论文部分内容阅读
【摘要】本文中的钢铁的吸氧腐蚀实验是高中化学教材"化学反应原理"中的一个演示实验，在课题研究中，主要通过观察不同pH的溶液对钢铁腐蚀速率的影响，来确定教学实验中最适宜的pH值。
【关键词】教学实验pH值吸氧腐蚀
1．前言
在《普通高中化学课程标准（实验）》中，"化学反应原理"选修模块对教学的要求是"能解释金属发生电化学腐蚀的原因，认识金属腐蚀的危害，通过实验探究防止金属腐蚀的措施。"在该部分内容的教学，教师一般采用实验的形式呈现给学生。这一部分内容是高中化学教材"化学反应原理"中的一个实验，人教版中作为教师演示实验，是将铁钉用饱和食盐水浸泡后进行实验的，但是至少要等待10分钟甚至更长时间才能观察到水柱上升。苏教版中则是作为学生的探究实验，而与人教版的不同在于，苏教版在铁粉中掺入少量炭粉，混合均匀后用氯化钠溶液浸泡，再使之发生无数微小的原电池反应的条件下进行吸氧腐蚀，进而观察因为氧气在腐蚀中被消耗后产生水柱的上升，但是苏教版教材中的实验同样也需要较长的时间才能观察到现象。在课堂上等待这样长的时间才能观察到实验现象，无论是作为教师演示实验还是学生探究实验，显然都是不恰当。因此，选择合适的pH值，使实验能够在较短的时间内完成，成了在该实验教学过程中存在的一个问题。
2.实验部分
2.1实验原理
（1）钢铁表面形成水膜酸性较强时，发生析氢腐蚀的电化学反应如下：
负极（Fe）：Fe=Fe2 2e-
正极：2H 2e-=H2
电池反应：Fe 2H2O=Fe(OH)2 H2↑
由于有氢气放出，所以称之为析氢腐蚀。
（2）钢铁表面形成水膜酸性较弱时发生吸氧腐蚀的电化学反应如下：
负极（Fe）：Fe=Fe2 2e-
正极：O2 2H2O 4e-=4OH-
电池反应：2Fe O2 2H2O=2Fe(OH)2
由于反应过程吸收氧气，所以也叫吸氧腐蚀。
析氢腐蚀与吸氧腐蚀生成的 Fe(OH)2均可被氧所氧化，生成 Fe(OH)3 ：4Fe(OH)2 O2 2H2O=4Fe(OH)3
2.2实验方案：
1、配制1mol/L NaCl溶液，添加1mol/L盐酸溶液，调节不同pH。
2、混合铁粉、碳粉在研钵中研磨，使其充分混合。
3、如图连接仪器，检漏。
4、在U型导管中加入一定量的水，保证左右水面齐平。
5、将混合粉末加入具嘴试管底部，将不同pH值的NaCl溶液滴入试管中，观察在不同时间的U型导管中水面的上下移动，同时记录时间。
3.结果与讨论
本实验主要选取采用pH=1、2、3、4、5、6、7的NaCl溶液，通过观察U型管液面的高低来确定钢铁腐蚀的主要表现形式。当pH=1时，U型管的右管液面在反应开始后不断升高，有关数据如下：
pH=1时间/min00.652.6857.259.2812.0115.4319.1725.3233.13 管长/mm-83-85-90-95-100-105-110-115-120-125-130当pH=2时，U型管的左管液面在反应开始后不断升高，有关数据如下：
pH=2时间/min00.56.812.7521.832.536.23管長/mm77798184858890时间/min46.5757.0770.9278.6593.73115.6189.67管长/mm9295100100105110125当pH=3时，U型管左管液面在开始时上升，但随着反应进行左管液面有一段时间呈下降趋势，随后不断上升，有关数据如下：
pH=3时间/min08.412.5724.9352.8359.0270.13管长/mm77858380828581时间/min77.2783.4299.03110.15124.18137.23148.2管长/mm85909092949695当pH=4时，U型管左管液面随着反应进行上下波动，有关数据如下：
pH=4时间/min00.535.537.6224.2234.8755.45管长/mm77838483828582时间/min67.8677.8986.0996.52121.44198.67 管长/mm808283848281 当pH=5时，U型管的左管液面在反应开始后不断升高，有关数据如下：
