铁生锈耗氧量的测定
铁生锈耗氧量的测定宰
朱亚明
（苏州市吴中区木渎实验中学，江苏苏州２１５１０１）
摘要：为了能定量测定铁生锈的耗氧量，使用常规仪器测定了粗铁丝生锈时的耗氧量，耗时７ｄ；继续改进实验：用还原铁粉代替粗铁丝，耗时５ｈ。改进实验引入数字化技术测定还原铁粉生锈时的耗氧量，相关数据立显、客观，ｌｍｉｎ内氧气浓度从２０．４４％开始明显下降，ｌＯｍｉｎ后降至１０％，５ｈ后变为１．４２％。实验数据变化明显，实验时间大大缩短。
关键词：铁生锈；耗氧量；数字化实验文章编号：１００５—６６２９（２０１４）１１—００５９—０３
中图分类号：Ｇ６３３．８
文献标识码：Ｂ
沪教版义务教育教科书（九年级上册）《基础实验４》中的实验３：参照教材第１２７页“活动与探究”所述的实验方法探究铁钉锈蚀的条件，得出铁生锈时需要氧气参与。某些食品中也常用铁粉作除氧剂，但消耗一定量空气中氧气的量没有测定过。为了能定量测定铁生锈的耗氧量，笔者设计了几种方案，用市售１２＃镀锌铁丝和分析纯还原铁粉（２００目）作为除氧剂，并利用课外活动和学生就铁生锈的耗氧量进行了测定。
１半定量测定法
１．１粗铁丝生锈时的耗氧量１．１．１实验用品
大试管（２０ｍｍｘ２００ｍｍ）、烧杯（１００ｍＬ）、铁架台（带铁夹）、镊子、量筒（１００ｍＬ）、粗砂纸、火柴、记号笔、市售１２＃镀锌铁丝１５ｅｍ、稀盐酸、红墨水
１．１．２实验步骤
（１）砂纸打磨粗铁丝，绕成螺旋状，浸入稀盐酸中片刻，取出后用水冲净。
（２）使用镊子夹取粗铁丝小心送人试管的底部并注满水，用量筒量出试管内水的体积为Ⅵ。另量取ｌＯＯｍＬ的红墨水，倒人小烧杯中。
（３）按图ｌ连接好装置，将试管快速倒扣在红墨水中。
体。
（５）保持试管口浸没在水中，在水下用胶塞塞紧试管口，再取出试管用燃着的火柴检测试管内剩余气
（６）换相同规格和相同长度的粗铁丝后重复上述实验，再做２次对比实验。
１．１．３实验现象
放置１ｈ后液面略有上升，铁丝表面有锈迹。几天后粗铁丝表面红色物质明显增多，液面不断在上升。５ｄ后试管内液面上升缓慢，７ｄ后试管内液面趋于稳定，无明显变化。用燃着木条测试剩余气体时火焰熄灭。
１．１．４实验数据
三次测得数据汇总于表１。
表１测定粗铁丝耗氯■实验数据ｌ温度２１℃Ｊ
实验次数第一次第二次第三次
ｖＩ／ｍＬ７８．４７８．４７８．４
Ｖ２／ｍＬ６３．４６３．６６３．２
【ＩｙＩ－ｙ２】／ＵＩｘ１００％
１９．１３１８．８８１９．３９
平均值／％
１９１３
１．１．５实验分析
本实验在恒温室内完成，实验时的温度为２ｌ℃。粗铁丝用砂纸打磨和用稀盐酸浸泡的目的在于除去表面的氧化膜和镀锌。粗铁丝与氧气的接触面积小，随着铁锈增多，内部的铁和氧气的接触面更小。铁生锈是一个缓慢氧化的过程，学生通过每天耐心观察，亲身体验其缓慢的反应速率。
燃着木条火焰熄灭，证明试管内剩余气体不支持燃烧，氧气的浓度极低。从表１数据可以看出三次实验测定粗铁丝生锈的平均耗氧量为１９．１３％，比较彻底。
图１测定粗铁丝生锈耗氧■的装置
１．２改进实验１．２．１实验用品
锥形瓶（１００ｍＬ）、带有导管的单孔橡皮塞、烧杯（１００ｍＬ）、量筒（１００ｍＬ、５００ｍＬ）、电子天平、研钵、
（４）放置数天，每天用记号标记好液面高度，直至液面不再变化。加水至记号处，测定试管内水的体积为
Ｋ。
・本文系江苏省教育科学。十二五”重点规划课题“中学化学实验教学中定■型实验的开发与利用研究”的阶段性成果（项目编号：Ｂ—ｂ／２０１３／０２／２９８）。
化学教学
万方数据
２０１４年第１１期・５９
【实验研究卜—————————————————————————————————————一
广●●——一、
・拓展探宪・
火柴、饱和的氯化钠溶液、分析纯还原铁粉（２００目）、活性炭粉、食品干燥剂纸袋、塑料片（２片）、红墨水
