打破锈!

项目难度

容易

成本

海报板和钢棉垫$7

大概完成这个项目的时间

两个星期

项目目标

目标是让所有学生了解生锈是如何发生的，以及如何预防生锈。

材料及设备

• 一盒钢棉垫。虽然不含肥皂的那种更可取，但有肥皂的那种也同样有效。
• 盐
• 水
• 醋
• 至少有以下两到三种:透明指甲油、汽车蜡喷雾、家具上光剂、聚氨酯漆和植物油。
• 四个碟子或小碗

简介

除了西南部，锈病几乎在全国各地都是一个问题。它是导致桥梁倒塌的原因(例如1967年西弗吉尼亚州的银桥倒塌，造成46名司机死亡)，汽车过早老化，消防通道失灵。即使是你的自行车也不能幸免于这个问题，因为挡泥板经常生锈，特别是当水在这个区域光滑时。

既然生锈是这样一个问题，很自然地需要一个解释。铁氧化时生锈。当铁(及其合金如钢)暴露在高水蒸气含量的水或空气中时，就会发生这种氧化。铁暴露在盐水中会更快地生锈，这就是为什么在雪路上撒盐对汽车来说很难。同样，咸水上的桥梁(如金门大桥)也需要定期维护。这是由污染引起的酸雨如此有害的原因之一。

在这些实验中，学生们使用钢木垫来探索生锈是如何发生的。他们将有机会开发自己的防锈措施，使用透明指甲油、汽车蜡喷雾、植物油和其他涂层。背景信息

当一个元素(在这个例子中是铁)失去一个电子时，就会发生氧化。水和氧气都是氧化所必需的——这就是为什么干燥的西南地区的汽车与多雨的佛罗里达相比几乎没有生锈。在新英格兰，我们看到更多锈迹斑斑的汽车，因为那里的道路经常结冰。这是因为当水呈微酸性时，氧化发生得更快。

铁可以用各种各样的防水涂层防锈。在这些实验中，学生们可以尝试各种防水物质，这些物质可以促使水“凝结”，从而最大限度地减少与水的接触。

高中和高年级的中学生可能对学习氧化化学感兴趣。

氧化化学

当一个元素失去一个电子时，就发生了氧化。我们说，当元素失去电子时，它的氧化态增加了。氧化是生锈过程的第一步:

铁吗?fe2++ 2e -

这里，2e -代表两个从铁中解放出来的电子，留下一个带电的铁自由基。在水的存在下，带电自由基与氧的反应如下:

4 fe2++ O2 ?4 fe3++ 2 O2-

注:在上述反应中，铁的氧化态由Fe2+增加到Fe3+。由于Fe2+和Fe3+都具有固有的不稳定性，它们会试图吐出氢离子，如下所示:

水吗?Fe(OH)2 + 2h +Fe3+ 3h2o ?Fe(OH)3 + 3h +

由此产生的Fe(OH)2和Fe(OH)3会以水的形式流失(这被称为脱水反应)，从而产生氧化铁(Fe2O3)——我们称之为锈。

开始背景研究的术语、概念和问题

• 氧化
• 铁的氧化物
• 电子转移
• 酸
• 生锈

实验的程序

实验# 1

1. 用大约2/3杯普通水浸湿钢棉垫，并将其放入第一个碟子中。
2. 用大约2/3杯盐水浸湿钢棉垫，并将其放入第二个碟子中。
3. 将1/3杯醋和1/3杯水混合，制成弱酸性溶液。用所有这些溶液浸湿一个钢棉垫，把它放在第三个碟子里。
4. 在第四个碟子中留下一个未充气的钢棉垫。这是你的控制。
5. 在12小时、24小时、36小时、48小时、72小时和96小时检查钢棉垫。哪个衬垫生锈最快?第二快?第三快?给生锈的垫子拍照，并写下你的结果。

实验2号

1. 对钢棉垫进行“预处理”，可以在上面涂上以下任何一种:透明指甲油、汽车蜡喷雾、植物油、聚氨酯漆和家具上光剂。你不必使用所有这些物质，但尽量选择至少两种。你认为哪种防锈效果最好?
2. 用水浸湿预处理过的钢木垫(就像你在实验#1中所做的那样)，然后把它们放在碟子上。在12小时、24小时、36小时、48小时、72小时和96小时回来观察钢棉垫。哪种预处理效果最好?为什么?

参考书目

1. 维基百科”生锈＂
2. 《工作原理》锈病是如何起作用的?＂