pH=5时间/min00.481.383.024.67.079.67管长/mm7780859095100105时间/min11.7616.6818.8322.626.7231.83 管长/mm110115120125130135 当pH=6时，U型管的左管液面在反应开始后同样不断升高，但反应时间较长，有关数据如下：
pH=6时间/min03.1521.9754.4278.6599.78123.64150.43管长/mm778285879095100105当pH=7时，U型管的左管液面在反应开始后不断升高，有关数据如下：
pH=7时间/min02.112.0829.2849.1371.1393.93121.7管长/mm7785909510005110115根据以上7张表，可以得到下图：
从上图可以观察到，当pH=1时，随着反应的进行，U型管右管液面不断上升，说明随着时间的推移，反应产生的H2的量不断增加，H2产生的速度远远大于O2的吸收速度，吸氧腐蚀不是该反应的主要表现形式。当pH=2时，U型管左管液面上升，O2的吸收速度大于H2的产生速度，吸氧腐蚀与析氢腐蚀在整个反应过程中的反应速率大致固定，可以观察到氧气被吸收现象，但是反应周期较长，切现象较不明显。当pH=3时，在反应开始阶段，氧气的吸收要大于氢气的产生，随着反应的进行，析氢腐蚀产生的氢气逐渐大于整个反应中吸收的氧气，对氧气吸收现象的观察有很大的影响。当pH=4时，我们可以观察到反应中氢气的析出与氧气的吸收不断上下波动，且持续周期长，对教学实验来说，学生很难观察到较明显的现象。在pH=5的时候，反应开始阶段就可以观察到明显的氧气吸收的现象，随着反应的进行吸氧腐蚀的现象越来越明显，而且这一过程在很短的时间内可以观察到。当pH=6时，虽然可以观察到氧气的吸收程度要大于氢气的吸收程度，但反应持续时间较长，在教学实验中，学生较难观察到明显现象。pH=7时，我们可以观察到氧气的吸收程度大于氢气的吸收程度，在反应较长一段时间后，才可以观察到吸氧腐蚀的现象。
4.结论
钢铁的吸氧腐蚀，作为高中化学教材"化学反应与原理"的一个实验，需要数十分钟的时间才能观察到现象，在课堂教学中是不现实的。如果pH的选择不当，在课堂教学中学生可能根本观察不到实验现象。通过本实验，我们可以观察到，当pH=5时，反应可以在较短的时间内观察到较明显的现象。因此，在我们实际教学中可以选择pH=5的反应溶液来进行教学实验。
【关键词】教学实验pH值吸氧腐蚀
1．前言
在《普通高中化学课程标准（实验）》中，"化学反应原理"选修模块对教学的要求是"能解释金属发生电化学腐蚀的原因，认识金属腐蚀的危害，通过实验探究防止金属腐蚀的措施。"在该部分内容的教学，教师一般采用实验的形式呈现给学生。这一部分内容是高中化学教材"化学反应原理"中的一个实验，人教版中作为教师演示实验，是将铁钉用饱和食盐水浸泡后进行实验的，但是至少要等待10分钟甚至更长时间才能观察到水柱上升。苏教版中则是作为学生的探究实验，而与人教版的不同在于，苏教版在铁粉中掺入少量炭粉，混合均匀后用氯化钠溶液浸泡，再使之发生无数微小的原电池反应的条件下进行吸氧腐蚀，进而观察因为氧气在腐蚀中被消耗后产生水柱的上升，但是苏教版教材中的实验同样也需要较长的时间才能观察到现象。在课堂上等待这样长的时间才能观察到实验现象，无论是作为教师演示实验还是学生探究实验，显然都是不恰当。因此，选择合适的pH值，使实验能够在较短的时间内完成，成了在该实验教学过程中存在的一个问题。
2.实验部分
2.1实验原理
（1）钢铁表面形成水膜酸性较强时，发生析氢腐蚀的电化学反应如下：
负极（Fe）：Fe=Fe2 2e-
正极：2H 2e-=H2
电池反应：Fe 2H2O=Fe(OH)2 H2↑
由于有氢气放出，所以称之为析氢腐蚀。
（2）钢铁表面形成水膜酸性较弱时发生吸氧腐蚀的电化学反应如下：
负极（Fe）：Fe=Fe2 2e-
正极：O2 2H2O 4e-=4OH-
电池反应：2Fe O2 2H2O=2Fe(OH)2
由于反应过程吸收氧气，所以也叫吸氧腐蚀。
析氢腐蚀与吸氧腐蚀生成的 Fe(OH)2均可被氧所氧化，生成 Fe(OH)3 ：4Fe(OH)2 O2 2H2O=4Fe(OH)3
2.2实验方案：
1、配制1mol/L NaCl溶液，添加1mol/L盐酸溶液，调节不同pH。
2、混合铁粉、碳粉在研钵中研磨，使其充分混合。
3、如图连接仪器，检漏。
4、在U型导管中加入一定量的水，保证左右水面齐平。
