影响铁生锈的探讨.docx

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。