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第13章 关于电化学的实验操作和改进(3)

(1)按课本次序演示完铜锌原电池之后,将铜片改为碳片。这样能扩大知识面,使学生懂得不仅活动性不同的两种金属可以组成原电池,而且一种金属与非金属碳也能组成原电池。

(2)用1.5v或2.5v小电珠代替电流计,以电珠发光说明有电流通过,增强直观性。

(3)在电解液中增添去极化剂,使电珠保持明亮,增强效果。

材料

锌片、碳片(或碳棒)、塑料纱网、橡皮筋、广口瓶(或烧杯)、硫酸、重铬酸钾、导线、灯座及小电珠。

操作过程

电极的制作:

①将锌片剪成长约10厘米,宽约3厘米的长方形作为负极。

②以同样大小的碳片作正极。

③为减小内电阻,在锌片与碳片之间,夹放一层塑料纱网,这样既可使两极间距离尽可能减小,而又不致于使两电极直接相碰而发生短路,最后用橡皮筋扎紧。

④为增强实验效果,做两组电极,作串联之用。

电解液的配制:

①用量筒量取10毫升98%的浓硫酸,慢慢倒人500毫升水中,制成体积比为l:50的稀H2s04溶液。

②在稀H2s04溶液中再加入适量的重铬酸钾作去极化剂,用量多少视原电池工作时间长短而定。

(3)容器:

烧杯、广口瓶或罐头瓶都可作为原电池的容器。

(4)组装:

将扎好的两组电极分别插入两个容器中,用导线串联起来,并串接上一个2.5V、0.3A的小电珠。

(5)将配制好的电解液倒入容器中,原电池即开始工作,小电珠十分明亮。

三种易使小灯泡发光的原电池

电极的制作

(1)碳电极制作

取三根五号干电池的碳棒用去污粉洗净,再用砂纸打磨去表面的一层,再用水洗净即可。

(2)锌、铝电极的制做

取锌片,剪取6×1.5cm2两片作为两个电极;同样制做一个铝电极。

电解液的配制(1)盐酸酸化的过氧化氢溶液

取l:2的盐酸和30%的过氧化氢溶液各25毫升,混合均匀即可。

配制50毫升饱和三氯化铁溶液。

(3)高锰酸钾碱性溶液的配制

将25毫升6摩尔/升的氢氧化钾溶液与25毫升高锰酸钾饱和溶液混合均匀即可。

原电池制做

(1)将碳、锌电极分别与导线相连,然后将它们浸入饱和三氯化铁溶液中,即可制成一个原电池。

(2)将碳、锌电极分别与导线相连,然后将它们浸入酸化的过氧化氢溶液中,也可组成原电池。

(3)将铝、碳电极分别与导线相连,然后将它们浸人碱性高锰酸钾溶液中,可组成第三个原电池。

几点说明(1)以上原电池使用时,电极浸入电解液中;不用时,将电极取出洗净,将电解液倒入试剂瓶中保存。

(2)以上制做供小灯泡发光的原电池实验,可用于化学课外活动中,加深学生对原电池原理的理解,并增强学生的学习兴趣,培养探索精神。

(3)以上原电池的优点是:材料易得,电压电流都比较稳定。

氯化铜溶液电解实验的探讨

问题的提出

在以U形管作为电解池进行氯化铜溶液电解实验时,随着电解的进行,发现阴极附近亮绿色的氯化铜溶液逐渐变暗,且随着电解时间的增加,这段溶液可以变为近乎墨绿色,并与氯化铜溶液有明显的界面。与此同时还可观察到阴极碳棒上铜沉积速度很慢,量很少,电解时间的增加对铜的沉积并无多大影响。上述现象如何进行解释呢?

