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影响铁生锈的探讨
影響鐵生鏽的探討
周桂秀、王立中、許又菱、李映萱、陳立萍國立花蓮女中師生
一、研究動機
鐵是人們最常用的金屬,因它產量豐、便宜、且質地堅硬,但是鐵非常容易銹蝕。
時常新建大樓的鐵窗裝上不久就銹蝕了,氧化銹蝕之速率驚人,為什麼?
使我們聯想到「基礎理化」課本提及「空氣中的鐵,在水分存在的情況下會生銹」,而臺灣氣候潮溼,因此生銹是相當嚴重的一個問題。
每年所生產的鋼鐵,大概有百分之二十以上是用來取代生銹而不能使用的物品。
同時花蓮靠近海邊,空氣中含有海水之鹽類較多,是否鹽或其他物質,也會使鐵生銹之速率增快?
因此我們著手研究。
二、研究目的
(一)探討空氣中氧和水汽對鐵生銹的影響。
(二)探討海水,以及各種酸、鹼、鹽類的水溶液對鐵生銹的影響。
(三)探討不同濃度的食鹽水、醋酸的水溶液對鐵生鏽的影響。
三、研究器材藥品
(一)器材:
電子天平、燒杯(1000ml)、試管與試管塞(或藥品罐)、棉花、棉線、量筒(50ml)、鐵架。
(二)藥品:
鐵釘(20mm長)、無水氯化鈣、海水、食鹽、醋酸、氫氧化鈉、鹽酸、硫酸、硝酸、氫氧化鉀、氫氧化鈣、氯化銅、氯化鈉、氯化鎂、硫酸銅、鋼絲線(0級)、硝酸鈉、亞硝酸納、鉻酸鈉。
四、研究過程與方法
(一)探討氣與水對鐵金屬生銹的影響:
【實驗一】
1.步驟:
(1)取二根鐵釘,用砂紙打磨(必須將鐵釘表面的鐵銹完全除去),用天平秤其質量後,置於試管A。
(2)重複步驟
(1)的操作分別將鐵釘置入B~F中,如圖
(一),並用試管塞塞住B~E試管。
(說明:
試管B的水必須不含空氣的,處理方法是先將試管裡的水煮沸,放入兩枚打磨乾淨的鐵釘,繼續煮水幾秒鐘,以驅走任何附著於鐵釘的氣泡,然後塞緊瓶塞。
)
(3)準備妥當後,將六支試管置於實驗室一角,每天觀察試管內的鐵釘是否生鏽,一連觀察五天。
將結果記入表
(一)。
(4)記錄生鏽情形後,再將六支試管內的鐵釘分別取出,用天平秤其質量,將反應前後質量記錄於表二。
(若鐵釘上含有水或油,可先用丙酮浸泡一下,再取出乾燥後秤重。
)
2.結果:
表一:
鐵釘在不同條件下的生銹現象:
試管
第一天
第二天
第三天
第四天
第五天
A
無反應
無反應
無反應
微小黑點
微小黑點
B
無反應
無反應
無反應
無反應
無反應
C
無反應
無反應
無反應
無反應
無反應
D
微小黑點
黑點變多
局部紅棕
紅棕擴大
整個紅棕
E
無反應
無反應
無反應
無反應
無反應
F
無反應
無反應
微小黑點
微小黑點
黑點變多
表二:
鐵釘質量的變化:
試管
實驗前質量(g)
五天後質量(g)
A
1.22
1.30
B
1.20
1.20
C
1.23
1.23
D
1.20
1.48
E
1.20
1.22
F
1.19
1.21
鐵生鏽的速率:
D>A>F>C=E=B
(二)探討鋼絲絨質量對反應速率的影響:
【實驗二】
說明:
實驗一的實驗裝置,不適宜每十分鐘取出秤重,故將裝置改為如圖二,以觀測水面上升量(即為氧的消耗量)來表示鐵生銹的速率。
1.步驟:
(1)分別秤取0.5g、10.0g、1.5g、2.0g、2.5g的鋼絲絨置入50ml的量筒內,倒入約20ml的冰醋酸浸泡一分鐘,再用清水清洗二次。
(2)清洗過的鋼絲絨仍留在量筒內,加入約25ml的水,先用塑膠膜封住量筒開口,倒置於1000ml的燒杯中(燒杯事先充滿八分滿的水),裝置如圖二。
(3)除去塑膠膜,記錄反應前量筒內的水位,而後每隔10分鐘記錄一次水位,直到90分鐘。
(注意:
每次記錄水位時,需利用鐵架上鐵夾的升降來調整量筒內外水面的等高,在壓力相等的條件下測量體積的變化才是準備的。
)
2.結果:
表三:
鋼絲絨質量與50ml空氣的氧化作用:
時間
上升(分)
