实验验证氯化钠浓度对钢铁电化学腐蚀的影响

教育与装备研究

2017年第6期

实验验证氯化钠浓度对 钢铁电化学腐蚀的影响

左金鑫何彩霞贾同改

摘要:铁制品在氯化钠溶液中会发生电化学腐蚀-吸氧腐蚀。文中设计验证实验，依据 实验现象，结合理论分析，探讨了氯化钠溶液浓度差异对钢铁电化学腐蚀的影响。关键词：氯化钠浓度差异;钢铁的电化学腐蚀；实验验证

一、 问题的提出

人教版选修四《化学反应原理》第四章第 四节金属的电化学腐蚀与防护中的实验4-3 描述了金属在中性氯化钠溶液中会发生吸氧腐 蚀[1]，其电极反应方程式为：（+ )〇2 +2H 20 + 4e -440H -;(-)2F e -4e -—2Fe 2+。这一实 验说明在吸氧腐蚀中氯化钠溶液作为电解质溶 液会加快钢铁的腐蚀。然而氯化钠溶度差异会 对钢铁腐蚀产生怎样的影响呢？有资料[2]显 示，在饱和NaCl 溶液中，〇2浓度较低，钢铁不 易被腐蚀，3%氯化钠溶液中钢铁腐蚀最为严 重，如图1所示。氯化钠浓度差异如何影响钢 铁的腐蚀呢？为此笔者设计实验进行验证。

二、 实验验证的内容与现象

根据资料[2]显示3%的氯化钠溶液中铁腐 蚀最快，而在饱和氯化钠溶液中〇2浓度较低， 钢铁不易腐蚀。为此笔者将铁片置于不同浓度 的氯化钠溶液中，并用导线和盐桥构成闭合回 路，借助电流表指针偏转方向观察铁片腐蚀情

图1 氯化钠浓度对铁腐蚀的影响

况，如图2所示。

图2

氯化钠浓度差异对铁片腐蚀的影响

(一）氯化钠浓度差异对钢铁腐蚀的影响铁片在生产的过程中很难做到完全一样， 表面的缺陷等原因会造成看似相同的铁片电极

左金鑫，北京市广渠门中学，一级教师；何彩霞，北京教育学院，教授；贾同改，北京市东城区教师研修中心，高 级教师。本文系北京教育学院2015年度重大科研课题（课题编号JYZD 201506)的部分成果。

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电势并不相同，两个铁片的初始电极电势不同 可能导致相反的结论。笔者认为，在进行实验 之前应该对铁片进行筛选，或者将铁片泡入稀 酸中进行预处理，使得铁片表面的活度一致，这 样才可以得出正确的结论。为此对铁片做如下 的预处理:将铁片泡在pH =5稀盐酸溶液中，去除表面的氧化膜使得铁片表面的活度一致，然后将两块铁片分别置于不同浓度的NaCl溶 液中。

笔者按照图2所示装置重复多次进行如下 实验:向烧杯a、b中各加入50m L不同浓度的 NaCl溶液。实验记录如表1所示。

表1氯化钠浓度对铁片腐蚀影响的实验数

实验a b指针偏转方向

对照组0.1%0.1%不偏转I0. 1%0.01%向右

n0. 1%3%向左

m3%饱和溶液向左

(二）氧气浓度差异对钢铁腐蚀的影响

资料⑵所述，饱和NaCl溶液中02浓度低 铁片不易腐蚀。那〇2浓度差异对铁片会造成 怎样的影响呢？为此设计了如图3所示的实 验:向烧杯a、b中分别加入50mL 0. 1%、3%、饱和的NaCl溶液，并在每组实验中向烧杯b中通入02，实验记录如表2所示。

NaCl溶液

图3氧气浓度差异对铁片腐蚀的影响

表2氧气浓度差异对铁腐蚀影响的实验数据实验a b指针偏转方向

I0. 1%0.1%向右

n3%3%向右

m饱和溶液饱和溶液向右

三、实验现象分析与结论

依据表2所示的实验现象，可以发现按照 图2进行实验验证，实验I- m中指针均指向浓 度小的一极。由此得出结论:浓度大的氯化钠 溶液中的铁片作为原电池的负极，腐蚀情况严 重。依据表3中实验i-m所示的实验现象，可 知〇2浓度差异导致低氧区的铁腐蚀严重。