探讨和实验

从两个方面着手实验,试图进行解释。首先,是否可能是碳电极上的一些碳粒进入溶液,或者可能是电解生成的极细的铜粒分散在溶液中,引起了阴极区溶液颜色的变化呢?为此从U形管中吸出一些墨绿色溶液进行过滤,结果滤液仍然呈墨绿色,这就否定了上述假定。

查阅有关资料,认为这段墨绿色的阴极液中可能含有[CuCl2]-。[CuCl2]-本身是无色的,但是当[CuCl2]-中掺杂了一定量的Cu2+后,就能形成一种过渡态物质而呈现棕黄色,这种颜色与原来绿色的氯化铜溶液混和,就可能呈现出墨绿色。为了证实上述想法,根据[CuCl2]-的特殊性质——用大量水稀释时能产生白色的氯化亚铜(CuCl)沉淀,我们吸取一定量墨绿色溶液进行了如下实验:稀释20倍,静置一段时间,可观察到溶液中有白色沉淀物生成。经离心分离,得到颗粒十分细小的白色固体。为了进一步证实该固体是不是氯化亚铜,我们又做了氯化亚铜的生成实验:在试管中加入少量氯化铜晶体和铜屑,加入1~2ml浓盐酸,用小火加热,溶液转变为深棕色。将此深棕色的溶液一分为二,取一份继续加热,直至溶液接近无色,冷却后用大量水稀释,得到白色沉淀。(Cu+4Cl-+Cu2+△2[CuCl2]-,[CuCl2]-H2OCuCl↓+Cl-),取另一份与25%的氯化铜溶液混和,混和液即刻变成墨绿色,再加大量水稀释,静置,离心分离,同样也得到白色沉淀物。所出现的现象和在同样条件下用墨绿色阴极液进行实验时完全相同。可见,前面我们所得到的白色固体沉淀物确是氯化亚铜,也证实了氯化铜溶液电解时阴极液中确实有[CuCl2]-配离子存在。

那么,[CuCl2]-离子是怎样在阴极区形成的呢?

在用U形管电解25%的氯化铜溶液时,阴极上离子的放电反应有:Cu2++2e=Cu(°=+034V),Cu2++e=Cu+(°=+0176V),Cu++e=Cu(°=+052V),虽然从电极电位数值来看Cu+不稳定,在水溶液中易歧化成Cu2+和Cu,但是由于溶液存在着大量的Cl-离子,且[Cl-][Cu2+],从[CuCl2]-的稳定常数来看,反应向右进行的可能性很大(β2=10550),因此Cu++2Cl-[CuCl2]-的反应很可能和电解同时存在,故在阴极区就有[CuCl2]-配离子形成的可能。

将Cu2++2Cl-+e=[CuCl2]-,°=+0438V;[CuCl2]-+e=Cu+2Cl-,°=+0241V,与前面的电极电位数值相比较,不难看出[CuCl2]-配离子在溶液中的稳定性比Cu+大得多,故[CuCl2]-转变为Cu的能力较之于Cu+转变为Cu的能力将大大减弱,因此电解实验中随着时间的推移,阴极区的[CuCl2]-的量越来越多,电解液中的一部分Cu2+与[CuCl2]-混杂在一起,形成棕色的过渡态物质,而这棕色又与电解液的绿色混和在一起,使阴极附近出现一段墨绿色溶液。

至于金属铜为什么在阴极沉积得那么慢,那么少?主要有三个原因:从前面的讨论中可以看出,由于Cu2++2e=Cu(°=+034V),Cu2++2Cl-+e=[CuCl2]-(°=+0438V),而[CuCl2]-离子在溶液中又有相当的稳定性,故Cu2+-转化为〔CuCL2〕的倾向不小,这是其一;其二是溶液中有发生Cu2++Cu+4Cl-=2[CuCl2]-反应的可能,部分电解生成的铜又参加了上述反应,转化为[CuCl2]-;其三是随着电解的进行,[CuCl2]-逐渐增多,U型管内溶液中离子的迁移所受阻力较大,致使阴极区的溶液逐渐带上了一定量的负电荷,对离子在电极上放电生成铜产生了更大的阻碍,这样,铜的沉积当然又慢又少了。

原实验的改进:

为了避免原实验中阴极区异常现象的出现,使碳阴极上铜的沉积现象更明显,可以适当降低电解液中Cl-离子浓度和设法消除阴极区溶液的负电荷增多这两个方面着手实验的改进。

首先,对不同浓度的CuCl2溶液,采用10伏电压,在U形管中进行电解实验,实验记录如下:

