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第14章 关于电化学的实验操作和改进(4)

分液漏斗、U形管的规格分别是125毫升、18×200毫米;支管用玻璃珠或涂油钢珠控制;(1)是阴极,用30×70毫米铜箔三折(长约25厘米),再用细铜丝扎成圆筒即成;(2)是阳极,用粗保险丝砸成60×9×1毫米的三个薄片,再用旧细电炉丝(较软)穿成;(3)是截掉底的装羚羊感昌片玻璃药管。

课前准备

装好仪器。阴极用五、六根极细铜丝(从电灯花线中剥出)连接,散成单根平铺于胶塞孔内,让分液漏斗管穿过。阳极上穿过胶塞的是一根长约15厘米的玻璃管或圆竹管(跟分液漏斗管同径),胶塞以下长约8厘米。用一端接有电炉丝的导线穿过细管,接头拉入管内,下口用熔化松香封固。下接阳极(如无电炉丝,可用涂过沥青、凡士林或松香的酒精溶液的铜线代之)。

气密性检查后,注入10%-15%的硫酸溶液,至内部气体排净为止。外接低压电源(或学生电源)用额定6安培、24伏到18伏直流电试作。50-80秒后,氢气约高11厘米(此处和另一管55毫米处各套一橡皮筋作标记)。其目的一则全面检查装置质量;二则使氧气溶解达到饱和,下次实验中不再溶解。

课堂演示

课前几分钟,将仪器内气体排净。演示时打开电源,两个电极迅速产生大量气泡。氢气达到标记处,停止通电。氧气接近标记处(约差02-03毫米),放出氧气(约8毫升),能使带有火星的火柴梗复燃。点燃氢气,开始有小爆鸣声,继而产生火焰。

注意事项

两个电极下端应略高于U形管下弯的上缘。偏上不利于导电;偏下产生的气体可能相混。

胶塞下缘应和支管上缘相平。偏上,管内气体排不净;偏下,会堵塞气孔。胶塞稍大,可用细砂纸(粒度60或更细)磨细。

电解水实验方法的探讨

中学化学教材中,为了研究水的组成,采用电解的实验方法展开讨论。但该实验的问题一是所生成氢气、氧气的体积比难以达到2∶1,且氧气体积往往小于理论值。二是由于条件控制不好,整个电解过程时间太长。以往虽有不少改进办法,但一般都是从化学因素考虑得较多。我们知道电解水的实验是一个复杂的物理、化学变化,而影响因素又很多,条件比较难于摸清。杭州教育学院陈国建老师认为:一个成功的实验和装置要达到以下几个方面的指标:

(1)生产的氢气、氧气体积比为2∶1;(2)电极材料应是容易得到、价廉;(3)整个电解过程时间不宜太长;(4)装置简单,操作容易。

故杭州教育学院陈国建老师从以上要求分别作了一系列实验,对该实验进行了探讨。

电解液、电极材料的选择

(1)电解液的选择

为了增加水的导电性,往往在水中加一些电解质,以缩短实验时间。表二是用20%H2SO4溶液、10%NaOH溶液作电解质和采用几种不同电极材料的条件下电解时产生氢气、氧气体积比的情况。

用20%H2SO4作电解液时,氧气体积明显偏小,主要原因是(1)阳极区副反应较多,生成H2O2、O3等物质;(2)非铂电极在酸性条件下,极易发生氧化反应(铅电极除外),(3)O2的溶解度较H2大,这里(1)(2)是主要原因。而用10%NaOH作电解液时,情况有所改观,铂、镍、铁、铅等作电极时产生的氢气氧气体积比都接近2∶1。因此NaOH溶液较适合作电解水的溶液,浓度以10~20%为好。用铅作电极时,在H2SO4溶液中电解,其结果也令人满意,H2SO4浓度以20~30%为好。选择合适的浓度才能有较快的反应速度(见表一)。至于其它溶液,可能会产生较为复杂的副反应,故一般不作电解水的溶液。

(2)电极材料的选择

表二列出了H2SO4的溶液、NaOH溶液和不同电极材料的电解水实验结果。

以NaOH溶液作为电解液时,有铂、镍、铁、铅作电极材料能够满足要求。铁、镍、铅电极虽不是惰性电极,但它们是耐碱性腐蚀的金属,这些金属及其氧化物均不溶于NaOH溶液,故显示出较好的惰性。

