鐵片電鍍鋅實驗的再探究

周萍 肖中榮

摘要：梳理已有的電鍍鋅實驗的改進方案，通過理論分析與實驗探究，獲得較理想的實驗條件：選擇ZnSO4-NH4Cl-CH3COONa電鍍液、溶液pH為6、電鍍電壓為0.76V、電極間的距離為5cm，電鍍可以得到銀白色、較致密的鍍鋅層。增加鋅鍍層的酸性腐蝕和中性腐蝕實驗證明，鍍鋅層具有顯著減緩鐵腐蝕的作用。

關鍵詞：鐵片電鍍鋅; 電鍍液; 白鐵皮; 實驗探究; 鐵腐蝕

文章編號：1005-6629（2021）08-0075-04

中圖分類號：G633.8

文獻標識碼：B

1 引言

鍍鋅鐵皮俗稱白鐵皮，是表面鍍覆鋅的白色低碳鋼薄板，具有不易生銹和耐腐蝕的優(yōu)點，鍍鋅鐵皮在生產(chǎn)、生活中的用途廣泛，用于制作各種容器等。

電鍍是應用電解原理在某些金屬表面鍍上一薄層金屬或者合金的過程。電鍍實驗可以讓學生理解電能向化學能的轉化、掌握電解原理和電解裝置、體驗電鍍原理在工業(yè)生產(chǎn)中的應用價值。人教版《化學反應原理》安排了鐵上鍍銅的學生實驗[1]，蘇教版《實驗化學》安排了鐵上鍍鋅的學生實驗[2]。鐵上鍍鋅實驗具有如下教學價值：一是基于實驗本體價值培養(yǎng)學生的實驗操作能力。學生操作電鍍鋅實驗需要選擇電極材料、配制電解液、組裝實驗裝置、控制變量探究適切的實驗條件等，電鍍鋅實驗可以提高學生的操作與心智技能;二是基于學科認知價值幫助學生深刻理解離子在溶液中的放電規(guī)律。很多學生對離子放電存在不少迷思概念，認為金屬活動性順序表中Zn位于H前，所以H+先于Zn2+放電。學生通過觀察電鍍鋅的實驗現(xiàn)象后，理解影響離子放電的因素有很多（如pH、電壓、離子濃度等），控制實驗條件可以使Zn2+先于H+放電;三是基于學科社會價值幫助學生理解電解原理及其在工業(yè)中的廣泛應用。鐵上鍍鋅可以減緩鐵的腐蝕延長白鐵皮的使用壽命。

為了達成上述教學功能，本文希望電鍍鋅實驗的理想現(xiàn)象如下：鍍鋅層是銀白色（與生活中所用白鐵皮的顏色相近）的、致密的鍍鋅層具有減緩鐵腐蝕的作用。

2 文獻簡要評述

2.1 蘇教版《實驗化學》的實驗方案求證

用50mL蒸餾水溶解3.5g ZnCl2、 12.5g KCl、 1.5g硼酸，調(diào)節(jié)pH為5～6，此時c（Zn2+）=0.51mol/L。以燒杯為電鍍槽、鋅片作陽極、鐵釘作陰極，用6V直流電源電解。裝置如圖1所示[3]。

根據(jù)上述實驗方案操作，5s后鐵釘表面即產(chǎn)生氣泡，搖動鐵釘，疏松的鍍層鋅散落于溶液中。

教材提供的方案沒有得到理想的實驗結果，學生不明白鋅層為什么不能鍍在鐵釘上，異常的現(xiàn)象削弱了實驗的教學價值。

2.2 其他代表性實驗方案求證

已有文獻[4，5]介紹常見電鍍液是不同濃度的ZnSO4·7H2O、 NH4Cl與CH3COONa的混合物，電鍍電壓設定在2～6V之間，電鍍時間控制在1～5min，有的方案還添加了表面活性劑改善鋅的吸附效果。由于實驗材料、電壓、電流、電極間的距離均會影響電鍍效果，本文在求證和探究時均使用下列相同儀器、用品和實驗操作。

