數(shù)字化傳感器探究鎂鋁堿性原電池的新發(fā)現(xiàn)

徐江鋒 王金剛

摘要：利用數(shù)字化傳感器測得以鎂、鋁為電極，NaOH溶液作為電解質(zhì)溶液構(gòu)成的原電池，在放電過程中電流方向會發(fā)生改變，即電極正負極反轉(zhuǎn)。結(jié)合鎂、鋁在堿性溶液中的性質(zhì)及電極電勢，得出鎂電極初始為負極，后轉(zhuǎn)為正極的原因是放電過程中鎂電極發(fā)生鈍化引起的。同時，研究表明，鎂作負極、鋁作正極時，堿性越強，產(chǎn)生的電流強度越小;鋁作負極、鎂作正極時.堿性越強，產(chǎn)生的電流強度越大。

關(guān)鍵詞：數(shù)字化實驗;鎂電極;極性反轉(zhuǎn)

文章編號：1008-0546（2020）06-0093-03 中圖分類號：G632.41 文獻標(biāo)識碼：B

doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2020.06.025

一、問題的提出

以鎂、鋁為電極，NaOH溶液作為電解質(zhì)溶液構(gòu)成的原電池，誰為負極？有的同學(xué)依據(jù)“相對活潑金屬作為負極，相對不活潑的金屬作為正極”的規(guī)律，認為在NaOH溶液中，鎂作原電池的負極，鋁作原電池的正極;有的同學(xué)依據(jù)“構(gòu)成原電池的條件之一是自發(fā)的氧化還原反應(yīng)”，認為在NaOH溶液中，鋁作原電池的負極，鎂作原電池的正極。兩者得出的結(jié)論是矛盾的。本節(jié)課就圍繞這個問題利用數(shù)字化傳感器展開實驗探究，揭開其廬山真面目。同時，也探究了不同濃度NaOH溶液對該原電池的影響。

二、實驗內(nèi)容

1.實驗儀器與藥品

儀器：燒杯、導(dǎo)線若干、鹽橋、蘇威爾數(shù)字化系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集器、多量程電流傳感器、微電流傳感器、電腦等

藥品：鎂條、鋁條、砂紙、1.0mol/L鹽酸、不同濃度（0.50mol/L、0.75mol/L、1.0mol/L、1.5mol/L、2.0mol/L）NaOH溶液等

2.實驗過程

（1）瓊脂一飽和KCl鹽橋的制作

燒杯中加入4g瓊脂和97mL蒸餾水，在水浴上加熱至完全溶解。然后加入30g KCl充分攪拌，KCl完全溶解后趁熱用滴管或虹吸將此溶液加入已事先彎好的玻璃管中，靜置待瓊脂凝結(jié)后便可使用。

（2）組裝數(shù)字化實驗裝置并測定原電池電流

按圖1所示連接好多量程電流傳感器、數(shù)據(jù)采集器及電腦，打開蘇威爾數(shù)字化系統(tǒng)軟件，設(shè)定好相關(guān)參數(shù)，校準(zhǔn)電流傳感器為“0”。在兩個燒杯中加入等量的1.0mol/L NaOH溶液，并將鹽橋伸入溶液中固定。取一張砂紙打磨鋁條，用另一張砂紙打磨鎂條（避免因同一張砂紙打磨鎂條和鋁條而在電極表面形成微電池，干擾實驗測定），將打磨好的Mg、A1電極分別與電流傳感器的紅、黑鱷魚夾相連。點擊“開始”按鈕，待電流穩(wěn)定后，將電極伸人NaOH溶液中，記錄數(shù)據(jù)。用蒸餾水作為電解質(zhì)溶液，重復(fù)上述實驗流程，作為對照。

（3）探究不同濃度NaOH溶液對原電池的影響

分別用0.50mol/L、0.75mol/L、1.5mol/L和2.0mol/L的NaOH溶液作為電解質(zhì)溶液，重復(fù)上述實驗流程，記錄相關(guān)數(shù)據(jù)。

三、結(jié)果討論

1.電流變化的解釋

如圖2所示，當(dāng)Mg、Al電極伸入到NaOH溶液時，起始階段電流為負值，且迅速增大至475uA;隨后電流逐漸減小至0，并轉(zhuǎn)為正值，且迅速增大至227uA;最后階段電流又有所降低至恒定。

查閱大學(xué)無機化學(xué)教材，Mg、Al在1.0mol/L NaOH溶液中的電極電勢分別為：

即在堿性介質(zhì)中，Mg的電極電勢低于Al的電極電勢，故起始階段Mg作負極，發(fā)生的電極反應(yīng)為：Mg（OH）₂+2e-=Mg+20H-;A1電極作為正極，在NaOH溶液中可能得電子的微粒為溶解氧或H₂O，查閱大學(xué)無機化學(xué)教材，其在1.0mol/L NaOH溶液中的電極電勢分別為：

為了進一步驗證上述分析結(jié)論，用蒸餾水作為電解質(zhì)溶液進行對比實驗。由圖3可知，電流為負值，即說明Mg作負極，Al作正極，與上述結(jié)論一致。

正是因為這些析出的氣體會以氣泡形式吸附于電極表面，從而造成電極活性面積減少、電極表面電位和電流密度的微觀分布不均，產(chǎn)生電極極化。電極表面吸附的氣泡較多時會在電極表面形成氣膜，造成電極鈍化失活。電極表面析出的氣體也會以氣泡形式分散于電解液中，使電解液成為氣液混合體系，導(dǎo)致實際的導(dǎo)電率下降。因此，在后階段電流會逐漸減小至恒定。

2.不同濃度NaOH溶液對原電池影響的解釋

如圖5所示，鎂鋁在不同濃度NaOH溶液中構(gòu)成原電池產(chǎn)生的電流變化趨勢與上述分析一致。將圖5中a、b區(qū)域局部放大后得到如圖6（a）、（b）所示圖像。從圖6（a）可知，氫氧化鈉濃度越大，Mg作負極、Al作正極時電流越小;從圖6（b）可知，氫氧化鈉濃度越大，Al作負極、Mg作正極時電流越大。

當(dāng)Mg作負極時，電極上發(fā)生的反應(yīng)為：

由此可知，氫氧化鈉濃度越大，Mg在堿性介質(zhì)中的電極電勢越小。但是，由于生成的Mg（OH）₂緊密覆流隨氫氧化鈉濃度增大而增大。

四、結(jié)論

（3）不同濃度的NaOH溶液對電池工作的初期和中后期的影響不同。實驗數(shù)據(jù)表明：反應(yīng)初期，c（OH-）蓋在Mg電極表面，使Mg電極表面鈍化，導(dǎo)致Mg的電極電勢增大。氫氧化鈉濃度越大，Mg電極越易發(fā)生鈍化，電流就越小。

當(dāng)Al作負極時，電極上發(fā)生的反應(yīng)為：

由此可知，氫氧化鈉濃度越大，Al在堿性介質(zhì)中的電極電勢越小，因此，Al作負極時原電池產(chǎn)生的電越大，Mg表面越易鈍化，導(dǎo)致電流越小;反應(yīng)中后期，c（OH-）越大，有利于降低Al的電極電勢，導(dǎo)致電流越大。