１．２．２实验步骤
（１）按图２连接好装置，并检查装置的气密性。
料片
图２测足铁粉（含炭粉）生锈时耗氯■的装置
（２）用电子天平称量１２．Ｏｇ铁粉和２．Ｏｇ活性炭，混合均匀后装入３个食品干燥剂纸袋中并封好口备用。
（３）量取一定体积（Ｖ）的红墨水倒人小烧杯里，将导管一端浸入液面以下ｏ
（４）在１００ｍＬ锥形瓶内放人＿拱形有孔塑料片，把３个纸袋浸在饱和食盐水中，浸透后取出沥干＇平铺在拱形有空塑料片上，迅速塞紧单孑Ｌ橡皮塞。
（５）５ｈ后烧杯内液面不再变化，取－Ｆｑｑ：Ｌ橡皮塞，用燃着的火柴伸入锥形瓶内，测试锥形瓶内剩余气体。
（６）测出小烧杯内剩余红墨水体积为Ｋ。将锥形瓶和导管内注满水，用５００ｍＬ量筒测量锥形瓶（含内容物）及导管内液体总体积为Ｋ。
（７）对实验装置干燥处理。重新称量铁粉（１２．０９）和活性炭（２．０９），再做２次对比实验。
１．２．３实验现象
连接好装置后观察到导管内即刻有红墨水上升，１０ｍｉｎ后烧杯内液体倒流至锥形瓶内，５ｈ后烧杯内液面稳定不变。取出导管，导管内的红墨水不流人小烧杯内。测试瓶内剩余气体能使燃着火柴熄灭。
１．２．４实验数据
三次测得数据汇总于表２。
表２测定铁粉（含炭粉）耗氯■实验数据（温度２１℃）
实验
ｖｌ／ｍＬＶ２／ｍＬ１１，／ｍＬ“Ｖｉ—Ｋ）／Ｖ３】Ｘ１００％
平均值／％
第一次
８０．Ｏ５４．６１２６２０．１６第二次８０．Ｏ５４．２１２７２０．３ｌ２０．１０
第三次
８０．Ｏ
５４．８
１２７
１９．８４
１．２．５实验分析
实验时的温度为２１℃。实验的几个改进的原因：（１）改用铁粉是因为增大了与氧气的接触面积，反应速率明显加快，时间短；（２）测定总体积Ｕ时炭粉会浮于液面上，影响Ｕ的测定，故将铁粉和炭粉装入食品干燥剂纸袋，测得Ｋ更准确；（３）采用活性炭可使铁粉疏松、透气；（４）纸袋浸透饱和食盐水后平铺在拱形有孔塑料板上既增加了反应物之间的接触面积，又能利
万方数据
用氯离子效应加快耗氧反应；（５）使用拱形有孔塑料片垫高可防止倒流的红墨水浸没纸袋，不利于反应；（６）烧杯上盖一有孔塑料片还可减少烧杯中水分的蒸发。
燃着火柴同样熄灭，从表２可以看出三次实验测定铁粉（含炭粉）生锈时的平均耗氧量为２０．１０％，比粗
铁丝更彻底。
改进实验的缺点是锥形瓶（含内容物）和导管总体
积的测量必须在实验结束后进行，因铁粉已经反应，纸袋的体积略微膨胀，导致总体积Ｋ比实际小。
两组半定量实验装置放于恒温室内让学生利用课
余时间观察、亲身体验。义务教育阶段化学课程中的科
学探究，是学生积极主动地获得化学知识、认识和解决化学问题的重要实践活动。通过科学探究可以为学生提供丰富、生动的学习情境，从而把现实问题作为学习的载体Ⅲ，以提高学生的化学知识和技能。
２数字化实验２．１实验用品
奇科威数字教学设备有限公司氧气传感器、数据采集器、计算机（安装ＥｘＰｌａｔｆｏｒｍ实验运行平台ｖ２．０一Ｄｅｆａｕｌｔ软件）、锥形瓶（２００ｍＬ）、电子天平、玻璃棒、橡皮塞（有１小孔）、小刀、饱和食盐水、分析纯还原铁粉（２００目）、活性炭粉
２．２实验原理
还原铁粉和活性炭粉混合物在饱和食盐水存在下＇因Ｃ１－有破坏金属氧化物和金属晶体结构的功能，有钻穿效应，更利于反应旺】。用氧气传感器测量锥形瓶内氧气浓度的变化，绘制出变化曲线，明显观察到氧气浓度在不断降低，从而可以看到铁生锈时耗氧量的变化。
２．３实验步骤
（１）按图３连接装置，检查气密性。
图３用传感器测定铁粉（含炭粉）生锈时耗氧■的装置
（２）用电子天平称量１２．０９铁粉和活性炭２．０９，在研钵内混合均匀待用。
（３）将棉花平铺在锥形瓶底部，饱和食盐水用玻璃棒引流到棉花上，确保棉花饱含食盐水。
（４）用ＵＳＢ数据线连接好氧气传感器、数据采集器及计算机。
（５）点击单机实验运行平台并打开实验测定氧气浓度模板。
化学教学
