運用傳感器探究溶解氧濃差引起的金屬電化學腐蝕

摘要：教師利用數據采集器、溶解氧傳感器和氧化還原電勢傳感器開展鹽水滴腐蝕實驗，回應了學生對于電化學原理相關結論的質疑。實施新設計的數字化實驗方案，驗證了“溶解氧的含量越高體系的氧化還原電勢越高”，證明氧濃差引起的金屬腐蝕是電化學腐蝕。氯化鈉溶液濃度對溶解氧的量和氧化還原電勢有影響，證明氧濃差引起金屬電化學腐蝕的普遍性。探究了濃差電池和氧濃差引起金屬電化學腐蝕的差異，讓學生在質疑和釋疑的過程中對原電池構成條件形成了新的更深的認識。

關鍵詞：鹽水滴腐蝕實驗；氧濃差；金屬腐蝕；傳感器

生活中電化學原理和原電池應用的案例很多，但一些教師很難在教材和常規案例的基礎上進行適當的拓展，對于學生的質疑也難以給出令人信服的數據、證據及分析。教師巧妙設計傳感器實驗，引導學生深入探究，有助于他們理解原理，在思考分析過程中不斷提升認知。

一、考題之疑引發傳感器實驗探索

在講授2011年高考浙江卷化學試題第10題時，筆者發現該題蘊含著很多值得深入探究的電化學原理。題目內容如下：將氯化鈉溶液滴在一塊光亮清潔的鐵板表面上，一段時間后發現，液滴覆蓋的圓周中心區（a）已被腐蝕而變暗，在液滴中心和邊緣的中間區域有棕色鐵銹環（b），如圖1所示。

一般認為，導致該現象的主要原因是液滴之下氧氣含量比邊緣少。由于鐵銹環出現在液滴中心和邊緣的中間區域，所以不是鐵直接被氧氣氧化變鐵銹。液滴中心區域的氧氣濃度小，鐵發生氧化反應 Fe-2e-=Fe2+，為腐蝕區；液滴邊緣區域氧氣濃度大，發生還原反應O2+2H2O+4e- =4OH-，滴外緣堿性增強。氫氧根離子向內擴散，二價離子向外擴散，久置中間區域會出現鐵銹環。學生質疑：為什么不是鐵直接被氧氣氧化變鐵銹？金屬腐蝕符合原電池的形成條件嗎？金屬腐蝕是電化學腐蝕嗎？

對于這個教學難點，有教師從理論[1]、文獻調研和實證[2]、高考試題[3]等角度做過研究。筆者也曾采用靈敏電流計等間接證據實施項目式教學[4]。筆者進行文獻檢索，尚未發現用傳感器深入研究該實驗的論文。

數字化實驗研究及其應用[5]，為學生的學習旅程注入了豐富的信息資源和扎實的數據基礎。數字實驗能夠清晰地展示微觀過程，實現抽象原理的直觀化，從而引領學生更精確地理解宏觀實驗現象，進而深化對抽象原理的微觀理解。為此，筆者借助數據采集器、溶解氧傳感器和氧化還原電勢傳感器開展實驗，深入探究。

二、借助傳感器創新實驗方案，探究本質，驗證原理

（一）實驗方案

筆者基于上述研究，結合實際，設計了如下的實驗方案。先將蒸餾水加熱煮沸，后覆蓋保鮮膜冷卻至室溫，得到煮沸除氧的蒸餾水，用于配置氯化鈉溶液。用煮沸除氧、吸耳球鼓空氣的方式，調整1 mol/L氯化鈉溶液的含氧量。用蒸餾水配制4種不同濃度的氯化鈉溶液，對比研究鹽溶液的濃度對含氧量的影響。利用數據采集器連接溶解氧傳感器和氧化還原電勢傳感器，測量溶液的溶解氧和氧化還原電勢（也稱電位）。實驗裝置示意圖如圖2所示。

（二）實驗結果與討論

1.探究溶解氧和氧化還原電勢的相關性

分析數據可知，溶解氧的量和體系的氧化還原電勢相關（見表1）。溶解氧的含量越高，體系的氧化還原電勢越高。組裝如圖3所示的裝置，閉合開關K，靈敏電流計指針在“0”附近，在一個燒杯中鼓入空氣，靈敏電流計指針發生偏轉。實驗結果證實溶解氧的量會影響體系的氧化還原電勢，產生電勢差進而形成原電池。實驗證明氧濃差引起的金屬腐蝕是電化學腐蝕。

2.驗證氧濃差引起金屬電化學腐蝕的普遍性

文獻指出，溶解氧隨著溫度、含鹽量和水深的增加而遞減[6]。溫度和水深對溶解氧有影響，人們對此普遍接受。筆者研究含鹽量對溶解氧的影響，進而驗證氧濃差引起金屬電化學腐蝕的普遍性。

筆者組裝如圖4所示的裝置，閉合開關K，靈敏電流計指針發生了偏轉，說明不同濃度氯化鈉溶液也可以構建原電池。

筆者引領學生探究了氯化鈉溶液濃度對溶解氧和氧化還原電位的影響，討論氧濃差引起金屬電化學腐蝕的普遍性。用數據采集器、溶解氧傳感器和氧化還原電勢傳感器，測量不同濃度氯化鈉溶液的溶解氧和氧化還原電勢，實驗結果見表2。

