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1、生铁在几种盐溶液中的电化学腐蚀陆燕海1 ，姚红英2（ 1德清高级中学 浙江湖州 313200 ； 2德清县教育研训中心 浙江湖州 313200 ）摘 要：通过一组实验探究了生铁在几种盐溶液中的电化学腐蚀的现象与原理。关键词： 电化学腐蚀；生铁；盐溶液1问题背景金属的电化学腐蚀是高中化学教学中的一个重点，也是各级各类化学考试中的“明星”考查点。（2009年全国高考上海化学卷第13题）引起了我们的注意和质疑。原题：右图1装置中，U形管内为红墨水，a、b试管内分别盛有等物质的量浓度的食盐水和氯化铵溶液，各加入生铁块，放置一段时间。下列有关描述错误的是（ ）A生铁块中的碳是原电池的正极B红墨水柱两边的
2、液面变为左低右高C两试管中相同的电极反应式是：FFDa试管中发生了吸氧腐蚀，b试管中发生了析氢腐蚀参考答案：B仔细分析出题人的意图，旨在考查学生对金属（生铁）析氢、吸氧两种电化学腐蚀发生条件与原理、盐类水解等知识点的了解与掌握程度，并要求学生具备一定的识图与分析的能力。总的来说，本题难度不大，学生容易得出参考答案B选项，教师在习题分析时也可做到言之凿凿。但静下心来细细揣摩，笔者不禁对参考答案心生几分疑虑： a、试管中氯化铵溶液pH值是多少？b、生铁块在b试管中会发生析氢腐蚀并产生气泡吗？c、按图1操作，实验是否真能出现预想中的B的现象呢 实验是解决问题最好的手段。为此，笔者对该题的真实性进行了
3、实证探究，并查阅了有关资料，以期能拨开笼罩在笔者心头的疑云。2实证探索实验1：室温（26.2）下分别配得三种样品溶液：1. 0 mol / L的NH4Cl溶液、1. 0 mol / L的NaCl溶液、饱和NH4Cl溶液，用pH计分别测得溶液的pH为 5.1、6.8 、5.0 。可见，NaCl溶液接近中性，而NH4Cl溶液显酸性但酸性并不强，即使是室温下的饱和溶液也仅为5左右。实验2：取一生铁片用稀盐酸泡洗几分钟去其表面氧化膜，蒸馏水洗净并用滤纸擦干后放入盛有适量1. 0 mol / L的NH4Cl溶液的具支试管中，使NH4Cl溶液浸没生铁片下半截。观察铁片表面无明显气泡生成，而在生铁片的空气液
4、体界面位置附近却能很快观察到有红褐色物质生成。若按图2组装装置并实验，导管内则还会出现一截红色液柱。测定实验结束后电解质溶液的pH变为5.4，较原NH4Cl溶液pH略微增大。笔者还发现，即使将NH4Cl溶液逐渐增大为2. 0 mol / L 、 3. 0 mol / L 、 4. 0 mol / L，甚至选用室温下的饱和溶液进行实验2 ，实验现象均同上。可见，无明显迹象表明生铁片在NH4Cl溶液中会发生析氢腐蚀。实验3：在图1的a、b管内分别放入约5mL浓度均为1.0 mol / L的NaCl溶液和NH4Cl溶液，再各加一块5 cm 1 cm已除去氧化膜的生铁片。然后快速盖上橡胶塞，调节好初始
5、时刻U形管中红墨水左右持平，并用黑色水笔再U形管上画出起始液面高度。2 min后即可看到红墨水有明显的左低右高的现象；若继续长时间放置，红墨水柱高度差会慢慢缩小，然后液面持平，最终变成左高右低（放置须10 h 以上），而最终久置后的试管a中出现墨绿色絮状沉淀，试管b中出现橙红色浑浊。若慢慢打开橡胶塞均能明显听到因a、b管内气压较大气压小而吸入空气时发出的“嘶嘶”声，说明实验后的a、b管压强均比外界大气压小。看到这一系列的反常现象，笔者当时的心情真的是在大失所望之余又惊讶不已，这究竟又是为什么呢？对此，笔者继续进行了深入研究。众所周知，生铁在潮湿空气中（潮湿有氧环境）发生的电化学腐蚀方式是吸氧腐
