微型氧浓差电池的制作与分析

摘要：为了说明铁的吸氧腐蚀是电化学腐蚀的本质，设计6孔井穴板作电解池，用塑料滴管鼓气增氧的浓差电池。借助高灵敏度的数字传感装置，捕捉到相邻井穴中由于溶解氧不同而产生的微小电流。通过对电流影响因素的讨论，展示了一则适合拓展研习的数字化微型实验案例。

关键词：浓差电池；微型实验；数字技术

文章编号：1005–6629（2013）12–0051–02 中图分类号：G633.8 文献标识码：B

常见的吸氧腐蚀实验装置如图1所示，通过水的倒吸说明反应消耗了氧气。该实验不能说明铁在水溶液中的腐蚀是在氧气参与下的电化学过程。为说明上述问题而设计的实验不多，且因为输出电流太小而需要动用复杂的增氧设备[1]。微电流传感器与灵敏电流计相比较，能够连续捕捉微小电流的变化过程[2]，利用图2装置制作的微型氧浓差电池适宜对电极、电解质溶液、盐桥等操作变量进行深入探讨。

1 实验原理

铁的吸氧腐蚀是在溶解氧参与下的电化学腐蚀过程。 O

2 实验装置

使用的微型实验仪器有：塑料滴管和6孔井穴板。数字实验系统由传感器、数据采集器、计算机等硬件设施和数据处理软件构成。如图3所示，微电流传感器捕捉到原电池两极的电势差，以电信号的形式传输给数据采集器。经过数据采集器的分析和转化，成为数字信号，传输给计算机，最终以曲线的形式呈现实验结果。

3 实验步骤

（1）电极的预处理。除掉市售镀锌铁片表面锌镀层的方法是：将铁片放入4 mol/L硫酸溶液中，反应至气泡生成速率明显减小。取出铁片，用清水冲洗干净，剪成20×8 mm的条状，分别放入相邻的两个井穴中，分别标记为井穴1和井穴2。

（2）向井穴1和井穴2中各注入3 mL饱和食盐水。用饱和KCl润湿的海绵作为盐桥，连接两穴。

（3）将1号井穴中的铁片与微电流传感器的正电极相连，2号井穴中的铁片与微电流传感器的负极相连。

（4）微电流传感器的量程在-1～+1μA之间，而此原电池的输出电流大于3μA，为了使电流变化幅度落在量程之内，需要在电极上并接一个20Ω的电阻（图4）。

（5）连接数据采集器和电脑，静置片刻，等待电流稳定。点击调零按钮，电流归零。

（6）如图4、图5所示，用塑料滴管向井穴1鼓气，增氧。电流数值的波峰向上；停止鼓气，铁电极消耗了溶解氧，电流减小。若向2号井穴鼓气，电流迅速减小，直至波峰向下。说明吸氧腐蚀的程度与电解质溶液中的溶解氧浓度有关。

4 实验变量

4.1 电极

实验需要将铁片上的镀锌层去除干净，否则，如图6所示，得到的电流比较小。电极的形状不影响电流的极值；但是铁丝状的电极能够吸附更多的氧气，电流衰减的速度较慢（图7、图8）。

4.2 电解质溶液的体积

如图9、图10所示，向井穴中注入更多的电解质溶液，能够增大其与电极接触的面积，同时让电解质溶液在鼓气的操作中吸收更多的溶解氧，减缓电流的衰减速度。

4.3 盐桥

微型实验通常使用浸透了饱和氯化钾的海绵或者滤纸作为盐桥，连接两个半电池。如图11、图12所示，海绵盐桥吸收的氯化钾溶液较多，电池内阻更小，输出电流更大。

综上所述，本实验采用铁片做电极，3 mL饱和食盐水作为电解质溶液，润湿的海绵作为盐桥，配合使用20Ω并联电阻，能够达到较好的实验效果。

5 实验意义

本实验结合了数字实验和微型实验，具有高灵敏度、试剂用量少、操作简便的优势。实时采集并处理吸氧腐蚀过程中电流的微小变化，取得了常规实验难以获得的良好效果。数据采集器配有电导、温度、色度和特定离子浓度等诸多传感器，展示了微型实验与数字技术相结合的广阔前景，值得引起重视。

参考文献：

[1]朱石明，陈凯.钢铁吸氧腐蚀演示实验的创新设计[J].教学仪器与实验，2011，（5）：14～16.

[2]赵琦.微型电化学数字实验两则[J].教学仪器与实验，2013，（2）：31.