分析表2可知，氯化鈉溶液濃度越大，溶解氧的含量越低。這是由于氯化鈉增強了溶液的極性，從而降低了氧的溶解度。氯化鈉溶液的濃度影響了溶解氧的量，進而影響體系的氧化還原電勢，實驗證實了氧濃差引起的金屬電化學腐蝕是普遍存在的。

三、實驗手段升級深化了學生對原電池的認知

（一）氧濃差引起金屬電化學腐蝕

鹽水滴腐蝕實驗是氧濃差引起的金屬電化學腐蝕。鹽水滴金屬距離很小，同一金屬是等電勢體，為什么能構成原電池呢？

當金屬浸入含氧的溶液中，氧氣的還原半反應為2H2O+4e-+O2= 4OH-。根據能斯特方程可知，氧化還原電勢會隨氧氣含量的改變而改變。體系氧化還原電勢存在差異，氯離子等離子在有電位差的體系里會定向運動，導致金屬表面的氯離子和氫氧根離子濃度有差異，金屬表面不再等電勢，金屬表面就會呈現腐蝕差異。在鹽水滴腐蝕實驗中，在氧化還原電勢高的區域氧化性最強的物種（氧）發生正極反應。在氧化還原電勢低的區域，還原性最強的物質（鐵）發生負極反應。因此，氧濃差引起的金屬腐蝕是電化學腐蝕。

（二）氧濃差引起的金屬電化學腐蝕不是濃差電池

濃差電池是利用物質的濃度差產生電勢的一種裝置。

例如：探究如圖5所示原電池的工作原理（2022年北京市東城區期末試題節選）。

①該裝置中右側銀電極作 極（填“正”或“負”）。對該原電池的電極反應和總反應的反應類型進行分析，談談對原電池工作原理的認識： 。

②結合上述實驗思考僅有銅片、硫酸銅濃溶液、蒸餾水、燒杯、鹽橋、導線、電流表能否設計原電池？

答案為：

①負電極上分別發生氧化和還原反應，總反應不一定是氧化還原反應。

②能設計原電池（如圖6）。

學生根據題目給定電路的電子流動方向，輕松判斷正、負極。正極發生還原反應，負極發生氧化反應。根據電極所處環境，書寫電極反應式：（-）Ag-e-+Cl-=AgCl（+）Ag++e-=Ag，將二者相加得總反應為Ag++Cl-=AgCl↓。分析不難發現，題①中兩極的反應實質均為Ag++e-=Ag。由于存在氯離子，銀離子變成了氯化銀沉淀，銀離子的濃度降低影響了銀離子的氧化性，電極（銀離子/銀）和電極（氯化銀/銀）的電位有差異，從而產生電流。理解了這些，不難設計出銅離子濃差原電池。其兩極的反應實質均為Cu2++2e-=Cu。不難看出，濃差電池兩極發生的反應實質是相同的，差異在于兩側半電池中特定物質的濃度有差異，由于濃度差導致氧化還原電勢不同，從而構成原電池。

氧濃差引起的金屬電化學腐蝕，正極反應物是氧氣，負極反應物是鐵。由于兩極的反應實質不同，該電化學過程的起因是氧氣濃度差異，但是構成的卻不是濃差電池。究其原因是鐵比較活潑，負極反應物為還原性更強的鐵。如果電極材料改為石墨，組裝如圖7所示的裝置，閉合開關K，靈敏電流計指針在“0”附近，向一個燒杯中鼓入空氣，靈敏電流計指針發生偏轉，這才是氧濃差原電池。

（三）原電池形成條件的再認識

在以往的高中化學教學中原電池的形成條件一般被描述為：自發的氧化還原反應，兩個不同的電極，閉合回路。親歷氧濃差引起金屬電化學腐蝕的實驗，師生對“原電池是將化學能轉化為電能的裝置”有了更深刻理解。氧氣濃度差引起了電位差，相同的金屬變成了電位有差異的兩極，進而構建了原電池。學生深入討論后發現，不僅僅利用氧化還原反應可以設計成原電池，利用非氧化還原反應也可以設計成原電池，甚至高濃度擴散到低濃度這樣的自發過程也可以設計成原電池。只要有電位差，只要有閉合回路，兩極之間就可以構建原電池。

注：本文系中國化學會化學教育委員會“十四五”規劃2021年一般課題“基于化學學科核心素養的深度學習的教學實踐研究”（課題批準號：HJ2021-0012）的階段性研究成果、北京市新時代中小學名師發展工程（首都師范大學基地）的階段性研究成果和北京市東城區優秀人才培養資助項目（編號：2023-dchrcpyzz-23）的研究成果。

參考文獻

[1] 鄒蘭，李勤.差異充氣腐蝕產生機理的探討[J].周口師范高等專科學校學報，1999（5）：33-35.

[2] 陸燕海，江旭峰.對鋼鐵吸氧腐蝕過程的實驗探究[J].化學教學，2016（11）：60-63.

[3] 吳克勇，蔡子華.淺析高考試題中的差異充氣電池[J].化學教學，2015（9）：78-81.

[4] 佘平平.“鋼鐵電化學腐蝕原理的再認識”項目式教學[J].化學教育（中英文），2019（7）：23-27.

[5] 馬宏佳.化學數字化實驗的理論和實踐[M].北京：人民教育出版社，2016.

[6] 饒胡敏，黃旺銀.影響水體中溶解氧含量因素的探討[J].鹽業與化工，2017（3）：40-43.

（作者佘平平、劉然系北京市第二中學教師；楊繼軍系河南省信陽市第一高級中學教師）

責任編輯：祝元志