水量
質(ml)
量(g)
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
消耗空氣百分比
0.5
0.2
1.1
2.5
3.8
4.6
5.4
5.8
6.0
6.1
6.2
12.4%
1.0
0.1
2.8
5.4
7.8
8.5
8.9
9.2
9.4
9.5
9.7
19.4%
1.5
0.0
3.2
6.3
8.6
9.1
9.3
9.6
9.8
10.0
10.0
20%
2.0
0.0
3.4
6.4
8.8
9.2
9.4
9.7
9.8
10.0
10.0
20%
2.5
0.1
3.8
6.6
8.9
9.3
9.5
9.7
9.8
9.9
9.9
19.8%
註:
消耗空氣百分比=
100%,例1.5g的鋼絲絨=
100%=20%。
(三)探討海水、食鹽水、以及各種酸、鹼、鹽類對鐵生鏽的影響:
【實驗三】:
1.步驟:
(1)秤取1.5g之鋼絲絨浸入0.5M硫酸一分鐘後立刻取出甩乾後,用夾子把鋼絲絨塞入50ml的量筒內,加入約25ml的蒸餾水,先用塑膠膜封住量筒開口,再倒置1000ml的燒杯中,操作如實驗二之步驟
(1)。
(2)每隔10分鐘記錄一次水位,直到90分鐘,再位次用各種濃度之酸、鹼、鹽、海水上述操作並記錄於表四~表九。
2.結果:
表四:
鋼絲絨浸泡在不同的酸下生鏽的比較:
時間
上升(分)
水量
質(ml)
量(g)
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
消耗空氣百分比
硫酸(0.5M)
0.0
0.8
1.2
1.6
1.9
2.2
2.5
2.6
2.5
2.4
4.2%
盬酸(0.5M)
0.0
0.2
0.4
0.6
0.8
1.1
1.3
1.6
1.8
1.7
3.4%
硝酸(0.5M)
0.0
0.2
0.3
0.4
0.6
0.8
1.0
1.1
1.3
1.4
2.8%
醋酸(0.5M)
0.0
2.8
4.5
6.0
0.6
7.6
7.8
8.0
8.0
8.1
16.5%
鐵生鏽的速率:
醋酸>硫酸>鹽酸>硝酸(0.5M)
表五、鋼絲絨浸泡在不同濃度的醋酸下生鏽的比較:
時間
上升(分)
水量
醋酸(ml)
濃度(M)
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
消耗空氣百分比
16.5M
未清洗
0.0
4.0
5.7
4.9
3.4
3.2
3.0
2.9
2.9
2.9
5.6%
清洗過
0.0
3.2
6.3
8.6
9.1
9.3
9.6
9.8
10.0
10.0
20.0%
4.125M
未清洗
0.0
2.6
6.0
6.4
6.0
5.4
5.0
4.9
4.7
4.6
9.2%
清洗過
0.0
3.0
5.4
7.6
8.8
9.2
9.4
9.6
9.8
9.8
19.6%
1.03M
未清洗
0.0
3.2
5.3
6.8
7.8
7.2
6.6
6.0
5.9
5.8
11.6%
清洗過
0.0
1.0
1.8
2.4
3.0
3.2
3.4
3.6
3.9
4.2
8.4%
0.26M
未清洗
0.0
2.8
4.8
7.0
8.6
9.0
9.2
9.4
9.6
9.8
19.6%
清洗過
0.0
0.6
0.8
1.2
2.0
2.2
2.6
2.8
3.0
3.2
6.4%
註:
未清洗:
鋼絲絨浸泡在醋酸一分鐘,取出甩乾即置入量管內反應。
清洗:
鋼絲絨浸泡在醋酸一分鐘,加水清洗二次,再置入量筒內反應。
表六、鋼絲絨浸泡在不同鹼類下生鏽的比較:
時間
上升(分)
水量
質(ml)
量
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
