浙江省 杭州市第二中学（310053）杨小群 史宗翔
德清县高级中学（313200）陆燕海
1问题的提出
电镀是应用电解原理在某些金属或非金属材料表面镀上一层其他金属或合金的过程，其目的主要是增强材料的抗腐蚀能力，增加表面硬度和美观性等，因此电镀所用的镀层金属通常是一些在空气中或溶液里不易被腐蚀的金属或合金，如：镍、铬、铜、银等。
在中学化学教学时，开设电镀实验不但可以使学生更好地理解电解的基本原理，对于激发学生学习化学的兴趣也有积极的作用。为此，苏教版《化学反应原理（选修）》教材P21的“观察与思考”栏目具体介绍了电镀银的原理与实验，在苏教版《实验化学（选修）》教材P68“电解与电镀”课题中也安排有铁钉镀锌实验。但在实际教学中，很多学生和教师都有这样的疑问，生活中最常见的金属铁的活动性恰好处于银锌两金属之间，是否能实现电镀铁实验呢？笔者为此进行了实证研究。
2实证研究
2.1惰性电极电解（亚）铁盐的溶液能析出单质铁
为探究水溶液条件下能否析出铁单质，分别选择FeCl2溶液、FeSO4溶液、FeCl3溶液及Fe2（SO4）3溶液等4种常见（亚）铁盐溶液为电解液，用惰性的石墨电极按如图1所示的装置进行实验。具体操作步骤如下。
（1）选择PVC投影用电解器，按如图1所示组装实验装置并用铁夹固定装置。
（2）从注液口倒入适量含（亚）铁盐的电解液，挤压玻璃球a、b使之充满阳极区和阴极区。
（3）往注液口插一水银温度计，使电解液的温度在实验过程中始终保持在25～30 ℃之间。
（4）接通学生电源，用10 V的直流电压电解，观察实验现象。
实验时的室温为25.2 ℃，具体实验结果见表1。
电解FeCl2溶液时，阴极上主要发生Fe2++2e-=Fe，在阳极附近2Cl--2e-=Cl2↑，氯气的产生与溶解会使得阳极区内电解液的pH值下降，并因氧化Fe2+成Fe3+导致电解液颜色加深。在电场作用下，生成的Fe3+继续向阴极区域扩散，由于迁移过程中溶液碱性逐渐增强，并最终在两极区中间靠阳极区附近一侧最先产生红褐色沉淀。而电解FeSO4溶液时阳极产生的氧气水溶性相对较差，电解开始时就能看到电极上产生大量气泡，但因氧化Fe2+不充分，生成的Fe3+较少而棕褐色沉淀也就不多。
电解FeCl3和Fe2（SO4）3溶液时，由于溶液酸性较亚铁盐溶液强，在阴极附近氢气产生量较多；在H+还原为H2的同时，部分Fe3+也会得电子还原为Fe2+，电解液颜色变浅，Fe2+继续还原最终析出单质铁。与电解亚铁盐溶液相比，电解铁盐溶液时单质铁的析出速率要慢很多，相同时间内单质铁的析出量也少了很多。
笔者也曾将电解池的阴极材料换为光亮的铜棒重复上述实验，均能看到铜棒表面有不同程度变黑的现象。综上可见，无论是电解亚铁盐FeCl2、FeSO4的溶液，还是电解铁盐FeCl3、Fe2（SO4）3的溶液，在阴极上都能析出一定量的单质铁，但相比之下电解亚铁盐时析出铁的速度更快，量也要多得多。
在实验中还可以发现，当以亚铁盐溶液为电解液，将阳极换为铁棒、阴极换为镀件进行电镀铁实验，镀件上析出的单质铁总是呈多孔的疏松状，很难出现致密、均匀、有金属光泽的“铁镀层”。为获得理想的电镀效果，有必要对电镀铁实验的条件进行优化探索。
2.2对获得理想镀铁层实验条件的探索
中学化学中在电镀实验时阴极常用的是铁质镀件或铜质镀件，如苏教版《实验化学》（选修）教材“电解和电镀”课题中安排的镀锌实验就选用了铁钉。但相比之下，以铜片作为镀件时，紫红色的铜片镀上一层锌（或铁），前后颜色变化明显，十分符合中学化学演示实验的基本要求，所以选择铜片作为电镀实验的镀件比较合适。因此，以铜片镀铁为研究对象，对其实验影响因素展开研究。
