探究铁和铝在浓硫酸和浓硝酸中的电化学行为
摘要铁和铝在冷的浓硫酸和浓硝酸中都因被钝化而阻止其进一步被腐蚀，通过用Fe、Al做原电池的电极材料，考察其在浓硫酸、浓硝酸中的钝化情况：Fe、Al的钝化快慢、钝化后金属表面氧化膜的致密程度、酸液温度等对钝化的影响等均有所不同。

关键词钝化原电池氧化膜浓硫酸浓硝酸
在很多化学教材里讲到金属铁和铝的性质时，都要提到Fe、Al的钝化。

在冷的浓硫酸或冷的浓硝酸中Fe、Al因发生钝化，表面形成一层致密的氧化物保
护膜而使反应不能继续进行，那么，将Fe-Al-浓H 2SO 4（或浓硝酸）组成
原电池后有无电流、能否钝化？Fe、Al的钝化对酸液温度要求多“冷”？本文探究Fe、Al两种金属在浓硫酸及浓硝酸溶液中的电化学活性。

1 实验器材和药品
98%浓硫酸，稀硫酸，65%浓硝酸，表面打光的铁片、铝片、铜片，J2618-Ⅰ型检流计及有机玻璃缸（江苏扬大制造），温度计，冰盐浴等。

2 实验探究
按如图1所示连接好原电池，实验开始时先用Cu-Zn-稀H 2SO 4（或Fe-Al-稀H 2SO 4)组成的原电池来确定检流计指针的偏转与金属活泼性之间
的关系。

原电池A极接Cu（或Fe），B极接Zn（或Al），将约70 mL稀硫酸加入有机玻璃缸内，接通电路，观察检流计指针偏转方向，实验结果如表1所示的实验1和2。

图1 原电池装置
按照类似操作，进行实验3~9的探究，实验结果如表1所示。

在探究实验6~9时，需将有机玻璃缸置于冰盐浴中来控制浓硝酸的温度。

并记录检流计指针偏转方向及两极处的变化。

3 结果与讨论
由实验1可知，Cu-Zn-稀硫酸组成的原电池中，铜电极（A极）为正极，Zn 电极（B极）为负极，此时检流计指针偏向左。

故在以下的实验中若检流计指针
偏向左，则说明B极的金属在该电解质溶液中较A极的金属活泼。

实验2的结果同实验1，说明Fe、Al在稀硫酸中，Al较活泼，做负极，被
氧化。

但Fe、Al和不同温度的浓H 2SO 4组成的原电池因金属钝化使腐蚀过
程有所不同，如实验3结果：检流计指针逐渐偏向左边至一定的刻度后又慢慢向右恢复至零刻度，插入浓硫酸中的部分铁片、铝片表面均覆盖了一层物质（铁片
上的为灰黑色，铝片上的为白色）。

由此可知，在30℃下，Fe-Al-浓H 2SO 4
组成的原电池中，Fe、Al均可被钝化，但在钝化过程中Al更活泼，Al电极充当原电池的负极，随着反应的进行，Al、Fe表面逐渐被氧化膜覆盖，电路中电流逐渐减弱直至为零。

当浓硫酸温度升高至40℃时，检流计指针先向右偏至一定刻度后渐渐向左恢复至零，再逐渐偏向“0”刻度左侧一定刻度，再渐向右恢复至零，插入浓硫酸部分金属表面均覆盖了一层氧化膜，如实验4。

浓硫酸温度继续升高至50℃时，金属与浓硫酸的反应活性明显增强，检流计指针的偏转情况与实验4相似，在金属与浓硫酸接触之初，检流计指针偏转程度较大，说明此时电路中电流强度较大，这可能是铁的钝化速度较铝慢，Al表面的氧化层比Fe表面的氧化层更厚，更致密，Fe与浓硫酸接触更充分的原因；最后到达“0”刻度要花更长的时间，且在两极金属插入浓硫酸初期，两极处均出现少量气泡，说明该温度下Fe、Al与浓硫酸已表现出较强反应活性，结果如实验5。

通过比较实验6~9发现，Fe、Al在浓硝酸中能否钝化受温度影响更大，在硝酸温度高于10℃时，Fe与浓硝酸剧烈反应而不能钝化，但在30℃下，Al表面仍能生成一层致密的氧化膜而阻止铝与硝酸的反应，如实验6。

随着硝酸温度降低，Fe与硝酸的反应活性减弱，Fe、Al表面均生成一层氧化膜，但也可能是铁的钝化速度较铝慢，所以在当Fe、Al与浓硝酸接触瞬间，Al表面的氧化层比Fe 表面的氧化层更厚、更致密，Fe与浓硝酸接触更充分，Fe腐蚀得更快。

所以出现实验7中的结果：瞬间指针偏向“0”刻度右侧，但随后Fe表面的氧化膜变得更厚、更致密，指针随之又偏转至“0”刻度左侧，随着两极金属表面氧化膜厚度增加，电路中电流逐渐减小，直至为零，出现类似实验5的结果。

当浓硝酸温度降低至5℃以下（如实验8、9），两极金属与硝酸反应活性进一步减弱，更有利于氧化膜的生长，两极氧化膜的形成使两极电位差进一步减小，所以0℃时，检流计指针未能达到左侧最大刻度。

另外，将实验9中已钝化的Fe和Al片取下，在分别投入30℃的浓硝酸中，结果Fe片剧烈反应，产生红棕色气体，而Al片仍处于钝态，无明显变化。

这可能与Al表面的氧化膜较Fe表面的氧化膜致密有关。

综上所述，在浓硫酸、浓硝酸中Fe、Al均能被钝化，但Al表现的更活泼；在相同环境下，Fe钝化较Al慢；酸液温度对Fe、Al在2种强氧化性酸中能否钝化影响较大，在浓硫酸中钝化时的温度范围较宽，在40℃以下均可钝化，而在浓硝酸中，0℃左右Fe才能得到较好的钝化层；Al表面的氧化膜较Fe表面的氧化膜致密，对浓硝酸或浓硫酸的腐蚀有更强的保护作用，这可能是工业更多用
铝罐储存浓硝酸而用铁罐储存浓硫酸的原因。

参考文献
[1] 北京师大无机化学教研室.无机化学（下册）.第4版，北京：高等教育出版社，2003：768-778
[2] 杨辉,卢文庆.应用电化学.北京：科学出版社，2001：246-262
[3] 杨文治.电化学基础.北京:北京大学出版社，1982：249-256
注：本文中所涉及到的图表、注解、公式等内容请以PDF格式阅读原文。