CuCl2溶液浓度(%)阳极现象阴极现象开始出现现象的时间(分)2放出气泡少而细有少量铜复盖在碳棒的底部73放出气泡较多有少量铜复盖在碳棒的底部34放出气泡较多有少量铜复盖在碳棒的底部35放出气泡较多有少量铜复盖在碳棒的底部36放出气泡较多溶液中有微微深绿色出现,有铜复盖在碳棒的底部47放出气泡多溶液变深绿,有铜复盖在碳棒底部6由此可见,3%~5%的CuCl2溶液是最佳浓度的电解液。

接着选用3%的CuCl2溶液,采用不同电压,在100ml烧杯中(极间距35cm)进行实验,实验结果如下:

直流电压(V)阳极现象阴极现象开始出现现象的时间

1有气泡缓慢放出有少量铜在碳棒的底部沉积3分2有大量气泡放出铜很快覆盖了位于电解液液面下的碳棒的所有表面1分40秒4气泡放出的量更大铜很快覆盖了位于电解液液面下的碳棒的所有表面13秒可见,使用2V直流电压,3%的CuCl2溶液,采用烧杯作电解池,控制极间距在3~5cm之间,电解时间约2分钟,就能达到令人满意的实验效果。

为了达到最佳课堂演示效果,同时防止教学环境受到污染,可以将实验装置再作如下的改进:利用目前各中学实验室现成的长方形玻璃小水槽(规格为105×5×10cm,即“铜锌原电池”演示实验装置的一部分),用有机玻璃边角料或塑料板做一块活动盖板,这样既可固定极间距(一般为45cm左右),又利于阴极产物的观察和阳极气体产物的检验。

电解爆鸣实验装置

电解爆鸣装置能进行在热能、电能、充能等各项条件下的化学实验,浙江象山一中张海峰、象山教研室商汝平老师将装置简单介绍如下。

选取一只硬质玻管(200×20mm),将玻管两端用砂纸锉平(无玻管用试管截去底部代用),配上橡皮塞子,在塞子上钻三个孔,分别塞上二根5号干电池中的石墨电极和一根带有橡皮管及止水夹的细玻管,这样便制成了一个能进行多项化学实验的简易实验装置。

下面介绍一下用以上实验装置做电解爆鸣实验。

氢氯光化反应实验

①先将夹子夹住橡皮管,然后往玻璃管内注入电解液至玻璃管口,然后将锥形瓶放在玻璃管下端。

②在玻璃管口上盖上一片涂有凡士林的硬纸片,要紧贴,使之不漏气,这时松开橡皮管上的止水夹,玻璃管内的电解液不会下漏。

③马上接通电源(用干电池10V左右,低压电源6-8V)两极迅速产生大量气泡(可观察到两极产生气泡相等)。在阴极产生H2,在阳极产生Cl2,产生的氢氯气自然混和于玻璃管内,同时将管内的电解液从导管排出,不出数分钟气体就充满了整个玻管(仔细观察管内的气体颜色略显淡黄绿色,-H2Cl2的混和气体)。

④然后用夹子重新夹住橡皮管,切断电源,在玻璃管约4cm左右处点燃镁带约4cm长即可听到一声尖锐的爆鸣声,硬纸片被高地弹起冲向上空。

氢氧爆炸实验①首先用夹子夹住橡皮管,然后往玻璃管内加入稀氢氧化钠至玻璃管容量的五分之四或三分之一处。

②接通电源(干电池4-6V,或低压电源4-6V)此时两极产生大量气体、在阴极产生H2,(产生速度较快),在阳极产生O2(产生速度稍慢)。

③用一根醮有稀肥皂液的玻璃棒在电解液面上轻轻搅拌一下,由于电解而产生的H2和O2混和气体将肥皂液冲出变成很多的充满H2,O2的肥皂泡,并不断上升。

④等到肥皂泡升到玻璃管口时,用火柴点燃肥皂泡会立即听到一声清脆的爆鸣声。

实验注意事项:

