微型氧濃差電池的制作與分析

摘要：為了說明鐵的吸氧腐蝕是電化學(xué)腐蝕的本質(zhì)，設(shè)計(jì)6孔井穴板作電解池，用塑料滴管鼓氣增氧的濃差電池。借助高靈敏度的數(shù)字傳感裝置，捕捉到相鄰井穴中由于溶解氧不同而產(chǎn)生的微小電流。通過對電流影響因素的討論，展示了一則適合拓展研習(xí)的數(shù)字化微型實(shí)驗(yàn)案例。

關(guān)鍵詞：濃差電池；微型實(shí)驗(yàn)；數(shù)字技術(shù)

文章編號：1005–6629（2013）12–0051–02 中圖分類號：G633.8 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B

常見的吸氧腐蝕實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示，通過水的倒吸說明反應(yīng)消耗了氧氣。該實(shí)驗(yàn)不能說明鐵在水溶液中的腐蝕是在氧氣參與下的電化學(xué)過程。為說明上述問題而設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)不多，且因?yàn)檩敵鲭娏魈《枰獎佑脧?fù)雜的增氧設(shè)備[1]。微電流傳感器與靈敏電流計(jì)相比較，能夠連續(xù)捕捉微小電流的變化過程[2]，利用圖2裝置制作的微型氧濃差電池適宜對電極、電解質(zhì)溶液、鹽橋等操作變量進(jìn)行深入探討。

1 實(shí)驗(yàn)原理

鐵的吸氧腐蝕是在溶解氧參與下的電化學(xué)腐蝕過程。 O

2 實(shí)驗(yàn)裝置

使用的微型實(shí)驗(yàn)儀器有：塑料滴管和6孔井穴板。數(shù)字實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)由傳感器、數(shù)據(jù)采集器、計(jì)算機(jī)等硬件設(shè)施和數(shù)據(jù)處理軟件構(gòu)成。如圖3所示，微電流傳感器捕捉到原電池兩極的電勢差，以電信號的形式傳輸給數(shù)據(jù)采集器。經(jīng)過數(shù)據(jù)采集器的分析和轉(zhuǎn)化，成為數(shù)字信號，傳輸給計(jì)算機(jī)，最終以曲線的形式呈現(xiàn)實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

3 實(shí)驗(yàn)步驟

（1）電極的預(yù)處理。除掉市售鍍鋅鐵片表面鋅鍍層的方法是：將鐵片放入4 mol/L硫酸溶液中，反應(yīng)至氣泡生成速率明顯減小。取出鐵片，用清水沖洗干凈，剪成20×8 mm的條狀，分別放入相鄰的兩個井穴中，分別標(biāo)記為井穴1和井穴2。

（2）向井穴1和井穴2中各注入3 mL飽和食鹽水。用飽和KCl潤濕的海綿作為鹽橋，連接兩穴。

（3）將1號井穴中的鐵片與微電流傳感器的正電極相連，2號井穴中的鐵片與微電流傳感器的負(fù)極相連。

（4）微電流傳感器的量程在-1～+1μA之間，而此原電池的輸出電流大于3μA，為了使電流變化幅度落在量程之內(nèi)，需要在電極上并接一個20Ω的電阻（圖4）。

（5）連接數(shù)據(jù)采集器和電腦，靜置片刻，等待電流穩(wěn)定。點(diǎn)擊調(diào)零按鈕，電流歸零。

（6）如圖4、圖5所示，用塑料滴管向井穴1鼓氣，增氧。電流數(shù)值的波峰向上；停止鼓氣，鐵電極消耗了溶解氧，電流減小。若向2號井穴鼓氣，電流迅速減小，直至波峰向下。說明吸氧腐蝕的程度與電解質(zhì)溶液中的溶解氧濃度有關(guān)。

4 實(shí)驗(yàn)變量

4.1 電極

實(shí)驗(yàn)需要將鐵片上的鍍鋅層去除干凈，否則，如圖6所示，得到的電流比較小。電極的形狀不影響電流的極值；但是鐵絲狀的電極能夠吸附更多的氧氣，電流衰減的速度較慢（圖7、圖8）。

4.2 電解質(zhì)溶液的體積

如圖9、圖10所示，向井穴中注入更多的電解質(zhì)溶液，能夠增大其與電極接觸的面積，同時(shí)讓電解質(zhì)溶液在鼓氣的操作中吸收更多的溶解氧，減緩電流的衰減速度。

4.3 鹽橋

微型實(shí)驗(yàn)通常使用浸透了飽和氯化鉀的海綿或者濾紙作為鹽橋，連接兩個半電池。如圖11、圖12所示，海綿鹽橋吸收的氯化鉀溶液較多，電池內(nèi)阻更小，輸出電流更大。

綜上所述，本實(shí)驗(yàn)采用鐵片做電極，3 mL飽和食鹽水作為電解質(zhì)溶液，潤濕的海綿作為鹽橋，配合使用20Ω并聯(lián)電阻，能夠達(dá)到較好的實(shí)驗(yàn)效果。

5 實(shí)驗(yàn)意義

本實(shí)驗(yàn)結(jié)合了數(shù)字實(shí)驗(yàn)和微型實(shí)驗(yàn)，具有高靈敏度、試劑用量少、操作簡便的優(yōu)勢。實(shí)時(shí)采集并處理吸氧腐蝕過程中電流的微小變化，取得了常規(guī)實(shí)驗(yàn)難以獲得的良好效果。數(shù)據(jù)采集器配有電導(dǎo)、溫度、色度和特定離子濃度等諸多傳感器，展示了微型實(shí)驗(yàn)與數(shù)字技術(shù)相結(jié)合的廣闊前景，值得引起重視。

參考文獻(xiàn)：

[1]朱石明，陳凱.鋼鐵吸氧腐蝕演示實(shí)驗(yàn)的創(chuàng)新設(shè)計(jì)[J].教學(xué)儀器與實(shí)驗(yàn)，2011，（5）：14～16.

[2]趙琦.微型電化學(xué)數(shù)字實(shí)驗(yàn)兩則[J].教學(xué)儀器與實(shí)驗(yàn)，2013，（2）：31.