浓度对氯离子效应影响的实验探究

苏劭钧 叶永谦

摘要： 氯离子存在使某些化学反应速率加快的效应为氯离子效应，以锌与稀硫酸反应为对象，定量研究氯离子浓度对该反应氯离子效应的影响。得出在0～2.50mol/L的氯离子浓度范围内，氯离子浓度每增加0.50mol/L，锌与稀硫酸反应速率增加约0.16mL/s；大于3.00mol/L的氯离子浓度条件下，反应速率呈下降趋势的结论。并就该结论在减缓钢筋混凝土腐蚀的应用上提出设想。问题的提出、方案的设计、研究的过程、结论及应用有利于培育学生较高水平层次的化学学科核心素养。

关键词： 氯离子效应； 浓度； 实验探究

文章编号： 10056629（2018）9009503 中图分类号： G633.8 文献标识码： B

1 问题的提出

日常生活中有一个有趣的现象： 炒完菜后铝锅内的盐巴未洗净，铝锅就很容易生锈。按照高中化学教材所述，该现象似乎不合常理。铝与空气中的氧气反应生成致密的氧化膜并牢固地覆盖在铝表面，阻止了内部的铝与空气接触，从而防止铝进一步氧化[1]。但教材中也提出氯化钠溶液中的氯离子会破坏氧化膜的结构，加速铝制品的腐蚀[2]。关于氯离子的这种效应，王程杰教授在“关注氯离子效应在中学化学实验中的应用”[3]一文中从金属相表面发生置换反应时的氯离子效应等八个实验，详细介绍了氯离子效应在中学化学实验中的应用，并就氯离子效应产生的原因进行深入探讨。归纳起来，可以认为氯离子效应主要是加快了某些化学反应的速率，该效应的存在是影响化学反应速率的因素之一。而影响化学反应速率的常见外界因素有浓度、温度、压强和催化剂等[4]，那么，氯离子浓度的变化对于氯离子效应是否存在影响呢？为了定量探究该影响是否存在及影响的程度，必须设计相关实验进行验证。

2 药品和仪器的选择

为了定量探究浓度对氯离子效应的影响，必须选择一个具体的化学反应作为研究对象。该反应宜为中学常见反应，且反应速率易于测量。为此，选择锌片与稀硫酸反应作为研究对象，通过改变氯离子浓度，测量单位时间内产生氢气的体积，定量比较浓度影响的结果。

用于测量该反应速率的仪器可以选用镰刀形量气装置（图1），该装置由镰刀形气体发生器、三角漏斗等组成，可以较为精确测量气体生成速率[5]。但该仪器在使用中常出现发生器与三角漏斗接触不够紧密导致气密性不好、镰刀形导气管容易断裂、精确度还需再提高等问题。为了确保实验成功，并提高数据的精确度，对镰刀形气体发生装置进行三处改进： 一是保留下端双节管部分；二是增加碱式滴定管，将三角漏斗设计在碱式滴定管的上方；三是将导气管与碱式滴定管下端组合并设计成磨口玻璃塞。重新设计后，将双节管气体发生器和碱式滴定管组合后装置图如图2。使用该装置时，将锌片放在双节管的上节管，关闭排液活塞，打开导气活塞，往碱式滴定管上方三角漏斗中加入稀硫酸至充满双节管，关闭导气活塞。反应开始后，生成的氢气将液体压入碱式滴定管，记录液面高度及所用时间即可精确测量氢气生成速率。

3 方案的设计

要探究浓度对氯离子效应的影响，应以氯离子浓度为单一自变量，测量反应速率与氯离子浓度的关系。每组实验选用长2cm、宽1cm、厚0.2cm的锌片各6片，选用常温下密度为1.20g/mL的稀硫酸与锌片反应。稀硫酸配制8组，每组均100.00mL（滴入2滴甲基橙用于显色），编号A的稀硫酸不加氯化钠，作为空白组进行对比。从编号B开始至编号H，以0.05mol为递增标准，分别加入氯化钠0.05mol、 0.10mol、 0.15mol、 0.20mol、 0.25mol、 0.30mol、 0.35mol進行充分溶解，然后使用以上改进后的装置测量产生氢气的速率，并进行记录。

4 实验的过程

按照以上方案，使用电子秤分别称取对应质量的氯化钠溶解于100.00毫升稀硫酸中。此时发现H组氯化钠无法完全溶解，已经达到饱和状态，因此H组的数据只能作为参考。

待药品都准备好后，将仪器按图2装置图装配起来，检验其气密性良好后，将6片锌片平放入双节管发生器的上节管中，插入碱式滴定管，固定在铁架台上。关闭排液活塞，打开导气活塞，从碱式滴定管上方三角漏斗加入稀硫酸至充满双节管，关闭导气活塞。反应开始后，锌片表面有无色气泡冒出，一段时间后，碱式滴定管中液面上升。反应即将结束的一段时间锌片逐渐与硫酸脱离，此时的反应速率不但与浓度有关，还与锌片和硫酸的接触面积有关。为了确保只是浓度引起的速率变化，记录液面上升到37.00mL刻度的时刻及记录液面上升到5.00mL的时刻。使用摄像机拍摄每个实验过程，再使用视频编辑软件（如“爱编辑”软件）找出以上两个液面所对应的时刻，可以读数到0.001秒。每做完一组实验后，清洗仪器，换用新的相同数量和规格的锌片，再重复以上操作过程。