电解液的配制

氢氯光化反应在理论上H2和Cl2体积比1∶1爆炸能力最强,这样通过电解饱和可溶性氯化物水溶液(例2KCl+2H2O电解H2↑+Cl2↑+2KOH)可获得1∶1氢氯混和气体。或者电解盐酸(2HCl电解H2↑+Cl2↑)也可获得1∶1氢氯混和气体,但前者电解后电解液呈碱性,有一部分生成的氯气要溶解,从而实际上氯气的体积比氢气少,使实验难以成功。后者是可以的,不过还不理想,经过多次实验采用了在饱和的可溶性氯化物中加盐酸组成的混和液作电解液,在原理上与电解盐酸一样,但其HCl挥发量较小,克服电解盐酸的不足,免补了电解饱和氯化物水解后电解液碱性的不足。可溶性氯化物可选用氯化镁、氯化钾、氯化钙,氯化钠等,在上述饱和氯化物溶液中50ml加2ml左右的浓盐酸即可。配好的电解液可连续使用数十次,再实验时可再加浓盐酸。

电解液面上所加的肥皂液不需过浓也不需要过多,一点点就可以了。

利用简易电解爆鸣实验装置进行氢氯光化反应和氢氧爆鸣实验有以下几个优点:

(1)实验装置极为简单,将气体的制备,收集,进行光化爆鸣实验都集中在一个玻璃管内进行,大大简化了实验装置,从而使装置取材容易,便于制作。

(2)利用电解产生混和气,①在混和气的比例上得到了成功的保证。

②减少空气的含量,从而使实验成功率提高。

③气体生成得以控制,减少了空气污染。

(3)操作方便实验时间短,利用此装置还可做一系列电加热实验,如甲烷的氯代反应,氨的催化氧化,电解质导电性的测定时,由于篇幅有限,不一一介绍了。

一个有趣的电解演示实验

实验步骤

(1)将15ml甲基橙指示剂加入到300ml硫酸钠的饱和溶液中,一边搅拌一边小心地逐滴加入1M醋酸,直到溶液变为橙色为止。

或把20mL溴甲酚绿指示剂加到400mL1mol·L-1Na2SO4溶液中。逐滴加入1mol·L-1CH3COOH调节溶液的pH值,边滴边搅拌,使其pH值接近45左右(可用pH试纸检验),溶液呈绿色。

(2)将上述溶液注入电解器中,同时将剩下的电解液均等地倒入两只大试管中。在电解器的背面放一张白纸作称屏。

(3)接通直流电源,控制电压在12伏以上。在两极上有气泡产生,同时两极附近电解液的颜色开始改变。在阳极区溶液呈红色,阴极区溶液变为黄色,U形管的下部为橙色。(如用溴甲基酚绿阳极为黄色,阴极为兰色U形管下部为绿色)随着电解的不断进行,两极附近溶液颜色的变化指示着溶液pH值的变化。

(4)当两极产生的氢气和氧气足检验时停止通电。阴阳两极气体的体积比为2∶1。在U形管的两尖咀处检查两极气体。在其中盛有剩余电解液的一个大试管中滴加1MH2SO4,指示剂变红,与阳极一端的溶液对照,可看到二者的颜色相同,说明阳极溶液显酸性;在另一只大试管中加入1MNaOH溶液,指示剂变黄,与阴极一端电解液对照二者也有相同的颜色,说明阴极溶液显碱性。

将电解器中的全部溶液倒入一只500ml的烧杯中,振摇,电解液又变为橙色(或绿色),指示剂又被还原成初始时的颜色,说明酸碱中和,两极得失电子数相等。

由于电解的实质是电解水,因此Na2SO4也可用其它不发生电极反应的盐类如NaNO3等代替。甲基橙指示剂也可用甲基红、等指示剂代替。

附:溴甲酚绿指示剂的配制:将01g溴甲酚绿溶于15mL001mol·L-1的NaOH溶液,然后用蒸馏水稀释到250mL。

自制水电解器

仪器装置

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