6、蚀，在中性（或弱酸性）电解质溶液时铁表面原电池的正极反应式一般可表示为：O2 + 2H2O + 4e = 4OH。但随着电解质溶液酸性的增强，正极又会逐渐发生析氢腐蚀而产生少量氢气：2H+ + 2e = H2，但铁的腐蚀仍然以有 H+ 参与反应的吸氧腐蚀为主，即：O2 + 4H+ + 4e = 2H2O ；只有在酸性更强并达到一定程度时，钢铁的腐蚀才会以析氢腐蚀方式为主。有研究1表明，敞口环境中当电解质溶液即水膜 pH = 3 4 时钢铁的腐蚀仍主要是有H+ 参与的吸氧腐蚀，几乎没有析氢腐蚀的发生。可见，吸氧腐蚀方式较之析氢腐蚀的发生要更容易的多，而当电解质溶液是NH4Cl溶液甚至饱和NH4C
7、l溶液时，因NH4+水解引起的微弱的酸性还远不能达到生铁（主要）发生析氢腐蚀的条件。因此，我们可以断言的是，实验2、3中生铁遇NH4Cl溶液时发生的仍然是吸氧腐蚀。笔者认为，Cl 对铁表面氧化膜具有很强的钻蚀破坏能力，而适当浓度 H+ 的存在能起到加速的作用，有利于内层铁原子吸氧腐蚀的继续发生。因此当实验3 中NH4Cl溶液、NaCl溶液的 c( Cl ) 相等时，NH4Cl溶液的弱酸性导致反应初时其中的生铁片发生吸氧腐蚀的速度要快于NaCl溶液中铁片发生吸氧腐蚀的速度，耗氧更快更多，从而在实验初始时出现红墨水柱左低右高的现象。那么，装置久置后为什么U形管中红墨水柱又最终会变成左高右低呢？我们
8、不妨先从试管a、b中生成的沉淀说起。实验4：取实验3试管a中的少量墨绿色沉淀，若用蒸馏水洗涤后敞口放置片刻颜色即转变为红褐色；若加稀盐酸溶解后，滴2 d KSCN溶液则出现淡血红色，继续加几滴双氧水，血红色加深。说明试管a出现的墨绿色沉淀主要应为Fe(OH)2（已有少量氢氧化铁等）。实验5：过滤出实验3试管b中的橙红色固体，用无水乙醇洗涤沉淀23次。取洗涤后的固体分别进行下列实验：（1）用盐酸溶解后滴KSCN溶液，溶液马上呈血红色，说明原固体中有Fe3+ 。（2）用稀硝酸溶解，加AgNO3 溶液能产生大量白色沉淀， 说明有 Cl；静置后取少许上层清液滴在表面皿中，并滴加过量30%的NaOH浓溶
9、液，出现大量红褐色沉淀，沸水浴加热表面皿气室（如右图3），石蕊试纸变蓝，说明原溶液中存在NH4+ 。（3）加蒸馏水后固体能部分溶解，过滤后滤液中可检测有Cl、NH4+ 和Fe3 ；褐色不溶物能溶解于稀盐酸并能检测出Fe3 。综合这些实验现象，笔者认为最终试管a中墨绿色物质主要是Fe(OH)2 ；试管b中橙红色物质是一种混合物，试验结果表明其可溶性部分的元素组成与性质同文献2中对氯化铁铵（ NH4ClFeCl3 或2 NH4ClFeCl3H2O，红黄色粉末、红橙色晶体或红宝石色晶体，可溶于水 ）的介绍相符，而蒸馏水洗后的难溶物应该为Fe(OH)3 （或Fe2O3x H2O）。实验3中，随着试管b
