淺析電解飽與食鹽水實(shí)驗(yàn)的創(chuàng)新理念
影響電解飽和食鹽水速率條件是什么呢?下面來分析電解飽與食鹽水實(shí)驗(yàn)的創(chuàng)新理念。
1、問題提出
普通高中課程標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)教科書化學(xué)1的第40頁中有如圖1所示的電解飽和食鹽水實(shí)驗(yàn)。
該實(shí)驗(yàn)裝置具有能有效收集氣體、檢驗(yàn)氣體時(shí)易操作等優(yōu)點(diǎn),但其還是未能有效解決下列問題:①陰極產(chǎn)生H2量少,進(jìn)行點(diǎn)燃或爆鳴實(shí)驗(yàn)比較困難;②驗(yàn)證氯氣時(shí),Cl2容易逃逸到空氣中而污染環(huán)境。
筆者認(rèn)為:電解速率不快,H2量少可能是由兩方面的原因造成的,第一,在u型管中電解飽和食鹽水時(shí),離子在陰陽兩極間的遷移距離過長(zhǎng),電阻大。同樣的電壓下,功率消耗大,氣體生成量少;第二,陰極鐵棒浸入溶液部分太短,表面積小,不利于氫氣的產(chǎn)生;第三,在檢驗(yàn)Cl2性質(zhì)時(shí)難以杜絕其泄漏,若用其他裝置收集并吸收尾氣,則實(shí)驗(yàn)步驟加多。
2、電解飽和食鹽水實(shí)驗(yàn)的改進(jìn)
基于以上分析,電解飽和食鹽水實(shí)驗(yàn)的改進(jìn)思路為:①陰極和陽極盡可能靠近,以縮短離子遷移的距離,提高電解的速率;②將電解產(chǎn)生的氯氣和氫氣封閉在電解器中,便于收集、教學(xué)和減少污染。
2.1 實(shí)驗(yàn)儀器、藥品及其裝置簡(jiǎn)介
儀器:學(xué)生直流電源(1套)、碳棒2根(帶橡膠塞,125×7 mm)、15×150 mL試管2根(先在底部打出小孔,D≈3 mm,這是非常關(guān)鍵的設(shè)計(jì))、大燒杯(1個(gè))、自制固定片、洗瓶、火柴、導(dǎo)線若干等。
藥品:飽和食鹽水、酚酞試劑、淀粉碘化鉀試紙、蒸餾水。
試管底部的小孔用酒精噴燈將其底部加熱至紅熱后用鐵釘戳制而成,由于此時(shí)的小孔不規(guī)則,需在酒精噴燈上加熱使其孔徑趨于規(guī)則,制得的孔徑大概在3 mm左右(實(shí)驗(yàn)過程中使用的是15~150 mL試管,3mm的孔徑大小效果較好,固定片是一塊面積略大于燒杯的塑料片,上面的圓孔制作是先對(duì)照試管的直徑畫出其圓孔的大小,再用刻刀沿著畫出的圓孔線(適當(dāng)縮小)刻出圓孔。由于塑料有—定的形變,當(dāng)把試管插入小孔的時(shí)候,即可固定試管,再根據(jù)固定片大小最后依次刻出其他圓孔。
2.2 實(shí)驗(yàn)步驟和現(xiàn)象
2.2.1 組裝實(shí)驗(yàn)儀器
按照?qǐng)D2安裝實(shí)驗(yàn)裝置。安裝過程中應(yīng)注意:要先在底部有孔的小試管加入飽和食鹽水,可以從小孔加入直至完全趕走空氣,然后在兩支試管中加入幾滴酚酞;再將兩支試管置于燒杯中的飽和食鹽水中。
2.2.2 接通電源,開始電解
接通電源,控制電壓在28 V左右,可以觀察到陰陽兩極同時(shí)產(chǎn)生氣體。陰極產(chǎn)生大量小氣泡(H2),試管內(nèi)液體逐漸被排出試管,同時(shí)無色液體逐漸變成紅色,可證明陰極產(chǎn)生NaOH;陽極也有大量小氣泡(Cl2)生成,但試管內(nèi)的液體被排出的速率不及陰極處試管快。 2.2.3 關(guān)閉電源,觀察氣體