儀器：高中學生電源（J04003-I），導線，電解槽，秒表，800目細砂紙，分析天平

用品：鋅片，鐵片，ZnSO4·7H2O，NH4Cl，CH3COONa，鹽酸，NaOH溶液，稀硫酸，鐵氰化鉀，飽和食鹽水，酚酞

平滑的金屬表面對可見光反射率較高，多于70%以上呈現(xiàn)銀白色光澤。若鍍件凹凸不平或電流控制不當，鍍鋅層會顯黑色[6];電鍍選擇表面積較大的光滑鍍件和低電流，可以獲得銀白色鋅鍍層。本文將鐵釘改為1cm×5cm鐵片（電鍍時插入溶液部分為1cm×3.6cm）。鐵片處理：先用精細800目細砂紙反復打磨，保證表面光滑，再置于1mol/L熱NaOH溶液數(shù)分鐘，完全除去表面油污，用清水洗凈后放入6mol/L鹽酸，1min后取出用蒸餾水沖洗干凈，備用。選取鋅片為1.2cm×6cm（電鍍時插入溶液部分為1.2cm×4cm），兩電極間的距離為5cm。

根據(jù)林悅[7]的實驗方案：稱量4g ZnSO4·7H2O、 1g NH4Cl、 1g CH3COONa配制200mL電鍍液，此時c（Zn2+）=0.07mol/L、 c（NH+4）=0.078mol/L，c（Zn2+）∶c（NH+4）≈1∶1。選擇2V直流電源，接通電源測得電流為0.06A，陰極表面逐漸析出銀白色物質(zhì)，同時產(chǎn)生氣泡，慢慢增多，30s后表面開始變灰黑，鋅層結構粗糙。1min后停止電鍍，用蒸餾水清洗鍍件，表層灰黑色疏松的鋅層脫落，露出灰白色鍍層。

林悅[8]控制電壓為2V，電鍍初期觀察到鋅離子在鐵片表面得到電子慢慢析出，形成銀白色的鍍層。隨后有氣泡產(chǎn)生，說明氫離子在陰極得電子產(chǎn)生氫氣，析出鋅層開始變灰黑，散落，沒有得到理想的實驗效果。

根據(jù)任躍紅[9]的實驗方案：稱量10g ZnSO4·7H2O、 46g NH4Cl、 6g CH3COONa配制成200mL溶液，此時c（Zn2+）=0.17mol/L，c（NH+4）=4.3mol/L，c（Zn2+）∶c（NH+4）≈1∶25。選擇2V直流電源，接通電源測得電流為0.40A，陰極表面逐漸出現(xiàn)銀白色，迅速產(chǎn)生氣泡并很快增多，20s后表面開始變灰黑，晶粒粗糙，1min后停止電鍍。用蒸餾水沖洗鍍件，表層灰黑色疏松的鋅層脫落，露出銀白色光亮鍍層，吹干后稱量、計算鍍層質(zhì)量約為0.002g。

任躍紅[10]提供的實驗方案獲得實驗現(xiàn)象和文獻[11]基本相同，不能獲得致密的鍍鋅層。還發(fā)現(xiàn)此時若延長電鍍時間或增大電鍍電壓均無法增加鍍層。

綜上所述，具有代表性的以上兩種實驗方案[12，13]提供的電鍍鋅實驗方案不理想，故也沒證明鍍鋅層能減緩鐵腐蝕的作用。

3 鐵片電鍍鋅實驗再探究

本文以為，電鍍時若氫離子和鋅離子同時在陰極得電子，產(chǎn)生的氫氣不利于鋅原子在陰極做有序堆積，很難形成致密的銀白色鋅鍍層。故獲取理想實驗現(xiàn)象的關鍵條件是要控制鋅離子在陰極慢慢析出而氫離子不析出。基于高中學生認知能力和高中實驗條件，本文從電鍍電壓和c（Zn2+）兩方面進行分析。

