電解氯化銅溶液實驗教學(xué)的探究

鄭曉影 徐森林

（泰州市第二中學(xué) 江蘇泰州 225300）

電解CuCl2溶液的實驗，在現(xiàn)行人教版的教材上只提及了簡單的實驗步驟和現(xiàn)象，對具體的如何進行實驗操作則沒有作明確的說明。而對“電解原理的重要應(yīng)用”中的電解精煉銅和電鍍原理等知識，在現(xiàn)行教材也只花了很少的篇幅來講解，并且相關(guān)的實驗很少，這給學(xué)生理解電解的原理增加了較大的難度。為此，我們對電解CuCl2溶液實驗裝置作了一定的改進，并將實驗的內(nèi)容進行必要的延伸和拓展，取得了較好的教學(xué)效果，對化學(xué)實驗課的有效教學(xué)具有一定的參考價值。

下面，將我們關(guān)于電解氯化銅溶液實驗教學(xué)的探究過程作一個簡述。

1．電解CuCl2溶液

實驗材料：0.8mol/L CuCl2溶液、淀粉碘化鉀試紙、U形管、石墨電極、導(dǎo)線、直流電源、燒杯、玻璃棒、鐵架臺、鐵夾。

實驗過程：

將0.8 mol/L CuCl2溶液轉(zhuǎn)移到U形管中，充滿U形管的2/3容積，使兩臂管上面各空2cm左右。將U形管固定在鐵架臺的鐵夾上。將兩支石墨電極放入U形管兩臂管中。連接電路，接通直流電源，電壓在4到6V之間為宜（圖1）。一段時間后可順利觀察到兩極發(fā)生的現(xiàn)象：(1)陽極有氣泡，以潤濕的淀粉碘化鉀試紙檢驗，可見到試紙變藍。(2)陰極棒上有銅析出，可看到紅色的銅附在石墨四周。

通過對實驗的觀察、產(chǎn)物的鑒別以及討論，學(xué)生逐步學(xué)會分析：陰、陽離子在外電場的作用下在溶液中的定向遷移，兩極發(fā)生反應(yīng)的過程（電極方程式），電解池的總反應(yīng)方程式，并由此歸納出陰、陽離子的放電順序并延伸為以下規(guī)律，陰極：Ag+＞Hg+＞Fe3+＞Cu2+＞H+＞Pb2+＞Sn2+＞Fe2+＞Zn2+＞（H2O）＞Al3+＞Mg2+＞Na+＞Ca2+＞K+（注：將H+和H2O的放電順序分開表示，有利于學(xué)生接下來對鍍Zn及活潑金屬在非水條件下進行電解制備原理的理解）； 陽極：S2-＞I-＞Br-＞Cl-＞OH-＞含氧酸根離子（＞等）＞F-。

2．延伸改進一

為引導(dǎo)學(xué)生研究電極材料在電解過程中的作用，對剛才的實驗作如下的改進展開教學(xué)：將原陽極石墨棒換成純銅板，補充一定的CuCl2溶液，使U形管的兩臂管上面各空1cm，左右兩電極反接（圖2），持續(xù)電解一段時間，發(fā)現(xiàn)現(xiàn)陽極石墨棒上原來析出的銅逐漸溶解直至消失，這時可看到陰極純銅板上又有紅色的銅析出。

前后實驗現(xiàn)象的強烈反差，會引發(fā)學(xué)生的好奇心，激起探究欲望，從而為此做出了種種大膽的猜測。學(xué)生經(jīng)過小組討論，就能順利地得出：此時陰極發(fā)生的電極反應(yīng)是Cu2++2e-=Cu，陽極發(fā)生的電極反應(yīng)是Cu－2e-=Cu2+。這時，教師可以說明一下，當(dāng)用在金屬活動性順序表中銀及其以前的金屬作陽極時，一般優(yōu)先于溶液中的陰離子而失電子，即金屬首先被腐蝕，為活潑陽極。同時，也可以為學(xué)生進一步理解電解精煉銅的原理提供積極的引導(dǎo)，有助于學(xué)生理解：用粗銅作陽極，純銅作陰極，并用銅鹽溶液（CuCl2溶液等）作電解液，可以實現(xiàn)銅的電解精煉。

同時，教師還可以用溫度計引導(dǎo)學(xué)生去發(fā)現(xiàn)一個“意外”的現(xiàn)象：U形管兩端的溫度出現(xiàn)了明顯的差異，石墨電極一側(cè)溫度高，而Cu電極一側(cè)，溫度變化不大。

