利用數(shù)字化實(shí)驗(yàn)探究氯離子對(duì)金屬腐蝕速率的影響

張勇+鄧偉+王文玉

摘要：氯離子對(duì)很多化學(xué)反應(yīng)的反應(yīng)速率產(chǎn)生影響，對(duì)金屬腐蝕的影響更為明顯。利用溫度傳感器、電流傳感器、電勢(shì)傳感器和壓力傳感器測(cè)定氯離子對(duì)金屬腐蝕的影響，通過對(duì)比實(shí)驗(yàn)，用實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)說(shuō)明氯離子能加快金屬腐蝕速率的廣泛性。氯離子對(duì)金屬的腐蝕一是破壞金屬物質(zhì)表面的氧化膜等，二是與金屬離子形成配合物促進(jìn)金屬溶解。氯離子對(duì)原電池電流和電勢(shì)的影響，證明金屬腐蝕以形成原電池的電化學(xué)腐蝕為主。

關(guān)鍵詞：數(shù)字化實(shí)驗(yàn)；金屬腐蝕；化學(xué)反應(yīng)速率；氯離子

文章編號(hào)：1005–6629（2017）12–0065–03 中圖分類號(hào)：G633.8 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

1 問題的提出

眾所周知，在控制變量條件下，鋅與相同pH的鹽酸和硫酸反應(yīng)，化學(xué)反應(yīng)速率不同。鋅與鹽酸反應(yīng)的化學(xué)反應(yīng)速率明顯大于鋅與硫酸反應(yīng)的化學(xué)反應(yīng)速率，中學(xué)教師對(duì)其解釋為Cl-對(duì)金屬腐蝕反應(yīng)速率有促進(jìn)作用。

這一現(xiàn)象是個(gè)案還是具有普遍性，Cl-對(duì)金屬的腐蝕速率有何影響，我們?cè)O(shè)計(jì)如下幾個(gè)數(shù)字化實(shí)驗(yàn)，以期得到理想的結(jié)果。

2 實(shí)驗(yàn)儀器和藥品

2.1 實(shí)驗(yàn)儀器

溫度傳感器（Vernier，型號(hào)：TMP-BTA；范圍：-25～125℃）、電流傳感器（Vernier，型號(hào)：DCP-BTA；范圍：±0.6A）、電勢(shì)傳感器（Vernier，型號(hào)：DVP-BTA；范圍：±6.0V）、壓力傳感器（Vernier，型號(hào)：GPS-BTA；范圍：0到210kPa）、威尼爾數(shù)據(jù)采集器（Vernier Logger Pro 3）、計(jì)算機(jī)、電池槽、小燒杯、磁力加熱攪拌器、20mL量筒、漏斗、小試劑瓶、藥匙等

2.2 實(shí)驗(yàn)藥品

銅片、鋅片、鋁片、鎂條、鐵粉、NaCl固體、0.1mol/L CuSO4溶液、0.1mol/L Fe2（SO4）3溶液、蒸餾水等

3 實(shí)驗(yàn)操作步驟

3.1 探究CI-對(duì)Mg和CuSO4溶液反應(yīng)的影響

（1）取20mL 0.1mol/L CuSO4溶液于A、B兩個(gè)相同的100mL小燒杯中，在B燒杯中加入5g NaCl固體使其溶解。

（2）將溫度傳感器、數(shù)據(jù)采集器、計(jì)算機(jī)連接好，并將溫度傳感器插入A燒杯中，測(cè)Mg與CuSO4溶液反應(yīng)時(shí)溫度的變化。

（3）打開計(jì)算機(jī)上的Logger Pro 3數(shù)據(jù)采集軟件，顯示如圖1所示的時(shí)間——溫度坐標(biāo)圖像。點(diǎn)擊“采集”按鈕進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，同時(shí)向CuSO4溶液中加入適量鎂條，繼續(xù)采集數(shù)據(jù)一段時(shí)間，點(diǎn)擊“停止”按鈕，實(shí)驗(yàn)圖像見圖1曲線1。

（4）將溫度傳感器洗滌干凈后插入B燒杯中，向燒杯中加入等量的鎂條，點(diǎn)擊“采集”按鈕進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，此時(shí)選擇“保存最新實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)”按鈕，采集數(shù)據(jù)一段時(shí)間，點(diǎn)擊“停止”按鈕，保存數(shù)據(jù)。實(shí)驗(yàn)圖像見圖1曲線2。

3.2 探究Cl-對(duì)Cu-Zn原電池反應(yīng)的影響

（1）按圖2連接好實(shí)驗(yàn)裝置，連接計(jì)算機(jī)、數(shù)據(jù)采集器、電流傳感器，打開計(jì)算機(jī)，進(jìn)入Logger Pro 3數(shù)據(jù)采集軟件系統(tǒng)。

（2）向電池槽內(nèi)加入適量0.1mol/L CuSO4溶液，放入磁子，開啟磁力攪拌器，將銅片和鋅片置入電池槽內(nèi)，保持一定的距離并靜止不動(dòng)。

（3）點(diǎn)擊“采集”按鈕進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，約30s后，通過漏斗向電池槽內(nèi)勻速加入少量NaCl固體，繼續(xù)采集數(shù)據(jù)一段時(shí)間，點(diǎn)擊“停止”按鈕停止數(shù)據(jù)采集，保存數(shù)據(jù)。圖像如圖3所示。

