羅鵬

摘要：文章研究鋼絲絨生銹的過(guò)程，巧妙利用滴定管來(lái)半定量研究鐵的生銹氧化過(guò)程。通過(guò)滴定管中氣體體積的變化情況，來(lái)計(jì)算反應(yīng)過(guò)程中氧氣含量的變化情況。從反應(yīng)動(dòng)力學(xué)角度證實(shí)，鐵的生銹反應(yīng)是關(guān)于氧氣含量的一級(jí)反應(yīng)。通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)的收集和處理，讓學(xué)生體會(huì)科學(xué)定量化學(xué)實(shí)驗(yàn)，讓實(shí)驗(yàn)回歸本質(zhì)。

關(guān)鍵詞：鋼絲絨；生銹；半定量研究

文章編號(hào)：1008-0546（2017）02-0095-02 中圖分類(lèi)號(hào)：G633.8 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2017.02.032

一、問(wèn)題的提出

鐵合金（鋼）作為全球消耗量最大的材料，每年因氧化生銹腐蝕的量也相當(dāng)驚人。在中學(xué)教材中[1]，關(guān)于鐵的生銹過(guò)程通常是以鐵釘或者鐵絲來(lái)演示完成的。筆者認(rèn)為以鐵釘或鐵絲生銹過(guò)程往往很難開(kāi)展相關(guān)定量實(shí)驗(yàn)。而以鋼絲絨來(lái)研究鐵的生銹過(guò)程能更加快速、定量地描述該反應(yīng)過(guò)程的反應(yīng)動(dòng)力學(xué)問(wèn)題?；谶@樣的思考，筆者開(kāi)展相關(guān)實(shí)驗(yàn)，取得了較好的結(jié)果，供各位同仁參考。

鋼絲絨又名鋼絲棉，也可叫鋼鐵絲絨，成絲絨狀，由多根連續(xù)的纖維組成一定寬度的帶狀，纖維由粗到細(xì)一般分8個(gè)型號(hào)：4#、3#、2#、1#、0#、00#、000#、0000#。纖維越細(xì)越柔軟，較細(xì)纖維的棉帶摸起來(lái)像棉花一樣柔軟，故又名為鋼絲棉，其實(shí)較粗纖維的棉帶并非像其名，它比細(xì)棉硬且易劃破手，用高倍度顯微鏡看，纖維的兩邊呈鋒利的刀口狀。 鋼絲棉產(chǎn)品應(yīng)用廣泛：一般用于家居清潔，大型商場(chǎng)、酒店賓館、公共場(chǎng)所等設(shè)施的清潔，石材木器等拋光打磨加工行業(yè)，汽車(chē)行業(yè)等。因國(guó)內(nèi)該行業(yè)起步較晚，大家對(duì)其認(rèn)識(shí)還比較少，還有更多未開(kāi)發(fā)的使用領(lǐng)域。本文選擇000#鋼絲絨開(kāi)展實(shí)驗(yàn)。

二、實(shí)驗(yàn)部分

實(shí)驗(yàn)裝置：水槽（或大燒杯）、聚四氟乙烯通用滴定管。

實(shí)驗(yàn)試劑：鋼絲絨000#、乙酸（分析純）、去離子水。

數(shù)據(jù)處理軟件：Original 6.1。

實(shí)驗(yàn)步驟：取質(zhì)量約為0.5g左右鋼絲絨，用去離子水和乙酸（體積比為100∶1）混合溶液潤(rùn)濕，這樣做可以加速反應(yīng)，減少觀察時(shí)間。從活塞端將濕潤(rùn)的鋼絲絨放在滴定管中（戴手套完成，防止鋼絲絨劃破手），關(guān)閉活塞。滴定管內(nèi)用水封住一定體積（約為50mL）的空氣，滴定管倒置于水槽中。通過(guò)觀察記錄水位的變化，從而得到其中氣體體積的改變量，計(jì)算參與反應(yīng)的氧氣量。

三、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與討論

表1為兩個(gè)同時(shí)開(kāi)展實(shí)驗(yàn)記錄了7天的數(shù)據(jù)。隨著時(shí)間的推移滴定管中氣體逐漸減少，這主要是鐵生銹消耗了空氣中氧氣所導(dǎo)致。

為了盡可能地減小誤差，兩組實(shí)驗(yàn)在同一滴定管中進(jìn)行，實(shí)驗(yàn)溫度25℃左右（實(shí)驗(yàn)室恒溫）。一般來(lái)說(shuō)，空氣中氧氣的含量占到20%左右，因此滴定管中反應(yīng)初始階段氧氣含量就為10mL左右。 為了盡可能準(zhǔn)確地表示反應(yīng)過(guò)程中氧氣的含量情況，本文采取了混合氣體中氧氣的摩爾分?jǐn)?shù)來(lái)表示氧氣在反應(yīng)過(guò)程中的含量的變化。

為了進(jìn)一步探究相關(guān)動(dòng)力學(xué)問(wèn)題，我們開(kāi)展數(shù)據(jù)處理。取In（氧氣摩爾分?jǐn)?shù)）對(duì)時(shí)間（天數(shù)）作圖，得到較好的線性關(guān)系（R達(dá)到0.99左右）。大學(xué)《物理化學(xué)》教材[2]中指出，In（反應(yīng)物濃度）與時(shí)間t呈線性關(guān)系為反應(yīng)動(dòng)力學(xué)一級(jí)反應(yīng)的標(biāo)志。因此，鐵的生銹反應(yīng)是關(guān)于反應(yīng)物氧氣含量而言的一級(jí)反應(yīng)。也即鐵的生銹速率與氧氣濃度的一次方成正比。符合動(dòng)力學(xué)一級(jí)反應(yīng)的特征，比如有固定的半衰期，反應(yīng)物濃度隨時(shí)間呈指數(shù)性下降等。

四、結(jié)論

巧妙地使用實(shí)驗(yàn)室中常見(jiàn)的定量?jī)x器滴定管成功的半定量化研究了鐵的氧化生銹反應(yīng)，證實(shí)了鐵生銹反應(yīng)是關(guān)于氧氣含量的一級(jí)反應(yīng)，與文獻(xiàn)[3]報(bào)道的結(jié)論一致。讓學(xué)生參與實(shí)驗(yàn)過(guò)程，通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)的記錄和分析，來(lái)體驗(yàn)定量實(shí)驗(yàn)的過(guò)程，增長(zhǎng)科學(xué)素養(yǎng)和培養(yǎng)自己的動(dòng)手能力。

參考文獻(xiàn)

[1] 人民教育出版社課程教材研究所化學(xué)課程考研研發(fā)中心.普通高中課程標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)教科書(shū)·化學(xué)反應(yīng)原理 [M]. 北京：人民教育出版社，2007：85

[2] 傅獻(xiàn)彩等. 物理化學(xué)（第四版）下冊(cè)[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