2.2.1实验影响因素的分析与选择
有研究表明，影响电镀实验效果的因素主要包括电镀液配方与浓度、实验温度、溶液pH值、电镀时间、电解电压、极板情况（板极形状、板极间距、浸入溶液面积）等。
电镀时需用低碳钢作阳极以补充电镀过程中电镀液中Fe2+的消耗，而电镀液中增大Cl-的浓度不但能有效促进阳极的溶解，还可以增加溶液电导率，并能与Fe2+形成［FeCl4］2-等铁（II）氯弱配离子。因此，选择氯化亚铁和氯化钾作为本实验电镀液的主盐，并通过控制KCl浓度恒定的前提下改变氯化亚铁浓度的方式来研究电镀液浓度及配比对电镀的影响。由于FeCl2电镀液本身稳定性较差，电镀液与空气接触时Fe2+容易氧化成Fe3+，而有研究表明；Fe3+过多会使镀层脆性增大，结合力降低。因此，在电镀液中加入一定质量的抗坏血酸和氟化钠，减少Fe2+氧化成Fe3+的同时，F-与Fe3+配位形成配位离子以掩蔽存在的Fe3+，反应式为Fe3++6F-=［FeF6］3-。
从简约性原则和实验条件出发，将实验温度控制为固定值，选择在室温下进行实验。而极板形状、间距、浸入溶液面积等与外接电压实际上都是影响电流密度的主要因素，它们之间相互影响，故只需选取其中一个因素进行研究。本实验选择平整、洁净的极板，在固定极板形状大小、间距和浸入溶液面积的前提下，对外接电压进行研究。
此外，还需要说明的是，电镀时间太短则镀层太薄，时间太长则容易出现黑边，但因不同浓度、不同配比电镀液所耗电镀时间不同，所以本实验中电镀时间只是作为一项评价指标，而不再作为研究因素。
综上所述，最后确定了氯化亚铁浓度、溶液pH值、外接电压等3方面作为本实验影响因素的探究，其余影响因素进行统一控制。
2.2.2影响因素的探索与优化
本实验探究按如图2所示装置进行操作，实验时室温为26.1 ℃。
选择尺寸为6 cm×2 cm的铜片和低碳钢片分别作为阴阳两极，并控制浸入溶液面积为4 cm×2 cm，极板间距为4 cm。在配制电镀液时，添加适量抗坏血酸（Vc）和氟化钠分别作Fe2+的抗氧化剂、Fe3+的掩蔽剂（实验表明，一般Vc浓度为10 g/L、NaF浓度为6 g/L较适宜）。此外，为减少实验过程中阳极低碳钢片形成的不溶性杂质（如碳粒等）对镀液的影响，可在其表面用医用纱布包裹2～3层，这样可起到较好的过滤效果。
实验时先对阴极板去油污和氧化物处理，并用
清水、蒸馏水冲洗后迅速放入电镀液中，然后再从氯化亚铁浓度、溶液pH值、外接电压等3方面进行最佳条件的探索，其中电镀液的pH值可通过加入适量硼酸和氨基磺酸调节。运用正交设计法来设计该实验的方案，并根据探索性实验初步确定因素、水平的选取见表2。
本实验方案为3因素3水平的活动水平实验，采用正交表安排实验，其方案和实验结果见表3。说明：综合电镀后镀层铁的“外观”及电镀实验所需“时间”两方面对实验结果综合评分。其中镀层“外观”权重80%，总分为100分，若铁镀层越光亮、均匀、致密，该项评分就越高；“时间”项权重20%，总分为100分，若电镀过程所需时间越短，该项评分就越高，基于课堂实验教学的实际要求，一般只要能在2 min内完成即可给满分。
从表3实验结果可以看出，电镀铁实验中影响因素的主次顺序依次为：FeCl2浓度、外接电压、溶液pH值。其中电镀实验效果较好的水平组应为：FeCl2浓度为400 g/L，外接电压6 V，溶液pH值为3，即：A2 B3 C2。
收稿日期：2014-05-13