消耗空氣百分比
氫氧化鈉(0.5M)
0.0
0.2
0.6
0.1
0.1
0.1
0.1
0.1
0.1
0.1
0.2%
氫氧化鉀(0.5M)
0.0
0.2
0.6
0.1
0.2
0.0
-0.1
-0.1
-0.1
0.0
0%
氫氧化鈣(0.5M)
0.0
0.0
0.0
-1
0.0
-0.1
-0.1
-0.1
-0.1
-0.1
-0.2%
表七、鋼絲絨浸泡在不同鹽類下生鏽的比較:
時間
上升(分)
水量
質(ml)
量
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
消耗空氣百分比
氯化銅(0.5M)
0.0
0.7
1.0
1.6
1.9
2.1
2.4
2.6
2.6
2.7
5.4%
氯化鈉(0.5M)
0.0
0.3
0.5
0.7
0.9
1.1
1.2
1.2
1.4
1.6
3.2%
氯化鈣(0.5M)
0.0
0.3
0.5
0.6
1.0
1.1
1.2
1.4
1.5
1.5
3.0%
氯化鎂(0.5M)
0.0
0.1
0.2
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
0.9
1.0
2.0%
硫酸銅(0.5M)
0.0
0.5
1.2
1.4
1.7
2.0
2.3
2.4
2.5
2.6
5.2%
硝酸鈉(0.5M)
0.0
0.1
0.1
0.1
0.1
0.0
-0.1
0.1
0.1
0.0
0.0%
亞硝酸鈉(0.5M)
0.0
0.1
0.4
0.2
0.2
0.1
0.2
0.1
0.1
0.1
0.2%
鉻酸鈉(0.5M)
0.0
0.1
0.0
0.1
0.1
0.0
0.1
0.1
0.2
0.3
0.6%
表八、鋼絲絨浸泡不同濃度的食鹽水生鏽的比較:
時間
上升(分)
水量
質(ml)
量
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
消耗空氣百分比
蒸餾水
0.0
0.1
0.3
0.4
0.6
0.6
0.8
0.8
1.0
1.0
2.0%
食鹽水(5%)
0.0
0.1
0.7
1.1
2.0
2.0
2.1
2.4
2.7
2.7
5.4%
食鹽水(10%)
0.0
0.3
0.8
1.1
1.4
1.8
2.0
2.3
2.5
2.6
5.2%
食鹽水(15%)
0.0
0.2
0.3
0.6
0.8
1.0
1.1
1.3
1.4
1.6
3.2%
食鹽水(20%)
0.0
0.2
0.4
0.6
0.9
1.0
1.4
1.6
1.7
1.8
3.6%
食鹽水(25%)
0.0
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.6
0.7
0.9
1.0
2.0%
海水
0.0
0.5
0.9
1.2
2.4
2.5
2.6
3.0
3.3
3.5
7.0%
表九、鋼絲絨浸泡在不同混合液下生鏽的比較:
時間
上升(分)
水量
質(ml)
量
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
消耗空氣百分比
0.5M醋酸(10ml)+0.5M食鹽(10ml)
0.0
3.4
6.7
8.5
9.2
9.4
9.6
9.8
10.0
10.1
20.2%
0.5M硝酸鈉(10ml)+海水(10ml)
0.0
0.3
0.4
0.6
0.7
0.7
0.8
0.8
0.9
1.0
2.0%
0.5M醋酸(10ml)+0.5M氯化銅(10ml)
0.0
0.4
0.6
1.0
1.2
1.6
1.8
1.9
2.0
2.1
4.2%
0.5M氯化銅(10ml)+0.5M食鹽(10ml)
0.0
1.8
3.2
4.5
