1、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
2、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
3、將鐵釘置入BF中,如圖(一),並用試管塞塞住BE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
4、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)A1.221.30B1.201.20C1.231.23D1.201.48E1.201.22F1.191.21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、1.5
5、g、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 7
6、0 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%。
7、(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
8、 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
9、 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
10、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
11、 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)
12、 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.
13、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
14、.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
15、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
16、: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
17、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1.9g1.5g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 1000.26,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)
18、 + 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
19、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
20、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.41p.42。
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