(yīng)生成了一層致密的黑色的氧化膜即四氧化三鐵，阻止了反應(yīng)進(jìn)一步進(jìn)行。

說明適宜的溫度及速度有利于致密氧化膜的形。如鑄劍時淬火就是一個實(shí)例。

實(shí)驗(yàn)9：將鐵在常溫下放在濃硫酸中，剛開始略有氣泡，后來反應(yīng)速度極其緩慢。加熱，反應(yīng)迅速。

說明金屬表面若形成一層致密的氧化物薄膜，會發(fā)生“鈍化”，如：鐵、鋁在常溫下與濃硫酸、濃硝酸等。但加熱，致密的氧化膜破壞會被酸等破壞，反應(yīng)得以繼續(xù)進(jìn)行。

綜上九個實(shí)驗(yàn)，可得出形成致密氧化膜的成因及條件。

成因：金屬的活動性是形成氧化膜的本質(zhì)原因，金屬活動性越強(qiáng)，越易形成穩(wěn)定氧化膜；同時與反應(yīng)環(huán)境及生成速率有關(guān)。

形成致密氧化膜的條件：

1. 生成的氧化膜必須不與水等自然環(huán)境條件下的物質(zhì)反應(yīng)，如氧化鋁等不與水反應(yīng)，否則，該氧化物薄膜會不斷的剝落，裸露出金屬。該氧化膜也不會保護(hù)內(nèi)部的金屬不被再次氧化。

2. 要有適當(dāng)?shù)臏囟扰c生長速率。否則，生成的氧化膜是疏松的。如鐵銹。

3. 表面光潔，各處不能凹凸不平，氧化物薄膜成長的環(huán)境不同。如：鋁的表面上出現(xiàn)疏松狀的“白毛”。

4. 有適宜的環(huán)境，適宜的酸堿性。如：電鍍等平穩(wěn)環(huán)境。

要因金屬的不同選擇適宜的條件，要在多次試驗(yàn)中探究出各種金屬形成致密氧化膜的條件，因金屬而異。且氧化膜在一定條件下要穩(wěn)定，否則，則不穩(wěn)定存在。

我們要尊重客觀事實(shí)，尋找出各種氧化膜形成的條件及成因，只有這樣才能讓反應(yīng)利于我們需要的方向發(fā)展，如：在鐵上人為形成一層致密的四氧化三鐵層，有利于槍炮的防銹。利用酸性環(huán)境，將形成的鐵銹除去。

總之，給學(xué)生一個開闊的視野，用辯證的觀點(diǎn)探究氧化膜的成因及條件，學(xué)會量變與質(zhì)變的哲學(xué)原理，用化學(xué)的視角審視與探究并解釋相關(guān)的化學(xué)事實(shí)及現(xiàn)象，將知識與能力有機(jī)結(jié)合，學(xué)會“一切以客觀事實(shí)為依據(jù)”，探究規(guī)律的成因及條件，運(yùn)用所學(xué)及總結(jié)出的規(guī)律。控制條件及變量，將反應(yīng)朝著有利于我們需要的方向發(fā)展。有利于創(chuàng)造美好生活，并與自然界和諧共生。

參考文獻(xiàn)：

[1]何鵬，鄭長龍，尹學(xué)慧.化學(xué)課堂教學(xué)行為特征解析[J].化學(xué)教育，2014（5）：1-4.

作者簡介：

王洪波，吉林省白山市，白山市第二中學(xué)。