3.1 理論分析

3.1.1 電鍍電壓的控制方法

鋅的標準電極電勢Eθ為-0.736V，氫標準電極電勢Eθ為0.00V，在電流密度為1A/m2時，氫在鋅上面的析氫電勢是0.716V，高中實驗室常用的酸性鍍液pH約在5～6左右，Zn2+的析出電壓：EZn2+/Zn=EθZn2+/Zn-（0.0592/2）lg1/c（Zn2+）=-0.736V-（0.0592/2）lg1/c（Zn2+），氫氣的析出電壓：EH+/H2=EθH+/H2-（0.0592/2）lg1/c（H+）2=0.00-（0.0592/2）lg1/c（H+）2，代入c（Zn2+）可計算EZn2+/Zn，代入c（H+）可計算EH+/H2。理論上可通過計算和控制電極電勢，當鋅沉積的電極電勢大于析氫電極電勢時，析出鋅而氫氣不能析出，但實際電解的電流密度、c（Zn2+）、溶液pH等均會影響鋅和氫氣的析出電勢[14]。本文通過檢索文獻采取的電壓范圍，在實驗中調(diào)節(jié)電壓，將電壓控制在金屬鋅緩慢析出但沒有氫氣析出，從而得到理想的電壓。

3.1.2 c（Zn2+）的控制方法

鋅位于第4周期第ⅡB族，可以與多種配體形成穩(wěn)定的配合物。NH3相對Cl-是較強的配體，鋅氨配離子[Zn（NH3）4]2+的累積穩(wěn)定常數(shù)約為1.2×109，因此溶液中c（Zn2+）很小，從而保證陰極慢慢析出鋅，鋅氨配離子在陰極還原過程為：[Zn（NH3）4]2+[Zn（NH3）2]2++2NH3，[Zn（NH3）2]2++2e-Zn+2NH3。工業(yè)電鍍鋅的電鍍液體系是ZnSO4-NH4Cl-CH3COONa：醋酸鈉與氯化銨發(fā)生雙水解生成氨，NH3和Zn2+生成[Zn（NH3）4]2+;醋酸鈉還可以調(diào)節(jié)溶液pH至弱酸性，防止pH過小析出氫氣影響鋅鍍層。多數(shù)文獻采取的電鍍液配方與工業(yè)電鍍鋅的配方相似，只是各組分的含量有所不同。本文通過文獻調(diào)研和實驗求證，基于理想的實驗效果和節(jié)省原料的角度，探究合理的原料配比。

3.2 實驗探究

以下實驗探究均在室溫下進行，測得電鍍液的溫度為25℃，所用實驗儀器、用品同前文。

3.2.1 探究合適的電鍍電壓

實驗選用文獻[15]的配方，采用物理實驗室無極調(diào)節(jié)電壓的學生電源。先將電壓調(diào)節(jié)至1.5V，測得兩電極間電阻大約為80歐姆;在電路中連接一個10歐姆的滑動變阻器（先設定為0）;打開電源，觀察陰極鍍件現(xiàn)象：鍍件逐漸變灰黑，產(chǎn)生大量氣泡，旋轉調(diào)節(jié)電壓的旋鈕將電壓調(diào)小，同時用滑動變阻器微調(diào)電流，直至鍍件表面幾乎不產(chǎn)生氣泡。此時電鍍電壓為0.56V、電鍍電流為0.08A。

