蘇劭鈞 葉永謙

摘要： 氯離子存在使某些化學(xué)反應(yīng)速率加快的效應(yīng)為氯離子效應(yīng)，以鋅與稀硫酸反應(yīng)為對象，定量研究氯離子濃度對該反應(yīng)氯離子效應(yīng)的影響。得出在0～2.50mol/L的氯離子濃度范圍內(nèi)，氯離子濃度每增加0.50mol/L，鋅與稀硫酸反應(yīng)速率增加約0.16mL/s；大于3.00mol/L的氯離子濃度條件下，反應(yīng)速率呈下降趨勢的結(jié)論。并就該結(jié)論在減緩鋼筋混凝土腐蝕的應(yīng)用上提出設(shè)想。問題的提出、方案的設(shè)計(jì)、研究的過程、結(jié)論及應(yīng)用有利于培育學(xué)生較高水平層次的化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)。

關(guān)鍵詞： 氯離子效應(yīng)； 濃度； 實(shí)驗(yàn)探究

文章編號： 10056629（2018）9009503 中圖分類號： G633.8 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： B

1 問題的提出

日常生活中有一個(gè)有趣的現(xiàn)象： 炒完菜后鋁鍋內(nèi)的鹽巴未洗凈，鋁鍋就很容易生銹。按照高中化學(xué)教材所述，該現(xiàn)象似乎不合常理。鋁與空氣中的氧氣反應(yīng)生成致密的氧化膜并牢固地覆蓋在鋁表面，阻止了內(nèi)部的鋁與空氣接觸，從而防止鋁進(jìn)一步氧化[1]。但教材中也提出氯化鈉溶液中的氯離子會(huì)破壞氧化膜的結(jié)構(gòu)，加速鋁制品的腐蝕[2]。關(guān)于氯離子的這種效應(yīng)，王程杰教授在“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”[3]一文中從金屬相表面發(fā)生置換反應(yīng)時(shí)的氯離子效應(yīng)等八個(gè)實(shí)驗(yàn)，詳細(xì)介紹了氯離子效應(yīng)在中學(xué)化學(xué)實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用，并就氯離子效應(yīng)產(chǎn)生的原因進(jìn)行深入探討。歸納起來，可以認(rèn)為氯離子效應(yīng)主要是加快了某些化學(xué)反應(yīng)的速率，該效應(yīng)的存在是影響化學(xué)反應(yīng)速率的因素之一。而影響化學(xué)反應(yīng)速率的常見外界因素有濃度、溫度、壓強(qiáng)和催化劑等[4]，那么，氯離子濃度的變化對于氯離子效應(yīng)是否存在影響呢？為了定量探究該影響是否存在及影響的程度，必須設(shè)計(jì)相關(guān)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證。

2 藥品和儀器的選擇

為了定量探究濃度對氯離子效應(yīng)的影響，必須選擇一個(gè)具體的化學(xué)反應(yīng)作為研究對象。該反應(yīng)宜為中學(xué)常見反應(yīng)，且反應(yīng)速率易于測量。為此，選擇鋅片與稀硫酸反應(yīng)作為研究對象，通過改變氯離子濃度，測量單位時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生氫氣的體積，定量比較濃度影響的結(jié)果。

用于測量該反應(yīng)速率的儀器可以選用鐮刀形量氣裝置（圖1），該裝置由鐮刀形氣體發(fā)生器、三角漏斗等組成，可以較為精確測量氣體生成速率[5]。但該儀器在使用中常出現(xiàn)發(fā)生器與三角漏斗接觸不夠緊密導(dǎo)致氣密性不好、鐮刀形導(dǎo)氣管容易斷裂、精確度還需再提高等問題。為了確保實(shí)驗(yàn)成功，并提高數(shù)據(jù)的精確度，對鐮刀形氣體發(fā)生裝置進(jìn)行三處改進(jìn)： 一是保留下端雙節(jié)管部分；二是增加堿式滴定管，將三角漏斗設(shè)計(jì)在堿式滴定管的上方；三是將導(dǎo)氣管與堿式滴定管下端組合并設(shè)計(jì)成磨口玻璃塞。重新設(shè)計(jì)后，將雙節(jié)管氣體發(fā)生器和堿式滴定管組合后裝置圖如圖2。使用該裝置時(shí)，將鋅片放在雙節(jié)管的上節(jié)管，關(guān)閉排液活塞，打開導(dǎo)氣活塞，往堿式滴定管上方三角漏斗中加入稀硫酸至充滿雙節(jié)管，關(guān)閉導(dǎo)氣活塞。反應(yīng)開始后，生成的氫氣將液體壓入堿式滴定管，記錄液面高度及所用時(shí)間即可精確測量氫氣生成速率。

3 方案的設(shè)計(jì)