10、铁片吸氧腐蚀的不断进行，Fe2在H+ 、O2作用下又继续氧化为Fe3，并在NH4Cl溶液中使得Fe3逐渐转化并部分析出氯化铁铵。这一过程导致溶液中H+ 和NH4Cl浓度不断下降，促使铁片吸氧腐蚀速度减慢 ；而试管a中由于Cl始终不变，在其钻蚀作用下能快速持续地腐蚀，形成Fe(OH)2 ，最终能使体系中氧气几近耗尽而不至于使Fe(OH)2继续氧化为红褐色。基于这样的分析，试管a后来居上，在钢铁腐蚀实验的后期会出现红墨水柱左高右低的现象。3研究结论 到此，我们不难看出生铁片在NH4Cl溶液中发生的仍然是吸氧腐蚀的方式，并不会因NH4水解显弱酸性而发生析氢腐蚀，但实验表明同等Cl 浓度下，使溶液具备
11、一定的弱酸性反而有助于吸氧腐蚀的快速发生。值得注意的是，铁片在NH4Cl溶液中腐蚀后产物不同于NaCl溶液时的墨绿色沉淀Fe(OH)2 ，而是一种更复杂的橙红色物质，实验研究表明其组成可能是氯化铁铵和 Fe(OH)3 （或Fe2O3x H2O）组成的混合物。可见，生铁片在NH4Cl溶液中的腐蚀远没有我们想象中那么简单。如果我们在假设原题中电解质NaCl、NH4Cl溶液的浓度和铁片大小厚度均相同的前提下按图1进行实验，U形管中红墨水柱高度实际上在反应初始一段时间内始终是左低右高，只有长时间放置（须10 h 以上）才可能出现预想中的“左高右低”。当然需要说明的是，最终“左高右低”现象的出现也并非是
12、预想中管a耗氧压强小于大气压、b管析氢压强高于大气压而形成压力差所致，实际上实验开始后a、b管铁片吸氧腐蚀后气就都已小于大气压，只是最终a管气压比b更小罢了。4教学启示通过对这道习题的深究，笔者不但对金属的电化学腐蚀有了更深刻和全面的认识，感悟也颇多，特将一些想法付诸文字，希望能与大家交流共飨。（1）反思我们的日常教学，类似于原题这样的“人造题”充斥了化学教学的角角落落，在试卷、报刊等教辅资料中更是一抓一大把，这就要求教师必须练就一双会选题、选好题的慧眼。为此，我们教师对试题的研究不能仅浮于问题的表面，而要善于总结，勤于反思，乐于探究，积累经验。很多题目瞥一眼还本以为是个“好题”，仔细推敲后却
13、发现是不符合化学实验事实的非真实性化学问题。如果盲目地让学生使用这样的习题来解题技巧训练将会严重误导其对化学学科的认识，人为地增加负担，降低学生学习兴趣，并最终使化学教学导向歧途3。因此，在我们的教学和考试中都应尽量避免出现“虚假化学问题”，而要使用真实性化学问题。换言之，日常生活中人们崇尚食用绿色无公害食品，化学教学中我们也要讲究习题的自然、真实、原生态！（2）化学教学中所用的资料，包括教材、教参甚至高考试卷，都不可能是尽善尽美、完美无瑕的。大胆质疑、小心论证，践行实验探究，拒绝主观臆测应该成为我们解决化学问题时惯用的处理方式。反之，倘若我们对此始终抱以深信无疑甚至深信不疑的态度，那么长此以往就会导致我们思维的僵化。任何事物都需要我们也值得我们用批判的态度去质疑、去审查、去探索、去完善。再者，从教师自身的专业发展角度来看，教师也只有学会并慢慢习惯于通过质疑、分析、探究、反思等方式更新旧知识、旧方法、旧理念，才能使自己的专业水平和教学艺术不断得到发展和提高。参 考 文 献1 董俊华，曹楚南，林海潮酸度和氯离子浓度对工业纯铁腐蚀的促进作用机制研究J腐蚀科学与防护技术1995（10）：2932992 马世昌化学物质辞典M陕西科学技术出版社，2002：7823 刘江田化学问题的真实性与命题策略J化学教育2007（1）：60633