5.7
6.4
6.7
6.8
6.9
7.0
14.0%
註:
鋼絲絨分別浸泡在混合液20ml中一分鐘,再用清水清洗二次。
五、討論與結論
(一)本實驗氣溫、壓力都可能影響鐵氧化鏽蝕速率的因素,所以同一組實驗宜在同一時間下進行實驗,才能減低因溫度造成的誤差。
(二)由實驗一的結果得知,鐵生鏽必須有水和氧同時存在的條件,其反應式為:
(1)2Fe(s)+O2(g)+2H2O()→2Fe(OH)2(s)
(2)氫氧化亞鐵Fe(OH)2為溶於水的白色固體,在空氣中很快變成鐵鏽Fe2O3、XH2O,"XH2O"是為可變數。
4Fe(OH)2(s)+air+water→2Fe2O3、XH2O(s)
是故生鏽的速率為:
D試管(含有空氣與水)>A試管(含有空氣與少量水汽)>F試管(含有水與微量策空氣)>B試管(不含空氣)=C試管(不含水)=E試管(不含水與空氣)。
F試管有微量的生銹,因水中溶有微量的氧氣(20℃,每升的水含氧為0.0092g)。
(三)由實驗二的結果得知:
50ml的空氣與1.9g~1.5g的鋼絲絨反應最佳,原因為鋼絲絨小於1.0克時,造成反應時間長;大於1.5克時,則鋼絲絨的體積不能被忽略。
(1.0克鋼絲絨的體積=
,佔全部體積的百分比=
×100%=0.26%,因體積小,實驗時沒有加以修正。
)
(四)由表四與表六結果得知,對鐵氧化生鏽速率為酸類大於鹼類,而各種酸中,醋酸影響最大。
鐵在酸中的反應為:
Fe(s)+2H+(aq)→Fe2+(aq)+H2(g)
鐵在鹼中的反應為:
Fe(s)+20H-(aq)→Fe(OH)2(s)+2e-【Fe(OH)2為淺綠色】
或Fe(s)+3OH-(aq)→Fe(OH)3(s)+3e-【Fe(OH)3為紅棕色】
鐵生鏽速率的影響,酸大於鹼,其原因為:
酸中之氫離子會使腐蝕速率增加;而在鹼溶液中鐵的腐蝕是受氧擴散通過沈澱的腐蝕生成物Fe(OH)2的速率所控制,故腐蝕率較低。
(五)由表五結果知,鋼絲絨浸泡在大於1M的醋酸溶液時,鋼絲絨加水清洗反應效果較好。
若未清洗,則水面上升至某一高度後,會因產生氫氣,使水面有下降的情形。
鋼絲絨反應效果最好的方法依次為:
16.5M的冰醋酸(清洗過),反應時間:
40分鐘
4.125M的醋酸溶液(清洗過),反應時間:
50分鐘
0.26M的醋酸溶液(未清洗過),反應時間:
60分鐘
(註:
消耗空氣百分比最大量≒20%,在達18.2%時,反應速率則趨緩,所以我們以消耗9.1ml的空氣為反應時間。
)
(六)由表七結果知,各種鹽類中以銅鹽對鐵氧化生鏽的影響最大,可能為當鋼絲絨浸入銅鹽的水溶液中時,由於發生氧化還原反應,部分鋼絨的表面有銅生成,結果造成了鐵─銅電池,就像馬口鐵有部分的錫脫落時,更易腐蝕生鏽一樣,所以浸有銅鹽的鋼絲絨更易腐蝕。
(七)由表七結果知,鉻酸鹽、硝酸鹽、亞硝酸鹽類水溶液對於鐵的生鏽有抑制作用,可能原因為CO42-、NO3-、NO2-有較高的氣化電位,與其他陰離子形成競爭性的吸附在鐵金屬上,而抑制鐵鏽蝕作用。
(八)由表八結果知,各種濃度之食鹽水中,以濃度5%之食鹽水影響鐵生鏽之速率最大。
而海水對鐵之生鏽速率比5%之食鹽水要大,可能海水中除含有氯化鈉成分外,尚有多種物質的影響。
(九)由表九結果知,在醋酸與食鹽水溶液同時存在下,鐵的生鏽速率最大,而海水中含有硝酸鈉(或亞硝酸鈉、鉻酸鈉)可抑制鐵的生鏽。
(十)由本實驗得知,花蓮地區(花蓮女中)鐵容易生鏽,是由於多雨,靠近海邊,濕空氣中含鹽之故;欲使鐵不易生鏽,必須使鐵器保持乾燥,隔離空氣,少與酸、鹽類接觸,或在鐵表面可用NaNO3(或NaNO2)處理。
八、參考資料
1.高中基礎理化(下):
國立編譯館p.41~p.42。
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