探究生锈的条件

探究生锈的条件，是中五氧化还原平衡一章里最为人熟悉的公平检验实验，也是很有力的试卷三例子，因为它的设计本身就替你论证了。通过从一支管去掉水、从另一支管去掉氧气，它证明两者都不可少，并把生锈框定为一个氧化还原反应，铁的氧化。

请按方法操作，再用试卷三部分来陈述变量与防锈的推理。

目的

探究铁生锈所需的条件，并显示水与氧气两者都必须存在，锈才会形成。

仪器与材料

• 四支带塞的试管与试管架
• 四枚大小相同的干净铁钉
• 煮沸过的蒸馏水（以除去溶解的空气）与食用油
• 无水氯化钙（干燥剂）
• 砂纸
• 用于防锈延伸实验：含六氰合铁(III)酸钾与酚酞的热琼脂溶液，以及分别缠上镁、锌、铜、锡的铁钉
• 安全护目镜

步骤

1. 用砂纸清洁铁钉，除去油脂与任何已有的锈。
2. A 管：把一枚铁钉放入盛自来水的试管，使它半浸，让管口对空气敞开（有水、有氧气）。
3. B 管：把一枚铁钉放入盛满煮沸蒸馏水的试管，上面加一层食用油以隔绝空气，并塞好（有水、除去氧气）。
4. C 管：把一枚铁钉放入盛无水氯化钙的干燥试管中，并塞好（有氧气、除去水）。
5. 把所有试管静置在试管架上数天，不要搅动。
6. 观察每枚铁钉，记录哪些出现锈。
7. 延伸实验：把缠有不同金属的铁钉放入热琼脂溶液，待其凝固，观察一段时间后出现的颜色。

预期观察

• A 管（有水、有氧气）：铁钉生锈，表面形成棕色沉积物。
• B 管（有水、无氧气）：铁钉不生锈。
• C 管（干燥空气、无水）：铁钉不生锈。
• 在琼脂延伸实验中，铁生锈之处周围出现蓝色，氧气被还原之处出现粉红色；缠镁或锌的铁几乎不显蓝色，缠铜或锡的铁则显得更多。

请描述哪些铁钉生锈及出现的颜色；不要编造锈的质量或速率。

推断与结论

铁只在同时有水与氧气的那支管里生锈，所以两个条件都不可少。去掉其中之一，煮沸并封油那支管里的氧气，或加干燥剂那支管里的水，都能阻止生锈。

生锈是铁的氧化：铁原子失去电子形成铁(II)离子，随后在水与氧气存在下进一步被氧化成含水氧化铁(III)，即棕色的锈。氧气被还原。

在琼脂延伸实验中，蓝色显示铁(II)离子形成之处（氧化），粉红色显示氢氧根离子形成之处（氧气的还原）。接触的较具电正性金属，如镁或锌，会代替铁失去电子从而保护铁，这就是牺牲性保护；较不具电正性的金属，如铜或锡，则加快铁的生锈。

科学过程技能（试卷三风格）

• 假设。 「铁只有在水与氧气两者都存在时才生锈。」要陈述条件与生锈之间一个可检验的关系。
• 变量。 操纵变量是被去除的条件（水或氧气）；反应变量是铁钉是否生锈；固定变量是铁钉的大小与种类、温度与静置的时间长度。
• 公平检验。 每支管相对 A 管只改变一个条件，所以生锈上的任何差异都能归到那单一条件上。
• 作出推断。 从煮沸封油那支管里没有锈，推断生锈需要氧气。
• 操作性定义。 「生锈是铁在水与氧气存在下被氧化，这里由只有两者都具备时才形成棕色沉积物所显示。」延伸部分：「若与某金属相连的铁不生锈、而该金属反被腐蚀，则该金属提供牺牲性保护。」

安全须知

• 佩戴安全护目镜，因为无水氯化钙具刺激性，六氰合铁(III)酸钾溶液入眼有害。
• 小心处理铁钉，因为钉尖锋利。
• 延伸实验中小心处理热琼脂溶液，因为它可能烫伤。
• 处理化学品后要洗手，并按指示处置溶液。

常见错误

• 没有把 C 管塞好，使空气中的湿气进入、铁钉生锈，破坏了「无水」的条件。
• B 管里水煮沸不够、或油层留有缝隙，使溶解的氧气残留、铁钉生锈。
• 使用大小不同或已带锈的铁钉，使比较不公平。
• 太早结束实验，A 管里的锈还来不及出现。
• 在琼脂延伸实验中弄混蓝色与粉红色，错标哪种显示氧化。

我们如何协助

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因为生锈的条件与防锈在 SPM化学 的实验与结构题里都会出现，弄懂这里的设计，能帮你用同一套推理去答试卷二的理论与试卷三的实验。