5、将混合粉末加入具嘴试管底部，将不同pH值的NaCl溶液滴入试管中，观察在不同时间的U型导管中水面的上下移动，同时记录时间。
3.结果与讨论
本实验主要选取采用pH=1、2、3、4、5、6、7的NaCl溶液，通过观察U型管液面的高低来确定钢铁腐蚀的主要表现形式。当pH=1时，U型管的右管液面在反应开始后不断升高，有关数据如下：
pH=1时间/min00.652.6857.259.2812.0115.4319.1725.3233.13 管长/mm-83-85-90-95-100-105-110-115-120-125-130当pH=2时，U型管的左管液面在反应开始后不断升高，有关数据如下：
pH=2时间/min00.56.812.7521.832.536.23管長/mm77798184858890时间/min46.5757.0770.9278.6593.73115.6189.67管长/mm9295100100105110125当pH=3时，U型管左管液面在开始时上升，但随着反应进行左管液面有一段时间呈下降趋势，随后不断上升，有关数据如下：
pH=3时间/min08.412.5724.9352.8359.0270.13管长/mm77858380828581时间/min77.2783.4299.03110.15124.18137.23148.2管长/mm85909092949695当pH=4时，U型管左管液面随着反应进行上下波动，有关数据如下：
pH=4时间/min00.535.537.6224.2234.8755.45管长/mm77838483828582时间/min67.8677.8986.0996.52121.44198.67 管长/mm808283848281 当pH=5时，U型管的左管液面在反应开始后不断升高，有关数据如下：
pH=5时间/min00.481.383.024.67.079.67管长/mm7780859095100105时间/min11.7616.6818.8322.626.7231.83 管长/mm110115120125130135 当pH=6时，U型管的左管液面在反应开始后同样不断升高，但反应时间较长，有关数据如下：
pH=6时间/min03.1521.9754.4278.6599.78123.64150.43管长/mm778285879095100105当pH=7时，U型管的左管液面在反应开始后不断升高，有关数据如下：
pH=7时间/min02.112.0829.2849.1371.1393.93121.7管长/mm7785909510005110115根据以上7张表，可以得到下图：
从上图可以观察到，当pH=1时，随着反应的进行，U型管右管液面不断上升，说明随着时间的推移，反应产生的H2的量不断增加，H2产生的速度远远大于O2的吸收速度，吸氧腐蚀不是该反应的主要表现形式。当pH=2时，U型管左管液面上升，O2的吸收速度大于H2的产生速度，吸氧腐蚀与析氢腐蚀在整个反应过程中的反应速率大致固定，可以观察到氧气被吸收现象，但是反应周期较长，切现象较不明显。当pH=3时，在反应开始阶段，氧气的吸收要大于氢气的产生，随着反应的进行，析氢腐蚀产生的氢气逐渐大于整个反应中吸收的氧气，对氧气吸收现象的观察有很大的影响。当pH=4时，我们可以观察到反应中氢气的析出与氧气的吸收不断上下波动，且持续周期长，对教学实验来说，学生很难观察到较明显的现象。在pH=5的时候，反应开始阶段就可以观察到明显的氧气吸收的现象，随着反应的进行吸氧腐蚀的现象越来越明显，而且这一过程在很短的时间内可以观察到。当pH=6时，虽然可以观察到氧气的吸收程度要大于氢气的吸收程度，但反应持续时间较长，在教学实验中，学生较难观察到明显现象。pH=7时，我们可以观察到氧气的吸收程度大于氢气的吸收程度，在反应较长一段时间后，才可以观察到吸氧腐蚀的现象。
4.结论
钢铁的吸氧腐蚀，作为高中化学教材"化学反应与原理"的一个实验，需要数十分钟的时间才能观察到现象，在课堂教学中是不现实的。如果pH的选择不当，在课堂教学中学生可能根本观察不到实验现象。通过本实验，我们可以观察到，当pH=5时，反应可以在较短的时间内观察到较明显的现象。因此，在我们实际教学中可以选择pH=5的反应溶液来进行教学实验。