5 实验的结果

按照以上方法做完八组实验，记录液面从37.00mL上升到5.00mL的时间，再将32.00mL氢气体积除以所用时间（秒），即可求出产生氢气的速率。具体数据结果见表1，其数据转化为折线图，如图3所示。

从图3的变化趋势可以得出以下结论：

（1） 加入氯离子可以明显加快锌与稀硫酸反应速率： 氯离子浓度从0.0mol/L增加到0.5mol/L，其速率从0.64mL/s加快到1.36mL/s，速率加快超过两倍。

（2） 氯离子浓度越大反应速率有越快的趋势： 氯离子浓度从0.5mol/L增加到3.0mol/L，其速率从1.36mL/s加快到2.70mL/s，速率加快接近两倍。

（3） 氯离子浓度达到饱和对于反应速率的影响并非最大： 氯离子达到饱和浓度后，反应速率反而从2.70mL/s降为2.36mL/s。

结合表1和图3的数据可以看出，如果在氯离子浓度较小的范围内探究浓度的影响，氯离子效应随着浓度的升高而增大。如果氯离子浓度从0.5mol/L开始算起至2.5mol/L，甚至可以用一个y=0.32x的函数表示浓度对氯离子效应的影响（其中y表示氢气的生成速率，单位为mL/s；x表示氯离子的浓度，单位为mol/L）。以上结果说明浓度对氯离子效应的影响是存在的，而且是有一定规律的。

6 结论的应用

氯离子效应虽然可以加快某些化学反应的速率，但也给金属的腐蚀带来严重的后果。特别是在建筑行业，随着混凝土的广泛应用，其耐久性问题受到越来越多的关注。钢筋混凝土腐蚀是引起混凝土耐久性破坏的重要因素，而氯离子的侵入是造成钢筋混凝土腐蚀的主要原因之一[6]，如何提高混凝土本身抗氯离子渗透性能是解决问题的关键[7]。

根据以上研究结论，氯离子浓度越大，其效应一般越明显，但当氯离子达到一定浓度后，其效应反而下降。该结论与朱红光等在“氯盐浓度对混凝土中氯离子渗透的影响规律”研究结果相符。朱红光等认为： 氯盐浓度对氯离子渗透系数的影响存在峰值，在一定浓度范围内可用上凸型二次多项式来表示；对混凝土耐久性破坏最严重的危险氯盐浓度范围为4.0%～6.0%；当氯盐浓度大于9.0%时，混凝土中的氯离子渗透系数反而保持在较低水平[8]。因此，通过定量研究氯离子浓度对氯离子效应影响的结论，可以为减缓钢筋混凝土的腐蚀找到研究方向，一般可以从降低氯离子浓度的角度寻找相应工艺。但是，如果氯离子浓度已达峰值，则可以通过提高氯离子浓度的方法降低氯离子效应。

以上研究的目的不是单纯为了研究，更是通过在教学中的有效运用培养学生的化学学科核心素养。朱玉军等认为： 教育的本质和根本目的不在于事实性知识的传授，而在于播撒知识、道德和信仰的种子，在于培养学生的独立思考能力、独立判断能力、独立行为能力[9]。研究过程中涉及的三次理论和实践的冲突是培养学生“变化观念与平衡思想”、“科学态度与社会责任”核心素养的有效载体： 一是教材中“铝由于氧化物保护膜的存在而稳定性很强”的陈述和生活中“铝锅因盐巴的存在容易生锈”的事实之间发生的冲突；二是教材中“增大浓度能提高反应速率”的结论和文献中“氯离子效应能加快某些反应速率”的事实是否存在一致性的冲突；三是教材中“增大浓度能提高反应速率”的结论与研究获得的“氯离子浓度达到饱和反应速率降低”的事实的冲突。以上三次冲突的提出及解决过程有利于引导学生不拘泥于教材，鼓勵他们“从不同视角认识化学变化的多样性”，从而培养其高层次的素养。此外，研究中的仪器的改进、方案的设计特别是控制变量法的应用，以及研究结论在减缓钢筋混凝土腐蚀中的设想，都可以成为培养学生高水平学科核心素养的典型案例。

参考文献：

[1][2]王祖浩主编. 普通高中课程标准实验教科书·化学1[M]. 南京： 江苏教育出版社， 2009： 67～69.

[3]王程杰. 关注氯离子效应在中学化学实验中的应用[J]. 化学教学， 2015，（11）： 53～58.

[4]王祖浩主编. 普通高中课程标准实验教科书·化学反应原理[M]. 南京： 江苏教育出版社， 2009： 35～39.

[5]李崇颉， 叶永谦等. 镰刀形量气装置及其在测量气体生成速率实验中的应用[J]. 化学教学， 2017，（2）： 58～60.

[6]冯庆革. 李浩璇. 中国硅酸盐学会水泥分会第四届学术年会论文摘要集[C]. 2012： 48～49.

[7]黄会明. 矿粉和粉煤灰对混凝土抗氯离子渗透性能的影响[J]. 混凝土世界， 2014，（5）： 62～66.

[8]朱红光等. 氯盐浓度对混凝土中氯离子渗透的影响规律[J]. 建筑材料学报， 2016，（4）： 725～729.

[9]朱玉军，王香风. 科学核心观念的内涵及其教育价值分析[J]. 化学教学， 2017，（8）： 10～14.