當(dāng)陰極試管中的液體被完全(大部分)排出時(shí)停止電解(建議保留一部分液體,便于觀察現(xiàn)象和驗(yàn)證氣體),此時(shí)陽極試管中大部分是氣體,可看到略帶黃綠色。將小試管從固定片中拿出來,讓學(xué)生觀察。由于空氣壓力的作用,試管中殘留的液體不會(huì)滴下來,收集的氣體也不會(huì)逃逸。
2.2.4 驗(yàn)證生成的氣體
(1)檢驗(yàn)氫氣。先點(diǎn)燃酒精燈,用手指堵住試管的小孔,試管口靠近酒精燈或點(diǎn)燃的火柴,可聽見響亮的爆鳴聲,可證明該氣體是H2。
(2)檢驗(yàn)氯氣。同樣用手指堵住小孔,試管靠近潤(rùn)濕淀粉Kl試紙,放開堵孔的手指,濕潤(rùn)的淀粉Kl試紙馬上變深藍(lán)色或紫色,可證明該氣體是Cl2。可用手扇聞氣體,嗅到刺激性氣味。
2.3 對(duì)影響電解飽和食鹽水速率條件的探究
本研究假設(shè),在新的實(shí)驗(yàn)裝置中影響電解飽和食鹽水速率的條件有電壓高低和電極間距等。筆者在實(shí)驗(yàn)中針對(duì)這兩個(gè)問題進(jìn)行了探索,其實(shí)驗(yàn)結(jié)果如下:
根據(jù)圖3所示,不難得到結(jié)論:在電解電壓保持不變的情況下,電解時(shí)間會(huì)隨著兩電極間的距離變化而變化,表現(xiàn)為當(dāng)增大兩電極間的距離時(shí),需要的電解時(shí)間增大,電解速率變慢。在其他條件不變的情況下,改變電解電壓時(shí),會(huì)發(fā)現(xiàn)電壓與電解時(shí)間呈線性關(guān)系,并且隨著電壓的上升,電解所需要的時(shí)間減少,電解速率變快。這就為通過以改變電源電壓的方式來提高電解效率提供了一定的理論依據(jù),然而,由于實(shí)驗(yàn)中提供的直流電源具有一定額定電壓,不可能無限制的改變電解電壓,所以通過以改變電極間距離的方式來提高電解效率仍然具有—定應(yīng)用價(jià)值。
3、新電解裝置的運(yùn)用
3.1 電解水實(shí)驗(yàn)
用上述電解飽和食鹽水裝置完成電解水實(shí)驗(yàn),同樣取得成功。實(shí)驗(yàn)所得氣體生成物收集在底部有孔的小試管中。由于可燃性氣體的爆炸都存在一個(gè)爆炸極限,而實(shí)驗(yàn)所得的H2是純凈的,所以爆鳴需要混入一定量空氣。可以讓集滿氫氣的小試管小孔朝上暴露在空氣中,然后再點(diǎn)燃。
3.2 電解CuCl2溶液的實(shí)驗(yàn)
在電解CuCl2溶液時(shí),可以發(fā)現(xiàn)陰極區(qū)有銅生成,溶液由藍(lán)色變成黃綠色,而陽極區(qū)產(chǎn)生氣體,溶液的藍(lán)色變淺,且微微透出綠色。如果使用傳統(tǒng)裝置進(jìn)行實(shí)驗(yàn),無法讓學(xué)生觀察到上述現(xiàn)象,但是改進(jìn)裝置卻能進(jìn)行直觀教學(xué)一一可將小試管直接從固定片中拿出來供學(xué)生觀察,不必?fù)?dān)心氯氣泄露。
4、本改進(jìn)實(shí)驗(yàn)裝置優(yōu)點(diǎn)
(1)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象明顯�？梢詫⑿≡嚬軓墓潭ㄆ心贸鰜�,供學(xué)生直接觀察,不必?fù)?dān)心氣體逃逸。
(2)收集氫氣的速率陜、量多。通過實(shí)驗(yàn)找到了電解飽和食鹽水的最佳條件:室溫,電壓為28 V,兩電極間距離為69.1 mm。
(3)體現(xiàn)綠色化學(xué)的理念。實(shí)驗(yàn)過程中,氯氣沒有泄露,實(shí)現(xiàn)零污染。
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