分析及結(jié)論：這種現(xiàn)象與電極材料的導(dǎo)電性能有關(guān)，即Q=I2Rt，電極材料導(dǎo)電性能優(yōu)劣決定了電解過程中電能損耗的多少（轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮埽?。這就能為解釋在電解飽和食鹽水時用金屬材料做陰極奠定了基礎(chǔ)。這樣，運用物理學(xué)知識來解決化學(xué)中的問題，有利于促進相關(guān)學(xué)科的知識在學(xué)習(xí)過程中的相互滲透，能夠提高學(xué)生的綜合素質(zhì)和學(xué)習(xí)能力。在學(xué)生有序地解決各種具體問題并設(shè)計出該反應(yīng)裝置的過程中，對物質(zhì)變化過程中的各種影響因素及其相互關(guān)系的認識，又上升到一個新的高度。

3．延伸改進二

將“延伸改進一”實驗中的石墨棒換成純鋅板，用4到6V的電壓持續(xù)電解（圖3），會發(fā)現(xiàn)陽極純鋅板表面逐漸變得粗糙（溶解），溶液的藍色逐漸褪去，陰極純銅板上一開始有紅色的銅析出，然后有氣泡放出。

學(xué)生通過觀察記錄和小組討論后，不難得出陽極發(fā)生的反應(yīng)應(yīng)該是Zn－2e-=Zn2+，陰極開始發(fā)生的反應(yīng)應(yīng)該首先是Cu2++2e-=Cu，然后是2H++2e-=H2↑（開始時電解液中各離子濃度Cu2+＞H+＞Zn2+）,從而進一步提高學(xué)生對電解時溶液中陽離子的放電順序的認識。

拓展研究：如果按照圖3所示的實驗裝置，經(jīng)過足夠長的時間后，還可以觀察到陰極上停止產(chǎn)生氣泡，并逐漸析出一層灰白色的物質(zhì)。從而引導(dǎo)學(xué)生分析討論：隨著陽極發(fā)生的反應(yīng)Zn－2e-=Zn2+不斷進行，溶液中c(Zn2+)逐漸增大，達到一定濃度時，Zn2+可先于H+放電，在陰極發(fā)生如下反應(yīng)：Zn2++2e-=Zn，因而銅板表面會析出金屬鋅。這就為講解電鍍的原理作了鋪墊。此外，教師可以引導(dǎo)學(xué)生討論，認識“放電順序不是絕對化的，除與離子氧化還原性有關(guān)外，還與溶液濃度，電解電壓及電極材料等因素有關(guān)”。教師可以補充說明一下：+2價的鉛錫鐵鋅幾種離子，在氫離子濃度大時應(yīng)后于氫離子放電；當(dāng)氫離子濃度較小，而+2價的鉛錫鐵鋅幾種離子的濃度足夠大時則先于氫離子放電。這樣，有利于學(xué)生形成“量變引起質(zhì)變”的辯證唯物主義世界觀，進而達成教學(xué)的三維目標(biāo)。

通過以上循序漸進的實驗裝置的改進和實驗教學(xué)內(nèi)容拓展，逐層深入地揭示了電解池的原理、電解精煉銅和電鍍的基本方法、原理及其特點。實踐證明，兩個改進實驗隨著學(xué)生研究視點的有序轉(zhuǎn)移，要求他們運用所學(xué)的知識，突破原有的思維模式，變換思維的角度，分析解決實際問題，從而就有了全新的收獲，也極大地調(diào)動了學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，使電解的有關(guān)原理和知識在學(xué)生的腦海中形成了一個較為完整的知識體系。同時，也為以后學(xué)習(xí)氯堿工業(yè)的生產(chǎn)原理、活潑金屬的冶煉等電解原理的具體應(yīng)用打下了堅實的基礎(chǔ)，使學(xué)生在學(xué)習(xí)相關(guān)知識時有一種親切感，因而學(xué)習(xí)起來得心應(yīng)手，從而可以取得較好的教學(xué)效果。

［1］ 王祖浩．普通高中課程標(biāo)準實驗教科書．化學(xué)與技術(shù)（選修）［M］．南京：江蘇教育出版社，2006：26－30

［2］ 武漢大學(xué)化學(xué)與分子科學(xué)學(xué)院實驗中心編．無機化學(xué)實驗［M］．武漢：武漢大學(xué)出版社， 2002

［3］ 努麗燕娜，王保峰．實驗電化學(xué)［M］．北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2007．3