（4）如圖2連接好實(shí)驗(yàn)裝置，只是把電流傳感器換成電勢(shì)傳感器，打開計(jì)算機(jī)Logger Pro 3數(shù)據(jù)采集軟件系統(tǒng)。

（5）操作同上述步驟3.2（3）和3.2（4）。記錄單液Cu-Zn原電池電勢(shì)在加入固體NaCl前后電勢(shì)的變化。圖像如圖4所示。

3.3 探究Cl-對(duì)Fe與Fe2（SO4）3溶液反應(yīng)的影響。

（1）將壓力傳感器、數(shù)據(jù)采集器、計(jì)算機(jī)連接好，打開Logger Pro 3數(shù)據(jù)采集軟件系統(tǒng)。

（2）取A、B兩個(gè)相同小試劑瓶中，各加入等量鐵粉，并在B瓶?jī)?nèi)加入2g NaCl固體。

（3）向A瓶?jī)?nèi)加入10mL 0.1mol/L Fe2（SO4）3溶液，迅速塞上連有壓力傳感器的橡膠塞。點(diǎn)擊“采集”按鈕進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，待壓力達(dá)到130kPa以上時(shí)停止采集。壓力隨時(shí)間的變化曲線如圖5曲線1所示。

（4）向B瓶?jī)?nèi)加入10mL 0.1mol/L Fe2（SO4）3溶液，迅速塞上連有壓力傳感器的橡膠塞。點(diǎn)擊“采集”按鈕進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，待壓力達(dá)到130kPa以上時(shí)停止采集。壓力隨時(shí)間的變化曲線如圖5曲線2所示。

4 實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象分析

（1）在實(shí)驗(yàn)探究一中，都是金屬鎂單質(zhì)與硫酸銅溶液反應(yīng)，因該反應(yīng)是放熱反應(yīng)，用溫度傳感器測(cè)反應(yīng)溫度的變化。在控制變量的條件下，A燒杯沒有加氯化鈉，沒有引入Cl-；B燒杯加有氯化鈉，引入了Cl-。從反應(yīng)曲線可以看出，加入Cl-可以加快Mg與CuSO4溶液反應(yīng)的化學(xué)反應(yīng)速率，溫度升高較快。

目前比較權(quán)威的解釋是[1]：氯離子能夠破壞覆蓋在鎂表面的MgO或Mg（OH）2的緊密程度，使H+等更容易和鎂發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，加快化學(xué)反應(yīng)速率。endprint

（2）由于金屬單質(zhì)在水溶液中的反應(yīng)大都伴隨著原電池反應(yīng)，因此，我們?cè)O(shè)計(jì)了一個(gè)原電池反應(yīng)探究Cl-對(duì)原電池反應(yīng)的電流及電勢(shì)的影響。

從圖3可以看出，在沒有鹽橋的單液Cu-Zn原電池中，如果在硫酸銅溶液加入固體NaCl后，隨著固體NaCl的溶解，測(cè)得的電流會(huì)增大；而在圖4中可以看出，向原電池的電解質(zhì)溶液中加入固體NaCl后，隨著固體NaCl的溶解，電勢(shì)則會(huì)明顯減小。

在原電池的電解質(zhì)中加入氯化鈉后，溶液中離子濃度增大，溶液的導(dǎo)電率也增大，這將有利于原電池反應(yīng)的發(fā)生，體現(xiàn)在電流強(qiáng)度上也增大。

氯離子的引入，Cu-Zn原電池的電勢(shì)減小，是因?yàn)槿芤褐械腃u2+與Cl-形成了配合物，降低了溶液中Cu2+的濃度，從而作為氧化型的Cu2+的氧化能力減弱了。根據(jù)能斯特方程，若氧化型金屬離子濃度下降，則φ值會(huì)下降；因?yàn)榇藢?shí)驗(yàn)是單液原電池，并且測(cè)量時(shí)間較短（大約1分鐘），溶液中Zn2+濃度較小，對(duì)φ（Zn2+/Zn）的影響可以忽略，因此測(cè)得的電勢(shì)隨著固體氯化鈉的溶解而呈下降趨勢(shì)。

綜合電流和電勢(shì)的變化，可以看出，盡管氯離子可以降低Cu-Zn原電池的電勢(shì)，但由于電流增大，金屬腐蝕速率會(huì)加快，金屬腐蝕是以形成原電池的電化學(xué)腐蝕為主。

5 實(shí)驗(yàn)結(jié)論

（1）氯離子能加快金屬的腐蝕速率是一種較普遍的現(xiàn)象。其腐蝕原理可以分為兩種情況，第一種情況是因?yàn)槁入x子半徑較小和本身的性質(zhì)，容易破壞金屬表面的氧化膜等而加快金屬的腐蝕[3]。第二種情況是氯離子作為配體和過渡元素形成金屬配離子后，還原能力增強(qiáng)，氧化能力減弱，而加快金屬的腐蝕速率[4]。

（2）在原電池反應(yīng)中，如果氯離子和氧化型陽(yáng)離子形成配離子后，盡管氧化型離子的氧化性減弱，電極電勢(shì)減小，但若電解質(zhì)溶液導(dǎo)電能力增大，電流增強(qiáng)，仍會(huì)加快負(fù)極金屬的腐蝕速率。同時(shí)也證明了金屬腐蝕以電化學(xué)腐蝕為主。

參考文獻(xiàn)：

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[4]王程杰.關(guān)注氯離子效應(yīng)在中學(xué)化學(xué)實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用[J].化學(xué)教學(xué)，2015，（11）：53～58.endprint