要探究濃度對氯離子效應(yīng)的影響，應(yīng)以氯離子濃度為單一自變量，測量反應(yīng)速率與氯離子濃度的關(guān)系。每組實(shí)驗(yàn)選用長2cm、寬1cm、厚0.2cm的鋅片各6片，選用常溫下密度為1.20g/mL的稀硫酸與鋅片反應(yīng)。稀硫酸配制8組，每組均100.00mL（滴入2滴甲基橙用于顯色），編號A的稀硫酸不加氯化鈉，作為空白組進(jìn)行對比。從編號B開始至編號H，以0.05mol為遞增標(biāo)準(zhǔn)，分別加入氯化鈉0.05mol、 0.10mol、 0.15mol、 0.20mol、 0.25mol、 0.30mol、 0.35mol進(jìn)行充分溶解，然后使用以上改進(jìn)后的裝置測量產(chǎn)生氫氣的速率，并進(jìn)行記錄。

4 實(shí)驗(yàn)的過程

按照以上方案，使用電子秤分別稱取對應(yīng)質(zhì)量的氯化鈉溶解于100.00毫升稀硫酸中。此時(shí)發(fā)現(xiàn)H組氯化鈉無法完全溶解，已經(jīng)達(dá)到飽和狀態(tài)，因此H組的數(shù)據(jù)只能作為參考。

待藥品都準(zhǔn)備好后，將儀器按圖2裝置圖裝配起來，檢驗(yàn)其氣密性良好后，將6片鋅片平放入雙節(jié)管發(fā)生器的上節(jié)管中，插入堿式滴定管，固定在鐵架臺(tái)上。關(guān)閉排液活塞，打開導(dǎo)氣活塞，從堿式滴定管上方三角漏斗加入稀硫酸至充滿雙節(jié)管，關(guān)閉導(dǎo)氣活塞。反應(yīng)開始后，鋅片表面有無色氣泡冒出，一段時(shí)間后，堿式滴定管中液面上升。反應(yīng)即將結(jié)束的一段時(shí)間鋅片逐漸與硫酸脫離，此時(shí)的反應(yīng)速率不但與濃度有關(guān)，還與鋅片和硫酸的接觸面積有關(guān)。為了確保只是濃度引起的速率變化，記錄液面上升到37.00mL刻度的時(shí)刻及記錄液面上升到5.00mL的時(shí)刻。使用攝像機(jī)拍攝每個(gè)實(shí)驗(yàn)過程，再使用視頻編輯軟件（如“愛編輯”軟件）找出以上兩個(gè)液面所對應(yīng)的時(shí)刻，可以讀數(shù)到0.001秒。每做完一組實(shí)驗(yàn)后，清洗儀器，換用新的相同數(shù)量和規(guī)格的鋅片，再重復(fù)以上操作過程。

5 實(shí)驗(yàn)的結(jié)果

按照以上方法做完八組實(shí)驗(yàn)，記錄液面從37.00mL上升到5.00mL的時(shí)間，再將32.00mL氫氣體積除以所用時(shí)間（秒），即可求出產(chǎn)生氫氣的速率。具體數(shù)據(jù)結(jié)果見表1，其數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為折線圖，如圖3所示。

從圖3的變化趨勢可以得出以下結(jié)論：

（1） 加入氯離子可以明顯加快鋅與稀硫酸反應(yīng)速率： 氯離子濃度從0.0mol/L增加到0.5mol/L，其速率從0.64mL/s加快到1.36mL/s，速率加快超過兩倍。

（2） 氯離子濃度越大反應(yīng)速率有越快的趨勢： 氯離子濃度從0.5mol/L增加到3.0mol/L，其速率從1.36mL/s加快到2.70mL/s，速率加快接近兩倍。

（3） 氯離子濃度達(dá)到飽和對于反應(yīng)速率的影響并非最大： 氯離子達(dá)到飽和濃度后，反應(yīng)速率反而從2.70mL/s降為2.36mL/s。

結(jié)合表1和圖3的數(shù)據(jù)可以看出，如果在氯離子濃度較小的范圍內(nèi)探究濃度的影響，氯離子效應(yīng)隨著濃度的升高而增大。如果氯離子濃度從0.5mol/L開始算起至2.5mol/L，甚至可以用一個(gè)y=0.32x的函數(shù)表示濃度對氯離子效應(yīng)的影響（其中y表示氫氣的生成速率，單位為mL/s；x表示氯離子的濃度，單位為mol/L）。以上結(jié)果說明濃度對氯離子效應(yīng)的影響是存在的，而且是有一定規(guī)律的。

6 結(jié)論的應(yīng)用

氯離子效應(yīng)雖然可以加快某些化學(xué)反應(yīng)的速率，但也給金屬的腐蝕帶來嚴(yán)重的后果。特別是在建筑行業(yè)，隨著混凝土的廣泛應(yīng)用，其耐久性問題受到越來越多的關(guān)注。鋼筋混凝土腐蝕是引起混凝土耐久性破壞的重要因素，而氯離子的侵入是造成鋼筋混凝土腐蝕的主要原因之一[6]，如何提高混凝土本身抗氯離子滲透性能是解決問題的關(guān)鍵[7]。

