濃度對氯離子效應影響的實驗探究

蘇劭鈞 葉永謙

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

關鍵詞： 氯離子效應； 濃度； 實驗探究

文章編號： 10056629（2018）9009503 中圖分類號： G633.8 文獻標識碼： B

1 問題的提出

日常生活中有一個有趣的現象： 炒完菜后鋁鍋內的鹽巴未洗凈，鋁鍋就很容易生銹。按照高中化學教材所述，該現象似乎不合常理。鋁與空氣中的氧氣反應生成致密的氧化膜并牢固地覆蓋在鋁表面，阻止了內部的鋁與空氣接觸，從而防止鋁進一步氧化[1]。但教材中也提出氯化鈉溶液中的氯離子會破壞氧化膜的結構，加速鋁制品的腐蝕[2]。關于氯離子的這種效應，王程杰教授在“關注氯離子效應在中學化學實驗中的應用”[3]一文中從金屬相表面發生置換反應時的氯離子效應等八個實驗，詳細介紹了氯離子效應在中學化學實驗中的應用，并就氯離子效應產生的原因進行深入探討。歸納起來，可以認為氯離子效應主要是加快了某些化學反應的速率，該效應的存在是影響化學反應速率的因素之一。而影響化學反應速率的常見外界因素有濃度、溫度、壓強和催化劑等[4]，那么，氯離子濃度的變化對于氯離子效應是否存在影響呢？為了定量探究該影響是否存在及影響的程度，必須設計相關實驗進行驗證。

2 藥品和儀器的選擇

為了定量探究濃度對氯離子效應的影響，必須選擇一個具體的化學反應作為研究對象。該反應宜為中學常見反應，且反應速率易于測量。為此，選擇鋅片與稀硫酸反應作為研究對象，通過改變氯離子濃度，測量單位時間內產生氫氣的體積，定量比較濃度影響的結果。

用于測量該反應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發生器與三角漏斗接觸不夠緊密導致氣密性不好、鐮刀形導氣管容易斷裂、精確度還需再提高等問題。為了確保實驗成功，并提高數據的精確度，對鐮刀形氣體發生裝置進行三處改進： 一是保留下端雙節管部分；二是增加堿式滴定管，將三角漏斗設計在堿式滴定管的上方；三是將導氣管與堿式滴定管下端組合并設計成磨口玻璃塞。重新設計后，將雙節管氣體發生器和堿式滴定管組合后裝置圖如圖2。使用該裝置時，將鋅片放在雙節管的上節管，關閉排液活塞，打開導氣活塞，往堿式滴定管上方三角漏斗中加入稀硫酸至充滿雙節管，關閉導氣活塞。反應開始后，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間即可精確測量氫氣生成速率。

3 方案的設計

要探究濃度對氯離子效應的影響，應以氯離子濃度為單一自變量，測量反應速率與氯離子濃度的關系。每組實驗選用長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。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，作為空白組進行對比。從編號B開始至編號H，以0.05mol為遞增標準，分別加入氯化鈉0.05mol、 0.10mol、 0.15mol、 0.20mol、 0.25mol、 0.30mol、 0.35mol進行充分溶解，然后使用以上改進后的裝置測量產生氫氣的速率，并進行記錄。

4 實驗的過程

按照以上方案，使用電子秤分別稱取對應質量的氯化鈉溶解于100.00毫升稀硫酸中。此時發現H組氯化鈉無法完全溶解，已經達到飽和狀態，因此H組的數據只能作為參考。

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

5 實驗的結果

按照以上方法做完八組實驗，記錄液面從37.00mL上升到5.00mL的時間，再將32.00mL氫氣體積除以所用時間（秒），即可求出產生氫氣的速率。具體數據結果見表1，其數據轉化為折線圖，如圖3所示。

從圖3的變化趨勢可以得出以下結論：

（1） 加入氯離子可以明顯加快鋅與稀硫酸反應速率： 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） 氯離子濃度達到飽和對于反應速率的影響并非最大： 氯離子達到飽和濃度后，反應速率反而從2.70mL/s降為2.36mL/s。

結合表1和圖3的數據可以看出，如果在氯離子濃度較小的范圍內探究濃度的影響，氯離子效應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y=0.32x的函數表示濃度對氯離子效應的影響（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）。以上結果說明濃度對氯離子效應的影響是存在的，而且是有一定規律的。

6 結論的應用

氯離子效應雖然可以加快某些化學反應的速率，但也給金屬的腐蝕帶來嚴重的后果。特別是在建筑行業，隨著混凝土的廣泛應用，其耐久性問題受到越來越多的關注。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鍵[7]。

根據以上研究結論，氯離子濃度越大，其效應一般越明顯，但當氯離子達到一定濃度后，其效應反而下降。該結論與朱紅光等在“氯鹽濃度對混凝土中氯離子滲透的影響規律”研究結果相符。朱紅光等認為： 氯鹽濃度對氯離子滲透系數的影響存在峰值，在一定濃度范圍內可用上凸型二次多項式來表示；對混凝土耐久性破壞最嚴重的危險氯鹽濃度范圍為4.0%～6.0%；當氯鹽濃度大于9.0%時，混凝土中的氯離子滲透系數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影響的結論，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工藝。但是，如果氯離子濃度已達峰值，則可以通過提高氯離子濃度的方法降低氯離子效應。

以上研究的目的不是單純為了研究，更是通過在教學中的有效運用培養學生的化學學科核心素養。朱玉軍等認為： 教育的本質和根本目的不在于事實性知識的傳授，而在于播撒知識、道德和信仰的種子，在于培養學生的獨立思考能力、獨立判斷能力、獨立行為能力[9]。研究過程中涉及的三次理論和實踐的沖突是培養學生“變化觀念與平衡思想”、“科學態度與社會責任”核心素養的有效載體： 一是教材中“鋁由于氧化物保護膜的存在而穩定性很強”的陳述和生活中“鋁鍋因鹽巴的存在容易生銹”的事實之間發生的沖突；二是教材中“增大濃度能提高反應速率”的結論和文獻中“氯離子效應能加快某些反應速率”的事實是否存在一致性的沖突；三是教材中“增大濃度能提高反應速率”的結論與研究獲得的“氯離子濃度達到飽和反應速率降低”的事實的沖突。以上三次沖突的提出及解決過程有利于引導學生不拘泥于教材，鼓勵他們“從不同視角認識化學變化的多樣性”，從而培養其高層次的素養。此外，研究中的儀器的改進、方案的設計特別是控制變量法的應用，以及研究結論在減緩鋼筋混凝土腐蝕中的設想，都可以成為培養學生高水平學科核心素養的典型案例。

參考文獻：

[1][2]王祖浩主編. 普通高中課程標準實驗教科書·化學1[M]. 南京： 江蘇教育出版社， 2009： 67～69.

[3]王程杰. 關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.

[4]王祖浩主編. 普通高中課程標準實驗教科書·化學反應原理[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驗中的應用[J]. 化學教學， 2017，（2）： 58～60.

[6]馮慶革. 李浩璇. 中國硅酸鹽學會水泥分會第四屆學術年會論文摘要集[C]. 2012： 48～49.

[7]黃會明. 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律[J]. 建筑材料學報， 2016，（4）： 725～729.

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