２０１４年第ｌｌ期
（６）用纸槽将铁粉和活性炭粉快速均匀平铺在棉花上，迅速把带有氧气传感器的单孔橡皮塞旋紧。并持续采点。绘制氧气浓度的变化曲线，见图４。
氧气浓度
晰，同时实验时间大大节省。教师可以保存好数据，课堂上只要点击单机运行平台上的“实验回放”键，学生马上可看到采集到的点慢慢绘制成图４曲线，展示了数字化实验可以回放的魅力。
３结语
铁生锈耗氧量的测定用常规实验仪器做半定量实验，简捷易操作。在定性实验基础上的量化，从定性初步向“模糊”定量过渡，具有普遍的教学价值和参考意义。引人数字化技术测定还原铁粉生锈时的耗氧量，相关数据立显、客观，ｌｍｉｎ内氧气浓度从２０．４４％开始明显下降，ｌＯｍｉｎ后降至１０％，５ｈ后变为１．４２％，数据变化明显，实验时间大大缩短。符合２０１１版课标在教学建议中强调教师“尤其要注重有效发挥现代信息技术的作用的”要求ｐ】，更好地扩大实验教学的内涵和外延。
参考文献：
【１】任宝华．新版课程标准解析与教学指导・初中化学【ＭＩ．北京：北京师范大学出版社，２０１１：１２８．
【２】２林美凤．铝与酸、碱反应的实验探索及理论研究Ｕ１．化学教育，２００１．（１２）：３５．
【３】３中华人民共和国教育部制定．义务教育化学课程标准【ｓ】．北京：北京师范大学出版社．２０１１：３７．
实验时间／ｓＩ×１０’）
图４铁粉（含炭粉）生锈时耗氯■的变化
２．４实验分析
实验时的温度是２１℃，实验成功的前提是气密性良好，故ＵＳＢ数据线和橡皮塞要涂凡士林。相对于半定量实验，使用氧气传感器进行数字化实验，可以观察到氧气浓度的实时变化。开始显示氧气的浓度２０．４４％，即时采集氧气浓度的实际数据，一个个点呈现在图形上，ｌｍｉｎ内快速下降，ｌＯｍｉｎ后降到１０％，大约５ｈ后变为１．４２％。实验用数字呈现铁粉生锈时耗氧量的真实情况，学生饶有兴致地看着变化的图形，直呼清
ｆ上接第５８页）
微生物繁殖速率，直至ｐＨ恒定。碳酸氢钠生成机理推测如下：
ＣＨ３ＣＯＯＮａ＋Ｈ２０；ＣＨ３ＣＯＯＨ＋ＮａＯＨ
ＺＡ
ＣＨ，ｃｏｏＨ竺咝骂ＣＨ４＋ＣＯ，
Ｃ０２＋ＮａＯＨ—ＮａＨＣ０３４结论
一些反应是在催化剂作用下进行的，还有一些反应依靠细菌作用完成。醋酸钠溶液之所以变质转化为
图１单一醋酸钠溶液存放ＤＨ变化
将蒸馏水烧煮消毒后配制溶液，长期放置，ｐＨ保持恒定不变，与醋酸钠溶液理论计算值相一致，未出现发霉变质情况。
通过两组对比实验不难发现，水质受污染和容器不洁所引起的细菌、微生物分解作用是醋酸钠溶液变质的第一诱发因素，这与文献【２１完全一致。产甲烷菌是地球上最古老的生命体，分布极为广泛，无处不在，它们不需要氧气即能呼吸。醋酸钠浓度较高（１ｍｏｌ／Ｌ）时，因水解形成一定量醋酸，醋酸成为产甲烷菌的底物。在厌氧条件下，产甲烷菌将醋酸分解为甲烷，同时生成二氧化碳，两个过程产生的氢氧化钠和二氧化碳理论计量关系值为１：１，在此条件下最后的变质产物应该是碳酸氢钠。碳酸氢钠作为产甲烷菌第二底物，进一步加大
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２０１４年第１１期
碳酸氢钠，是因为醋酸钠溶液水解呈碱性，相对稳定的弱碱环境有利于产甲烷菌繁育生长。水解产物醋酸、醋酸代谢产物二氧化碳及碳酸氢钠又为产甲烷菌生存提供食物保障。从教学角度分析有以下几点值得我们注意：第一，合理选择配制用水。由于溶剂用水在受污染的情况下有细菌存在，细菌会加速醋酸钠溶液的变质，因此所用蒸馏水要求绝对新鲜纯净。第二，若大量配制且长期保存，可先对蒸馏水进行煮沸消毒，待其冷却至室温后再配制和保存即可。
参考文献：
［１１刘志红．无机化学・缓冲溶液的配制与性质【Ｍ】西安：第四军医大学出版社，２０１１：１５６～１５７．
【２】胡宝成常见细茵的化学Ｕ】．化学教学，２００３，（４）：２６．
万方数据