数字化传感器探究镁铝碱性原电池的新发现

徐江锋 王金刚

摘要：利用数字化传感器测得以镁、铝为电极，NaOH溶液作为电解质溶液构成的原电池，在放电过程中电流方向会发生改变，即电极正负极反转。结合镁、铝在碱性溶液中的性质及电极电势，得出镁电极初始为负极，后转为正极的原因是放电过程中镁电极发生钝化引起的。同时，研究表明，镁作负极、铝作正极时，碱性越强，产生的电流强度越小;铝作负极、镁作正极时.碱性越强，产生的电流强度越大。

关键词：数字化实验;镁电极;极性反转

文章编号：1008-0546（2020）06-0093-03 中图分类号：G632.41 文献标识码：B

doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2020.06.025

一、问题的提出

以镁、铝为电极，NaOH溶液作为电解质溶液构成的原电池，谁为负极？有的同学依据“相对活泼金属作为负极，相对不活泼的金属作为正极”的规律，认为在NaOH溶液中，镁作原电池的负极，铝作原电池的正极;有的同学依据“构成原电池的条件之一是自发的氧化还原反应”，认为在NaOH溶液中，铝作原电池的负极，镁作原电池的正极。两者得出的结论是矛盾的。本节课就围绕这个问题利用数字化传感器展开实验探究，揭开其庐山真面目。同时，也探究了不同浓度NaOH溶液对该原电池的影响。

二、实验内容

1.实验仪器与药品

仪器：烧杯、导线若干、盐桥、苏威尔数字化系统、数据采集器、多量程电流传感器、微电流传感器、电脑等

药品：镁条、铝条、砂纸、1.0mol/L盐酸、不同浓度（0.50mol/L、0.75mol/L、1.0mol/L、1.5mol/L、2.0mol/L）NaOH溶液等

2.实验过程

（1）琼脂一饱和KCl盐桥的制作

烧杯中加入4g琼脂和97mL蒸馏水，在水浴上加热至完全溶解。然后加入30g KCl充分搅拌，KCl完全溶解后趁热用滴管或虹吸将此溶液加入已事先弯好的玻璃管中，静置待琼脂凝结后便可使用。

（2）组装数字化实验装置并测定原电池电流

按图1所示连接好多量程电流传感器、数据采集器及电脑，打开苏威尔数字化系统软件，设定好相关参数，校准电流传感器为“0”。在两个烧杯中加入等量的1.0mol/L NaOH溶液，并将盐桥伸入溶液中固定。取一张砂纸打磨铝条，用另一张砂纸打磨镁条（避免因同一张砂纸打磨镁条和铝条而在电极表面形成微电池，干扰实验测定），将打磨好的Mg、A1电极分别与电流传感器的红、黑鳄鱼夹相连。点击“开始”按钮，待电流稳定后，将电极伸人NaOH溶液中，記录数据。用蒸馏水作为电解质溶液，重复上述实验流程，作为对照。

（3）探究不同浓度NaOH溶液对原电池的影响

分别用0.50mol/L、0.75mol/L、1.5mol/L和2.0mol/L的NaOH溶液作为电解质溶液，重复上述实验流程，记录相关数据。

三、结果讨论

1.电流变化的解释

如图2所示，当Mg、Al电极伸入到NaOH溶液时，起始阶段电流为负值，且迅速增大至475uA;随后电流逐渐减小至0，并转为正值，且迅速增大至227uA;最后阶段电流又有所降低至恒定。

查阅大学无机化学教材，Mg、Al在1.0mol/L NaOH溶液中的电极电势分别为：

即在碱性介质中，Mg的电极电势低于Al的电极电势，故起始阶段Mg作负极，发生的电极反应为：Mg（OH）₂+2e-=Mg+20H-;A1电极作为正极，在NaOH溶液中可能得电子的微粒为溶解氧或H₂O，查阅大学无机化学教材，其在1.0mol/L NaOH溶液中的电极电势分别为：

为了进一步验证上述分析结论，用蒸馏水作为电解质溶液进行对比实验。由图3可知，电流为负值，即说明Mg作负极，Al作正极，与上述结论一致。

正是因为这些析出的气体会以气泡形式吸附于电极表面，从而造成电极活性面积减少、电极表面电位和电流密度的微观分布不均，产生电极极化。电极表面吸附的气泡较多时会在电极表面形成气膜，造成电极钝化失活。电极表面析出的气体也会以气泡形式分散于电解液中，使电解液成为气液混合体系，导致实际的导电率下降。因此，在后阶段电流会逐渐减小至恒定。

2.不同浓度NaOH溶液对原电池影响的解释

如图5所示，镁铝在不同浓度NaOH溶液中构成原电池产生的电流变化趋势与上述分析一致。将图5中a、b区域局部放大后得到如图6（a）、（b）所示图像。从图6（a）可知，氢氧化钠浓度越大，Mg作负极、Al作正极时电流越小;从图6（b）可知，氢氧化钠浓度越大，Al作负极、Mg作正极时电流越大。

当Mg作负极时，电极上发生的反应为：

由此可知，氢氧化钠浓度越大，Mg在碱性介质中的电极电势越小。但是，由于生成的Mg（OH）₂紧密覆流随氢氧化钠浓度增大而增大。

四、结论

（3）不同浓度的NaOH溶液对电池工作的初期和中后期的影响不同。实验数据表明：反应初期，c（OH-）盖在Mg电极表面，使Mg电极表面钝化，导致Mg的电极电势增大。氢氧化钠浓度越大，Mg电极越易发生钝化，电流就越小。

当Al作负极时，电极上发生的反应为：

由此可知，氢氧化钠浓度越大，Al在碱性介质中的电极电势越小，因此，Al作负极时原电池产生的电越大，Mg表面越易钝化，导致电流越小;反应中后期，c（OH-）越大，有利于降低Al的电极电势，导致电流越大。