控制只析出金屬鋅不析出氫氣的電壓在0.56V左右。

3.2.2 探究合適的c（Zn2+）

c（Zn2+）是影響電鍍速率的重要因素，本文在低電壓下調(diào)整電鍍液配方，電鍍5min，分析鍍層效果與鍍件增重，結果如表1所示。

選用c（Zn2+）約為0.17mol/L的電鍍液，可得到較厚的銀白色鍍層。

3.2.3 探究合適的電鍍液配比

實驗改變ZnSO4·7H2O和NH4Cl用量，探究合理的原料配比，結果如表2所示。

電鍍液配方c（Zn2+）∶c（NH+4）≈1∶4，相同的電鍍時間得到的鍍層增重基本一致，但氯化銨用量大大減少，經(jīng)濟性和環(huán)保性均增強。

4 結果與討論

通過正交實驗得到較理想的實驗方案：稱量17.2g ZnSO4·7H2O、 12.8g NH4Cl、 10g CH3COONa配制成200mL溶液。此時c（Zn2+）=0.15mol/L，c（NH+4）=0.6mol/L，c（Zn2+）∶c（NH+4）≈1∶4，pH為6，溶液溫度約為25℃左右，電鍍電壓0.76V，接通電源后測得電流為0.06A。陰極表面慢慢析出銀白色物質(zhì)，幾乎無氣泡;延長電解時間，鍍層增厚，有零星氣泡，5min后停止電鍍，取出表面略微發(fā)黑的電極，用蒸餾水沖洗，除去表面疏松層，露出銀白色光亮鍍層。吹干后稱量、計算鍍層質(zhì)量為0.010g;重復實驗的鍍層質(zhì)量為0.009g。

本文還發(fā)現(xiàn)，若在上述實驗過程中加入洗潔精或硫脲，并沒有增加鍍鋅層厚度，這和文獻[16]的結論不同。

檢驗鋅鍍層防腐蝕效果有以下兩種方法。

方法1：取兩支試管分別加入3mL 3mol/L的稀硫酸以及兩滴鐵氰化鉀溶液，將小片鍍鋅鐵皮和普通鐵片分別放入兩支試管，鍍鋅鐵皮與硫酸發(fā)生劇烈反應并產(chǎn)生大量氣體，但溶液顏色沒有變化;普通鐵片與硫酸緩慢反應產(chǎn)生少量氣泡，溶液中慢慢產(chǎn)生普魯士藍沉淀。

鍍鋅鐵皮中鋅為負極、鐵為正極，與酸反應產(chǎn)生氫氣的速率比普通鐵皮與酸的反應速率快，反應初期沒有生成Fe2+，說明在酸環(huán)境下鋅鍍層對鐵有顯著的保護作用。

方法2：向鍍鋅鐵皮和普通鐵片分別滴3滴飽和食鹽水和1滴酚酞，數(shù)分鐘后鍍鋅鐵皮表面溶液幾乎無色，普通鐵片表面溶液明顯變紅。久置空氣中，鍍了鋅的鐵皮部位依舊為銀白色，沒有鍍鋅的鐵皮部位生銹嚴重。

鍍鋅鐵皮置于空氣中，鋅為負極、鐵為正極，基本不發(fā)生吸氧腐蝕，說明在自然狀態(tài)下鋅鍍層對鐵皮具有較好的防腐作用。

5 結語

電鍍鋅實驗是高中階段的學生實驗，本文基于文獻調(diào)研和實驗求證，獲得了合適的電鍍鋅實驗條件：稱取17.2g ZnSO4·7H2O、 12.8g NH4Cl、 10g CH3COONa配制200mL溶液，溶液pH為6，溫度為25℃;控制電鍍電壓為0.76V、電極間的距離為5cm、鍍件鐵片1cm×5cm（電鍍時插入溶液部分為1cm×3.6cm），鍍層鋅片為1.2cm×6cm（電鍍插入溶液部分為1.2cm×4cm），電鍍5min得到0.010g左右的銀白色致密鋅鍍層，實驗的重現(xiàn)性好。增加的鋅鍍層的酸性腐蝕和中性腐蝕實驗證明，鍍鋅層具有顯著的減緩鐵腐蝕的作用。改進的實驗方案用料少、電鍍時間短、現(xiàn)象明顯，便于教師演示實驗和學生分組實驗，能充分體現(xiàn)電鍍鋅實驗的多重教學功能。

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