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关于钢铁腐蚀理论探析及实验研究摘要：从实验研究的角度，以理论探讨结合实验验证的方法，分析了铁的吸氧腐蚀和析氢腐蚀发生的条件，得出了如下结论：铁的析氢腐蚀主要在强酸性环境中进行，铁的吸氧腐蚀无论在酸性、中性还是碱性条件下都能发生，且酸性越强，腐蚀速率越大。 关键词：吸氧腐蚀；析氢腐蚀；pH；电极电势 文章编号： 1005–6629(2012)5–0047–02 中图分类号： G633.8 文献标识码： B 1 问题提出 钢铁腐蚀是中学化学教学中的重要知识点，也是高考的热点内容之一，在最近几年各地的高考中均有涉及。钢铁腐蚀主要指电化学腐蚀，一般分为两种类型，即析氢腐蚀和吸氧腐蚀。在教学中，教师往往围绕这两种反应展开有关原理、发生条件等的讨论，但很多教师告诉学生的观点是：“钢铁在酸性条件下发生的是析氢腐蚀，在碱性或中性环境下发生的是吸氧腐蚀”。而对于这个结论，已有不少教师提出了质疑，如2011年《化学教育》第6期“实验探究钢铁的腐蚀”一文，作者便通过实验论证得出了“钢铁在碱性或中性环境下发生吸氧腐蚀；在酸性环境下有析氢腐蚀，同时也有吸氧腐蚀”的结论[1]。那么，析氢腐蚀和吸氧腐蚀的发生条件应如何界定？依据是什么？本文针对析氢腐蚀和吸氧腐蚀发生条件展开讨论，从理论探讨和实验验证两个角度出发来验证和纠偏已有观点，为教学及相关研究提供借鉴。 2 理论推断 首先，通过对析氢腐蚀和吸氧腐蚀电极电势的计算来比较两者正极电势的高低，进而推断在一定环境中反应发生的难易度。计算过程如下： 假设腐蚀发生在室温250 ℃酸性环境中，则 析氢腐蚀正极电极反应为2H++2e-→H2↑， E1=E?+ lg 吸氧腐蚀正极电极反应为O2+4H++4e-→2H2O，E2=E?+ lg ×c（H+）4负极发生的电极反应为Fe2++2e-→Fe(s)，E3=E?+ lg c(Fe2+) 上述3式中，E1，E2分别代表析氢腐蚀正极电势及吸氧腐蚀正极电势，E3代表负极电势。E?为标准电极电势，经查阅：三者分别是0、+1.23 V、-4402 V[2]。p?为标准大气压（1.013×105Pa），若pH2，pO2均为1.013×105 Pa，则前面两式可以表述为： E1=E?+ lg c(H+)2=E?+0.0591 lg c(H+) =(-0.0591 pH) V E2=E?+ lg c(H+)4=E?+0.0591 lg c(H+) =(1.23-0.0591 pH) V 可见，两种类型的腐蚀，其正极电势都是关于pH的一次函数。当溶液中Fe2+的浓度为10-5 mol/L，认定腐蚀即已发生，此时负极电势E3=-0.558 V，与pH无关。若把pH作为横坐标，电势E作为纵坐标，则可以得到如图1所示的电势-pH关系图（线A代表E2，线B代表E1，线C代表E3）： 由图1可得如 下结论： （1）在相同pH条件下，吸氧腐蚀正极电势始终大于析氢腐蚀正极电势，也即在相同条件下吸氧腐蚀比析氢腐蚀更易发生。 （2）随着pH的不断增大，不论是那种类型的腐蚀，其正极电势都不断降低，也即腐蚀变得更加困难。 （3）在强酸性溶液中，析氢腐蚀正负极存在较大的电势差。随着pH的升高，电势差不断减少，在中性或弱碱性条件下，两极电势几近相同。说明析氢腐蚀主要在强酸性环境中发生，而吸氧腐蚀在酸性、中性及碱性条件下都能发生。 3 实验分析 3.1 对已有实验现象的验证 “实验探究钢铁的腐蚀”一文中，作者通过实验验证了析氢腐蚀和吸氧腐蚀的发生条件，得出结论：“钢铁在酸性环境下既有析氢腐蚀又有吸氧腐蚀。若酸性较强以析氢腐蚀为主，酸性较弱以吸氧腐蚀为主。酸性或碱性条件下的吸氧腐蚀比中性环境下更快。” 实验步骤如下：在两个锥形瓶中分别加入等量的铁粉和碳粉的混合物，并在两者之间用装有红墨水的U型导管连结。锥形瓶中分别滴加醋酸溶液、氢氧化钠溶液和氯化钠溶液以创造酸性、碱性和中性环境。在实验1中，两锥形瓶分别滴加醋酸溶液和氯化钠溶液，观察U型导管水柱的位置，发现在酸性条件下刚开始以析氢腐蚀为主，一段时间后以吸氧腐蚀为主，并且酸性条件下吸氧腐蚀比中性条件下更快。这点和本文上述分析结论基本吻合。那么，为什么刚开始以析氢腐蚀为主而吸氧腐蚀并不明显呢？可以从吸氧腐蚀的微观过程加以解释： （1）氧气穿过空气-溶液界面进入溶液； （2）在溶液对流作用下，氧分子迁移到正极表面附近； （3）在扩散层范围内，氧分子在浓度梯度作用下扩散到正极表面； （4）在正极表面氧分子发生还原反应，也叫氧的离子化反应。 因此，吸氧腐蚀受氧气浓度影响较大，若水膜厚度较厚，则正极周围氧气