張勇+鄧偉+王文玉

摘要：氯離子對很多化學反應的反應速率產(chǎn)生影響，對金屬腐蝕的影響更為明顯。利用溫度傳感器、電流傳感器、電勢傳感器和壓力傳感器測定氯離子對金屬腐蝕的影響，通過對比實驗，用實時、準確的數(shù)據(jù)說明氯離子能加快金屬腐蝕速率的廣泛性。氯離子對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金屬溶解。氯離子對原電池電流和電勢的影響，證明金屬腐蝕以形成原電池的電化學腐蝕為主。

關(guān)鍵詞：數(shù)字化實驗；金屬腐蝕；化學反應速率；氯離子

文章編號：1005–6629（2017）12–0065–03 中圖分類號：G633.8 文獻標識碼：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，化學反應速率不同。鋅與鹽酸反應的化學反應速率明顯大于鋅與硫酸反應的化學反應速率，中學教師對其解釋為Cl-對金屬腐蝕反應速率有促進作用。

這一現(xiàn)象是個案還是具有普遍性，Cl-對金屬的腐蝕速率有何影響，我們設計如下幾個數(shù)字化實驗，以期得到理想的結(jié)果。

2 實驗儀器和藥品

2.1 實驗儀器

溫度傳感器（Vernier，型號：TMP-BTA；范圍：-25～125℃）、電流傳感器（Vernier，型號：DCP-BTA；范圍：±0.6A）、電勢傳感器（Vernier，型號：DVP-BTA；范圍：±6.0V）、壓力傳感器（Vernier，型號：GPS-BTA；范圍：0到210kPa）、威尼爾數(shù)據(jù)采集器（Vernier Logger Pro 3）、計算機、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 實驗藥品

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 實驗操作步驟

3.1 探究CI-對Mg和CuSO4溶液反應的影響

（1）取20mL 0.1mol/L CuSO4溶液于A、B兩個相同的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、計算機連接好，并將溫度傳感器插入A燒杯中，測Mg與CuSO4溶液反應時溫度的變化。

（3）打開計算機上的Logger Pro 3數(shù)據(jù)采集軟件，顯示如圖1所示的時間——溫度坐標圖像。點擊“采集”按鈕進行數(shù)據(jù)采集，同時向CuSO4溶液中加入適量鎂條，繼續(xù)采集數(shù)據(jù)一段時間，點擊“停止”按鈕，實驗圖像見圖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，點擊“采集”按鈕進行數(shù)據(jù)采集，此時選擇“保存最新實驗數(shù)據(jù)”按鈕，采集數(shù)據(jù)一段時間，點擊“停止”按鈕，保存數(shù)據(jù)。實驗圖像見圖1曲線2。

3.2 探究Cl-對Cu-Zn原電池反應的影響

（1）按圖2連接好實驗裝置，連接計算機、數(shù)據(jù)采集器、電流傳感器，打開計算機，進入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。

（3）點擊“采集”按鈕進行數(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)一段時間，點擊“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連接好實驗裝置，只是把電流傳感器換成電勢傳感器，打開計算機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原電池電勢在加入固體NaCl前后電勢的變化。圖像如圖4所示。

3.3 探究Cl-對Fe與Fe2（SO4）3溶液反應的影響。

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

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

（3）向A瓶內(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。點擊“采集”按鈕進行數(shù)據(jù)采集，待壓力達到130kPa以上時停止采集。壓力隨時間的變化曲線如圖5曲線1所示。

（4）向B瓶內(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。點擊“采集”按鈕進行數(shù)據(jù)采集，待壓力達到130kPa以上時停止采集。壓力隨時間的變化曲線如圖5曲線2所示。

4 實驗現(xiàn)象分析

（1）在實驗探究一中，都是金屬鎂單質(zhì)與硫酸銅溶液反應，因該反應是放熱反應，用溫度傳感器測反應溫度的變化。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-。從反應曲線可以看出，加入Cl-可以加快Mg與CuSO4溶液反應的化學反應速率，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)生化學反應，加快化學反應速率。endprint

（2）由于金屬單質(zhì)在水溶液中的反應大都伴隨著原電池反應，因此，我們設計了一個原電池反應探究Cl-對原電池反應的電流及電勢的影響。

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，測得的電流會增大；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，電勢則會明顯減小。

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，溶液的導電率也增大，這將有利于原電池反應的發(fā)生，體現(xiàn)在電流強度上也增大。

氯離子的引入，Cu-Zn原電池的電勢減小，是因為溶液中的Cu2+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值會下降；因為此實驗是單液原電池，并且測量時間較短（大約1分鐘），溶液中Zn2+濃度較小，對φ（Zn2+/Zn）的影響可以忽略，因此測得的電勢隨著固體氯化鈉的溶解而呈下降趨勢。

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

5 實驗結(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，第一種情況是因為氯離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，氧化能力減弱，而加快金屬的腐蝕速率[4]。

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

參考文獻：

[1]嚴宣申.化學實驗的啟示與科學思維的訓練[M].北京：北京大學出版社，1993：12.

[2]武漢大學，吉林大學等校編.無機化學（第三版，下冊）[M].北京：高等教育出版社，1994：920.

[3]楊學寶，李瑞濤，張杰.氯離子與溴離子對金屬腐蝕探究[J].工程技術(shù)，2014，（18）：168～169.

[4]王程杰.關(guān)注氯離子效應在中學化學實驗中的應用[J].化學教學，2015，（11）：53～58.endprint