讲给初中生：为什么铁钉包着碳粉与食盐水生锈更快

2022-07-24 09:15 作者:素樱罗的paper 0人读过 | 我要投稿

是的，我终于又来了。之前的时间笔者作为新高一学生参加了强化班选拔夏令营，今天考完试了（这篇文章写得较慢，所以发出来的时间晚了些）。

回到正题，初三化学学到第八单元的课题3后就经常遇到这种题。题目就告诉你这样做铁钉生锈会超级快，老师也由于课程进度不太可能给你讲其中的缘由。至少笔者上初三时老师就总说，这个到了高中会学的。那么如果你碰巧看到我的文章，那就让我来详细地讲讲，满足你的好奇。

好玩的是，今年清华大学招生宣传片《土豆少年》里面的土豆电池的基本原理，其实与这个问题的原理是一致的。

除了土豆电池，在物理书上我们也见过水果电池

在化学上，这些东西有一个共同的名字，叫原电池，是一种将化学能转化为电能的装置。我们来讲解一下原电池的工作原理。但在此之前，我们先了解两个概念：电解质与氧化还原反应。

电解质是溶于水溶液中或在熔融状态下自身能够导电的化合物，与之相对的是非电解质，非电解质是指在水溶液里和熔融状态下都不能导电的化合物。于是单质与混合物（如硫酸溶液）通通不能叫电解质，而二氧化碳溶于水后溶液导电，二氧化碳却不是电解质，因为二氧化碳与水反应生成碳酸，碳酸电离出氢离子、碳酸氢根离子与碳酸根离子，故电解质的是碳酸而非二氧化碳本身，二氧化硫、氨气之类同理。电解质可分为强电解质和弱电解质，水溶液中或熔融状态下几乎全部电离的是强电解质，只有少部分电离的是弱电解质。强酸（盐酸，硫酸，硝酸等）、强碱（氢氧化钠，氢氧化钾，氢氧化钙，氢氧化钡等）、大部分盐（硫酸钡啥的也算哦，只要溶进去的部分全部电离即可）与活泼金属氧化物是强电解质。弱酸、弱碱、水等是弱电解质。水会电离出一点氢离子和氢氧根离子。电解质的强弱与溶解性无关，与导电性没有必然联系。溶液导电性强弱取决于溶液中自由移动的离子浓度。

高中的氧化还原反应是指反应过程中有元素化合价升降的反应。元素的化合价升高，失电子，我们就说这个元素被氧化，发生氧化反应；同理，元素化合价降低，得电子，我们说该元素被还原，发生了还原反应。氧化还原反应并不要求所有元素的化合价都改变。化合价的升降是氧化还原反应的外在特征。氧化还原反应中有氧化剂、还原剂、氧化产物和还原产物。氧化剂氧化别人，自己被还原，还原剂同理。氧化产物是还原剂被氧化的产物，还原产物同理。

有了这些简单的知识铺垫，我们就能开始学习原电池了。

如图是一个经典的原电池。我们将锌片与铜片用导线和电流表串联，然后插入稀硫酸，会观察到锌片逐渐溶解，铜片上有气泡（氢气）生成，电流表指针偏转，这说明导线中产生了电流。锌的活动性比铜强，更容易失去电子，于是被氧化成锌离子进入溶液，而电子在锌片与铜片之间的电压作用下来到铜片上，由于异种电荷相互吸引，溶液中氢离子过来得电子，被还原变成氢气。同理，锌片附近由于有大量锌离子带正电吸来硫酸根离子。由我们的物理知识可得，锌片为负极，铜片为正极。

这就是原电池。原电池放电时，负极发生氧化反应，正极发生还原反应。其形成条件有：

1.电极材料由两种金属活泼性不同的金属或由金属与其他导电的材料（非金属或某些氧化物等，如碳棒）组成。

2.电解质存在。

3.形成闭合回路。

4.发生的反应是自发的氧化还原反应。

我们不妨再看几个原电池，写写它们的反应感受一下

对原电池我们不妨多说一些。上述原电池确实可用，但它效率不高，电流会很快衰减。虽然锌片周围有很多锌离子，但总会有氢离子过来直接与锌反应，锌直接失电子被氧化。这里二者直接接触转移电子，相当于短路，于是有一部分化学能变成了内能，原电池的效率就降低了。于是我们想到，能否将锌与稀硫酸分开呢？当然可以。

我们放了一个盐桥。盐桥中通常装有含KCl饱和溶液的琼胶。盐桥作为离子通道，氯离子流向硫酸锌溶液，钾离子流向稀硫酸，使得两部分成电中性，将两个半电池连接构成闭合回路。同时我们又成功地避免了锌片与氢离子直接接触，减少电流衰减，提高效率。电极反应式与总反应与第一个原电池是一样的。

我们知道，锌片插入稀硫酸后锌会被氧化成锌离子，而我们讲的第一个原电池中锌也被氧化成锌离子，二者的反应方程式写出来是一样的，那么哪个反应速率更快呢？答案是后者。一个在溶液里跑，一个在导线里跑，当然是在导线里跑的快了。

那么，说了那么多，这和今天的主题有什么联系呢？我已经说过，铁钉包着碳粉与食盐水生锈更快的原理就是原电池。金属的腐蚀分两种。一种叫化学腐蚀，指金属与干燥气体（氧气、氯气等）或非电解质液体（石油等）直接反应引起的腐蚀。这种较为少见，更常见的是电化学腐蚀。电化学腐蚀是指不纯的金属与电解质溶液接触发生原电池反应，较活泼的金属发生氧化反应被腐蚀。电化学腐蚀又分两种，分别是析氢腐蚀和吸氧腐蚀，后者最为常见。我们就以生铁为例。我们知道，生铁的主要成分是铁和碳。