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腐蝕的本質，設計6孔井穴板作電解池，用塑料滴管鼓氣增氧的濃差電池。借助高靈敏度的數字傳感裝置，捕捉到相鄰井穴中由于溶解氧不同而產生的微小電流。通過對電流影響因素的討論，展示了一則適合拓展研習的數字化微型實驗案例。

關鍵詞：濃差電池；微型實驗；數字技術

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

常見的吸氧腐蝕實驗裝置如圖1所示，通過水的倒吸說明反應消耗了氧氣。該實驗不能說明鐵在水溶液中的腐蝕是在氧氣參與下的電化學過程。為說明上述問題而設計的實驗不多，且因為輸出電流太小而需要動用復雜的增氧設備[1]。微電流傳感器與靈敏電流計相比較，能夠連續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、電解質溶液、鹽橋等操作變量進行深入探討。

1 實驗原理

鐵的吸氧腐蝕是在溶解氧參與下的電化學腐蝕過程。 O

2 實驗裝置

使用的微型實驗儀器有：塑料滴管和6孔井穴板。數字實驗系統由傳感器、數據采集器、計算機等硬件設施和數據處理軟件構成。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據采集器。經過數據采集器的分析和轉化，成為數字信號，傳輸給計算機，最終以曲線的形式呈現實驗結果。

3 實驗步驟

（1）電極的預處理。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，需要在電極上并接一個20Ω的電阻（圖4）。

（5）連接數據采集器和電腦，靜置片刻，等待電流穩定。點擊調零按鈕，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溶液中的溶解氧濃度有關。

4 實驗變量

4.1 電極

實驗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 電解質溶液的體積

如圖9、圖10所示，向井穴中注入更多的電解質溶液，能夠增大其與電極接觸的面積，同時讓電解質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

微型實驗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，電池內阻更小，輸出電流更大。

綜上所述，本實驗采用鐵片做電極，3 mL飽和食鹽水作為電解質溶液，潤濕的海綿作為鹽橋，配合使用20Ω并聯電阻，能夠達到較好的實驗效果。

5 實驗意義

本實驗結合了數字實驗和微型實驗，具有高靈敏度、試劑用量少、操作簡便的優勢。實時采集并處理吸氧腐蝕過程中電流的微小變化，取得了常規實驗難以獲得的良好效果。數據采集器配有電導、溫度、色度和特定離子濃度等諸多傳感器，展示了微型實驗與數字技術相結合的廣闊前景，值得引起重視。

參考文獻：

[1]朱石明，陳凱.鋼鐵吸氧腐蝕演示實驗的創新設計[J].教學儀器與實驗，2011，（5）：14～16.

[2]趙琦.微型電化學數字實驗兩則[J].教學儀器與實驗，2013，（2）：31.