钢铁电化学腐蚀的内在本质是在金属的不 同区域形成电势差，在电场的作用下，电子由低 电势向高电势迁移，加速了低电势区域金属的 溶解腐蚀。在该实验中，两个铁片经过预处理，若置于相同的NaCl溶液中电极电势应该相等，然而置于不同浓度的NaCl溶液中，由于金属所 处的环境不同，其电极电势不同，即在两个铁片 之间形成电势差，根据电子的迁移规律，势必加 速低电势区域的铁片的溶解腐蚀。

上述实验（见表2、表3 )探讨的是不同浓 度的NaCl溶液对于置于其中的铁片的电极电 势的影响。其中涉及两个变量:〇2浓度差异和 NaCl浓度差异。现简要分析如下。

首先，从〇2浓度差异进行分析。根据补充 实验i- m的现象（见表3 )，可以发现〇2浓度 差异可以导致低氧区的铁腐蚀严重。在一定的 温度下，NaCl溶液浓度越大，〇2的溶解度越 低，不同温度、不同浓度NaCl溶液中氧气的溶 解度表[2]如表4所示。由此可以理解在不同浓 度NaCl溶液中两个铁片之间形成了氧气浓度 差异。

表3不同温度、不同浓度NaCl溶液中氧气的溶解度

盐度％

溶解度

^^^mL/L0 12 3 4饱和温度°c

108.02 7.56 7.09 6.63 6.41 5. 3

20 6.57 6.22 5.88 5.52 5.17 4. 2

根据氧浓差腐蚀机制（如图4所示），高氧 区高电势作正极，低氧区低电势作负极，氧气浓 度差异会导致低氧区铁电势低被腐蚀。

其次，从NaCl浓度差异进行分析。NaCl本 身不与电极反应物发生反应，但是NaCl浓度不 同，溶液中的离子强度不同，离子强度差异会影

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图4

氧浓差腐蚀机制

响金属的电极电位。从定性角度看，离子强度 增大，活度系数降低，铁电极电位降低，铁的还

原性增强。因此，NaCl 溶液的浓度越大，铁电 极电势越低，根据金属的电化学腐蚀规律可判 断浓度大的NaCl 溶液中铁片作负极，其腐蚀 严重。

此外，有资料⑴表明：c r 可以加速金属的 电化学腐蚀，NaCl 浓度高的金属表面电极电 势较低，成为腐蚀过程的阳极而发生腐蚀。其 电化学腐蚀机制尚无统一结论，主流解释为： Cl -穿透能力强，Cl -浓度越大，对于金属表面 形成的氧化膜破坏作用越强，导致其电极电势 负移，其腐蚀动力学过程如图5所示。

图5 Cl -对铁氧化膜的作用机制

综上所述，当按照图2装置构成原电池时， 浓度大的氯化钠溶液中铁片作负极成为腐 蚀区。

四、问题讨论与启示

如资料⑵所述“钢铁在饱和NaCl 溶液中 不易被腐蚀”，是指氯化钠浓度以及氧气浓度 对钢铁腐蚀的影响。水中含盐量会加快金属的

腐蚀，然而随着含盐量的增加，水中溶解氧将降 低，又使得腐蚀速率减小。显然，这描述的是同 一块铁片分别置于不同浓度氯化钠溶液中的腐 蚀情况，这种腐蚀现象并非由于盐浓差和氧浓

差导致的电势差导致的电化学腐蚀。这与本文 所设计的实验完全不同。

本文实验探究的是将两块相同的铁片放置 于不同浓度NaCl 溶液中，用盐桥和导线构成 闭合回路，由于两块铁片所处的溶液环境不同， 在两块铁片间产生的电势差而导致的电化学腐 蚀。这种现象应该综合考虑“Cl -浓度差异导 致的电势差”和“氧浓度差异导致的电势差”来 进行分析和解释。

对于教师而言，对教科书中实验素材的思 考和再探究，不仅能够解决学生的困惑，更能够 提升教师的专业水平。对于学生而言，从发现 问题到通过实验解决问题，所经历的思维过程 正是当今课程改革所倡导的。因此，教师应该 选择合适的素材进行充分的挖掘，在真实的问 题解决过程中注重对学生思维品质的培养，提 升其解决问题的能力。参考文献：

[1] 人民教育出版社，课程教材研究所，化学课程研究

开发中心编著.（普通高中课程标准实验教科书） 化学选修4化学反应原理.北京:人民教育出版社， 2015:85.

[2] 张宝宏，丛文博，杨萍.金属电化学腐蚀与防护（3

版）[M ].北京：化学工业出版社，2005:112 - 113, 101-106.

[3] 赵春梅，王正君.氯离子的腐蚀机理分析及防腐处

理[J ].黑龙江水利，2016(7):6-9.

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