铁生锈实验的半定量化研究
时间：2020-12-23 04:00:47 来源：雅意学习网 本文已影响 人 
摘要：文章研究钢丝绒生锈的过程，巧妙利用滴定管来半定量研究铁的生锈氧化过程。通过滴定管中气体体积的变化情况，来计算反应过程中氧气含量的变化情况。从反应动力学角度证实，铁的生锈反应是关于氧气含量的一级反应。通过对数据的收集和处理，让学生体会科学定量化学实验，让实验回归本质。
关键词：钢丝绒；生锈；半定量研究
文章编号：1008-0546（2017）02-0095-02 中图分类号：G633.8 文献标识码：B
doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2017.02.032
一、问题的提出
铁合金（钢）作为全球消耗量最大的材料，每年因氧化生锈腐蚀的量也相当惊人。在中学教材中[1]，关于铁的生锈过程通常是以铁钉或者铁丝来演示完成的。笔者认为以铁钉或铁丝生锈过程往往很难开展相关定量实验。而以钢丝绒来研究铁的生锈过程能更加快速、定量地描述该反应过程的反应动力学问题。基于这样的思考，笔者开展相关实验，取得了较好的结果，供各位同仁参考。
钢丝绒又名钢丝棉，也可叫钢铁丝绒，成丝绒状，由多根连续的纤维组成一定宽度的带状，纤维由粗到细一般分8个型号：4#、3#、2#、1#、0#、00#、000#、0000#。纤维越细越柔软，较细纤维的棉带摸起来像棉花一样柔软，故又名为钢丝棉，其实较粗纤维的棉带并非像其名，它比细棉硬且易划破手，用高倍度显微镜看，纤维的两边呈锋利的刀口状。 钢丝棉产品应用广泛：一般用于家居清洁，大型商场、酒店宾馆、公共场所等设施的清洁，石材木器等抛光打磨加工行业，汽车行业等。因国内该行业起步较晚，大家对其认识还比较少，还有更多未开发的使用領域。本文选择000#钢丝绒开展实验。
二、实验部分
实验装置：水槽（或大烧杯）、聚四氟乙烯通用滴定管。
实验试剂：钢丝绒000#、乙酸（分析纯）、去离子水。
数据处理软件：Original 6.1。
实验步骤：取质量约为0.5g左右钢丝绒，用去离子水和乙酸（体积比为100∶1）混合溶液润湿，这样做可以加速反应，减少观察时间。从活塞端将湿润的钢丝绒放在滴定管中（戴手套完成，防止钢丝绒划破手），关闭活塞。滴定管内用水封住一定体积（约为50mL）的空气，滴定管倒置于水槽中。通过观察记录水位的变化，从而得到其中气体体积的改变量，计算参与反应的氧气量。
三、实验数据与讨论
表1为两个同时开展实验记录了7天的数据。随着时间的推移滴定管中气体逐渐减少，这主要是铁生锈消耗了空气中氧气所导致。
为了尽可能地减小误差，两组实验在同一滴定管中进行，实验温度25℃左右（实验室恒温）。一般来说，空气中氧气的含量占到20%左右，因此滴定管中反应初始阶段氧气含量就为10mL左右。 为了尽可能准确地表示反应过程中氧气的含量情况，本文采取了混合气体中氧气的摩尔分数来表示氧气在反应过程中的含量的变化。
为了进一步探究相关动力学问题，我们开展数据处理。取In（氧气摩尔分数）对时间（天数）作图，得到较好的线性关系（R达到0.99左右）。大学《物理化学》教材[2]中指出，In（反应物浓度）与时间t呈线性关系为反应动力学一级反应的标志。因此，铁的生锈反应是关于反应物氧气含量而言的一级反应。也即铁的生锈速率与氧气浓度的一次方成正比。符合动力学一级反应的特征，比如有固定的半衰期，反应物浓度随时间呈指数性下降等。
四、结论
巧妙地使用实验室中常见的定量仪器滴定管成功的半定量化研究了铁的氧化生锈反应，证实了铁生锈反应是关于氧气含量的一级反应，与文献[3]报道的结论一致。让学生参与实验过程，通过对数据的记录和分析，来体验定量实验的过程，增长科学素养和培养自己的动手能力。
参考文献
[1] 人民教育出版社课程教材研究所化学课程考研研发中心.普通高中课程标准实验教科书·化学反应原理 [M]. 北京：人民教育出版社，2007：85
[2] 傅献彩等. 物理化学（第四版）下册[M]. 北京：高等教育出版社，2003：712-713
[3] Wilson，R. E. The Mechanism of Corrosion of Iron and Steel in Natural Waters and the Calculation of Specific Rates of Corrosion. Ind. Eng. Chem[J].1923：127-134