铅在H2SO4溶液中的表现与铂电极相当,这是由于铅电极不与H2SO4溶液反应的缘故。

铜是一种两性金属在强碱性条件下电解时能与氧气反应,故在阳极区可见蓝色的CuO生成。在H2SO4溶液中,铜阳极极易被氧化腐蚀,故在阳极区可见蓝色的水合Cu2+生成。这是由于铜的电极电位较小的缘故。

石墨阳极不论在H2SO4或NaOH溶液中,都易与氧气反应,所以石墨不能作电解水的电极。

电源的选择

提起电解水时的电源问题,对电压讨论较多。事实上电压高低并不能决定电解反应速度。法拉第定律告诉我们:电极上发生化学变化的物质的质量,与通过的电量(Q)成正比。故电解速度与ΔQΔt成正比(与单位时间内通过的电量成正比),即与电流I成正比(I=ΔQΔt),故可得出结论电解速度与电流成正比。实验结果也正是如此。若要提高电解速度需提高电流I。

根据欧姆定律:I=εR+1,要增大电流可采取的措施是:

(1)增大电动势ε(可近似看成电源电压);(2)减少电路中的外电阻R;①选择合适的电解液的浓度(参考表一);②缩短两电极的距离(改变电解装置);③增加电极的表面积。

这里选择合适的电解液效果最为明显,其次是增加电极的表面积。

(3)选用内阻小的电源(即r要小);内阻是电源的固有特性。一般可选用蓄电池,标称电流大的直流电源器等内阻小的电源。干电池、学生用直流电源器因内阻较大,作电解电源时反应速度较慢。

故选择合适的电源是决定反应速度的关键之一。

电解水实验的最佳条件和装置的探讨

通过以上对电解水条件的讨论笔者认为最佳搭配是:电极选用廉价的铁丝,电解液选择10%NaOH溶液,或电极选用铅(铅合金),电解液选择20%H2SO4溶液;电源要选择内阻小的电源,如蓄电池或功率大的电源变换器。

电解水的装置,教材中用的是霍夫曼电解器,但装置较笨重。现根据笔者多年的实验教学经验,设计了一套简易实用的电解水装置,对酸液,碱液电解都适用。如左下图收集管可用废滴定管改制,从滴定管中割取8~12cm的一段,下端用喷灯加热,使管口受热微微向里收口成直径为06cm的圆孔,管的上端配上一橡皮塞,橡皮塞上穿一镀镍铁丝。收集管做两支备用。实验时把两支收集管管底向上,用滴管将10%NaOH溶液加满。由于收集管管底小孔很小,所以收集管翻过来,溶液不会流出来,并插入盛有10%NaOH溶液的小烧杯中,然后通上直流电,片刻氢气就集满了(在一安培的电流作用下,收集一管氢气和半管氧气约需一分钟)。

检验时将收集管倒过来,用明火点氢气可听“噗”的一声,用带火星的木条去检验氧气,木条可复燃。整个实验过程中,手不会接触到溶液。

表一18℃时H2SO4,NaOH的比电导(欧-1米-1)浓度(重量百分数)H2SO4NsOH52085-103915309320652732843073882074不同电解液和不同电极电解结果电极材料氢气、氧气体积比20%H2SO410%NaOH铂2∶0932∶10镍-2∶10铁-2∶10铅2∶0972∶10铜氢气正常、氧气几乎没有2∶093石墨(电池芯)2∶0522∶060镀镍铁丝-2∶10电解水演示实验的改进

广西南宁南丹大厂教培中学蓝毓清老师设计是:

首先,在一橡皮胶塞上装有直通管、吹泡管和铜电极。吹泡管的球形内盛放固体干燥剂,球形下方的导管内垫上棉花或玻璃丝,以固定干燥剂。将小试管的底部凿通即得直通管。直通管内的铜电极下端需卷成圈,以便固定。吹泡管可用球形干燥管为原料加工而成。

然后,大广口瓶中注入2%的NaOH溶液,用带有直通管、吹泡管、铜电极的橡皮胶塞塞住瓶口,注意不能漏气。接通直流电源,电极上有气泡冒出。用带有余烬的木条伸进直通管中,木条越烧越旺,证明放出的气体是O2。用滴管将洗衣粉溶液滴入吹泡管的上部宽咀口,气泡由小到大,以致上飘,并连续不断,证明放出的气体是H2。