根據(jù)以上研究結(jié)論，氯離子濃度越大，其效應(yīng)一般越明顯，但當(dāng)氯離子達(dá)到一定濃度后，其效應(yīng)反而下降。該結(jié)論與朱紅光等在“氯鹽濃度對混凝土中氯離子滲透的影響規(guī)律”研究結(jié)果相符。朱紅光等認(rèn)為： 氯鹽濃度對氯離子滲透系數(shù)的影響存在峰值，在一定濃度范圍內(nèi)可用上凸型二次多項(xiàng)式來表示；對混凝土耐久性破壞最嚴(yán)重的危險(xiǎn)氯鹽濃度范圍為4.0%～6.0%；當(dāng)氯鹽濃度大于9.0%時(shí)，混凝土中的氯離子滲透系數(shù)反而保持在較低水平[8]。因此，通過定量研究氯離子濃度對氯離子效應(yīng)影響的結(jié)論，可以為減緩鋼筋混凝土的腐蝕找到研究方向，一般可以從降低氯離子濃度的角度尋找相應(yīng)工藝。但是，如果氯離子濃度已達(dá)峰值，則可以通過提高氯離子濃度的方法降低氯離子效應(yīng)。

以上研究的目的不是單純?yōu)榱搜芯?，更是通過在教學(xué)中的有效運(yùn)用培養(yǎng)學(xué)生的化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)。朱玉軍等認(rèn)為： 教育的本質(zhì)和根本目的不在于事實(shí)性知識(shí)的傳授，而在于播撒知識(shí)、道德和信仰的種子，在于培養(yǎng)學(xué)生的獨(dú)立思考能力、獨(dú)立判斷能力、獨(dú)立行為能力[9]。研究過程中涉及的三次理論和實(shí)踐的沖突是培養(yǎng)學(xué)生“變化觀念與平衡思想”、“科學(xué)態(tài)度與社會(huì)責(zé)任”核心素養(yǎng)的有效載體： 一是教材中“鋁由于氧化物保護(hù)膜的存在而穩(wěn)定性很強(qiáng)”的陳述和生活中“鋁鍋因鹽巴的存在容易生銹”的事實(shí)之間發(fā)生的沖突；二是教材中“增大濃度能提高反應(yīng)速率”的結(jié)論和文獻(xiàn)中“氯離子效應(yīng)能加快某些反應(yīng)速率”的事實(shí)是否存在一致性的沖突；三是教材中“增大濃度能提高反應(yīng)速率”的結(jié)論與研究獲得的“氯離子濃度達(dá)到飽和反應(yīng)速率降低”的事實(shí)的沖突。以上三次沖突的提出及解決過程有利于引導(dǎo)學(xué)生不拘泥于教材，鼓勵(lì)他們“從不同視角認(rèn)識(shí)化學(xué)變化的多樣性”，從而培養(yǎng)其高層次的素養(yǎng)。此外，研究中的儀器的改進(jìn)、方案的設(shè)計(jì)特別是控制變量法的應(yīng)用，以及研究結(jié)論在減緩鋼筋混凝土腐蝕中的設(shè)想，都可以成為培養(yǎng)學(xué)生高水平學(xué)科核心素養(yǎng)的典型案例。

參考文獻(xiàn)：

[1][2]王祖浩主編. 普通高中課程標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)教科書·化學(xué)1[M]. 南京： 江蘇教育出版社， 2009： 67～69.

[3]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.

[4]王祖浩主編. 普通高中課程標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)教科書·化學(xué)反應(yīng)原理[M]. 南京： 江蘇教育出版社， 2009： 35～39.

[5]李崇頡， 葉永謙等. 鐮刀形量氣裝置及其在測量氣體生成速率實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用[J]. 化學(xué)教學(xué)， 2017，（2）： 58～60.

[6]馮慶革. 李浩璇. 中國硅酸鹽學(xué)會(huì)水泥分會(huì)第四屆學(xué)術(shù)年會(huì)論文摘要集[C]. 2012： 48～49.

[7]黃會(huì)明. 礦粉和粉煤灰對混凝土抗氯離子滲透性能的影響[J]. 混凝土世界， 2014，（5）： 62～66.

[8]朱紅光等. 氯鹽濃度對混凝土中氯離子滲透的影響規(guī)律[J]. 建筑材料學(xué)報(bào)， 2016，（4）： 725～729.

[9]朱玉軍，王香風(fēng). 科學(xué)核心觀念的內(nèi)涵及其教育價(jià)值分析[J]. 化學(xué)教學(xué)， 2017，（8）： 10～14.