该实验经改进后,操作较简便,现象较明显,趣味盎然。

电解硫酸铜溶液实验的改进

电解硫酸铜溶液的实验装置

1-铁架台2-烧瓶夹3-A侧具支U形管4-石墨电极5-导气胶管6-试管7-水槽C-CuSO2D-木块实验步骤

山东冶金学校安建国老师介绍:

(1)固定好实验仪器(2)用带电极的胶塞,将A侧管口塞紧,胶塞底面与支管上沿相平(或略低于支管上沿)。

(3)从B侧管口装入硫酸铜溶液,使整个U形管及导气管中充满硫酸铜溶液,用止水夹夹住导气管末端,再用带电极的胶塞塞紧管口。

(4)将收集氧气的试管装满水,倒立在盛有水的水槽中。将导气管插入水中,取下止水夹,使导气管末端伸入试管中。

(5)接通直流电源进行电解,观察记录实验现象。

实验现象

随着电解的进行,发生如下现象:

(1)阴极上有红色物质生成,可证明此红色物质是金属铜。

(2)阳极上有无色气体放出,收集该气体并进行检验,证明是氧气。

(3)石墨阳极脱落(4)阳极区温度升高,阴极区温度几乎不变(5)硫酸铜溶液颜色逐渐变浅(6)电解池内液面不断下降(7)阴极区溶液的酸度增大实验注意事项

(1)电解硫酸铜溶液,产生的气体较少,直接在电极上方检验,现象很不明显,故应将气体收集后,再检验。

(2)为了收集到阳极产生的纯的气体,应事先排净导气管中的空气。要做到:A侧管口胶塞底面与支管口上沿相平或略低;电解前,导气胶管中的空气,应借助从B管倒入的硫酸铜溶液排出。

(3)为使电解过程中,产生的气体顺利地排出导气管中的硫酸铜溶液,收集于倒立的试管中,B侧管中应用胶塞塞紧。

(4)为较快地收集到所需量的气体,在实验条件允许的情况下,应尽量选用较短且直径较小的导气胶管。

问题讨论

①石墨阳极在电解过程中脱落,是由于氧化腐蚀的结果。

由于生成的氧气附着在石墨阳极上,形成了气膜,增加了电极与溶液间的电阻,在电流一定时,由Q=I2Rt可知,由于电阻的增加,导致了发热量的增加,故随着电解的进行,氧气的产生,阳极区温度升高。

由于阴极上铜的生成,改善了电极与溶液间的导电性能,并没有引起阴极区温度的变化。

电解过程中,最初产生的氧气是随着在电极上的,当气膜内氧气压力大到足以克服其附着在石墨阳极上的表面张力时,便脱离电极,逸出液面,使电极与溶液的接触趋于良好,电解反应继续进行。

②电解铜的析出,使溶液中铜离子浓度减小,故溶液颜色变浅。由于氢氧根离子不断放电,生成氧气,破坏了水的电离平衡,促使水继续电离,致使阴极区氢离子浓度增加,因而阴极区溶液酸度增加。同时,由于水的电离,使水不断消耗,加上氧气逸出时,可能带有水汽,故U形管内液面,在电解过程中缓缓下降,在此值得一提的是,铜的析出造成的铜离子浓度降低,与水的消耗导致的铜离子浓度的相对增加,前者是主要的,故随着电解的进行,硫酸铜溶液颜色变浅。

刷镀实验改进

刷镀,是电镀的一种,亦称局部电镀,无槽电镀。它是近几十年来发展起来的一种新工艺,用于机械零、部件的局部维修,也用于对高精度产品加工尺寸超差的弥补。近几年来,人们还应用它涂饰一些精巧的工艺品。

选做该实验,目的在于培养学生的动手能力,启发思维和培养应用意识。河南洛阳师范专科学校杜巧云老师设计的做法是:

仪器及试剂

直流稳压电源一台;抛、擦光机一台;分液漏斗一个;破管三支;烧杯500cm3二个;纯Cu片、纯Zn片各1片;废1号电池一节;乳胶管(70-80cm)三根;涤纶布、脱脂棉适量;导线、待镀物件。

试剂见参考配方,或根据学生需要而定。

阳极镀笔的制作

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