離子在電場中運(yùn)動的實(shí)驗(yàn)探究

王向坤 李躍春 耿淑玲

（湖南師范大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院湖南長沙410081）

離子在電場中運(yùn)動的實(shí)驗(yàn)探究

王向坤 李躍春 耿淑玲

（湖南師范大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院湖南長沙410081）

該實(shí)驗(yàn)利用中學(xué)常見的儀器自制實(shí)驗(yàn)裝置，生動形象地向?qū)W生展示離子在電場中的運(yùn)動情況。實(shí)驗(yàn)裝置簡單，操作容易，既可用于課堂演示，也適合學(xué)生獨(dú)立實(shí)驗(yàn)，更有利于學(xué)生對離子在電場中的運(yùn)動規(guī)律的理解，提高學(xué)生對化學(xué)的學(xué)習(xí)興趣。

離子；電場；運(yùn)動；實(shí)驗(yàn)

一、問題的提出

在義務(wù)教育課程標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)教科書《化學(xué)》九年級（上冊）第四單元“物質(zhì)構(gòu)成的奧秘”一章中主要講述的是原子的構(gòu)成、元素、離子、化學(xué)式和化合價四個小節(jié)內(nèi)容，對于學(xué)生來講，掌握這部分內(nèi)容十分重要，是他們今后學(xué)習(xí)其他知識的基礎(chǔ)。但這章的內(nèi)容非常抽象，遠(yuǎn)離學(xué)生的生活經(jīng)驗(yàn)，且又無演示實(shí)驗(yàn)加以說明。另外，在普通高中課程標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)教科書《化學(xué)》選修4第四章第三節(jié)“電解池”一節(jié)中也涉及了離子在電場中運(yùn)動的相關(guān)知識點(diǎn)。因此，在教師講解完這些內(nèi)容后，可以增加課堂演示實(shí)驗(yàn)“離子在電場中運(yùn)動”，加深學(xué)生對微觀粒子的認(rèn)識及運(yùn)動規(guī)律的理解，為其今后的學(xué)習(xí)打好堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。通過上網(wǎng)搜索和查閱文獻(xiàn)，目前有三篇關(guān)于該實(shí)驗(yàn)的研究，一種實(shí)驗(yàn)方法是在玻璃片上放上浸有硝酸鉀的濾紙，兩端平行放上石墨電極上，然后在兩極中間用滴管滴上高錳酸鉀溶液，或者劃一條線，接通電源，觀察離子的移動；第二種方法是在一支U形管中注入大半管硫酸鉀溶液，U形管的兩邊插入電極，中間的長頸漏斗里注入飽和硫酸銅溶液與高錳酸鉀溶液的混合液；還有一種方法是用銅絲將濾紙固定在試管上，浸有高錳酸鉀的棉線放在濾紙中央，觀察離子的運(yùn)動。以上三種方法雖然可以初步揭示離子在電場中的運(yùn)動情況，但是第一種方法，電極未固定，劃線易使紫紅色高錳酸鉀溶液立即向四周擴(kuò)散，難以使學(xué)生觀察到清晰的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象；第二種方法的實(shí)驗(yàn)裝置非中學(xué)常規(guī)實(shí)驗(yàn)儀器，操作不方便，且大量的電解質(zhì)溶液會將藍(lán)紫色的硫酸銅和高錳酸鉀的混合溶液稀釋，因而實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象不明顯；最后一種方法是用兩根銅絲將濾紙固定在試管上，但是由于銅絲比較細(xì)，產(chǎn)生的電場作用力很小，不足以使高錳酸鉀溶液離開棉線在濾紙上擴(kuò)散，因此實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象不明顯，重現(xiàn)性差，不適用于課堂演示實(shí)驗(yàn)及學(xué)生獨(dú)立實(shí)驗(yàn)。為了進(jìn)一步完善以上三種實(shí)驗(yàn)操作，本文采用中學(xué)常見的實(shí)驗(yàn)儀器，自制實(shí)驗(yàn)裝置，操作簡單，實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象明顯。此外，教師也可以在課后指導(dǎo)學(xué)生親手動手操作該實(shí)驗(yàn)，加深學(xué)生對離子在電場中的運(yùn)動規(guī)律的理解，提高對化學(xué)的學(xué)習(xí)興趣。

二、實(shí)驗(yàn)部分

1.實(shí)驗(yàn)?zāi)康?/p>

通過化學(xué)實(shí)驗(yàn)方法清晰地呈現(xiàn)出微觀離子在電場中的運(yùn)動現(xiàn)象，加深學(xué)生對離子在電場中的運(yùn)動相關(guān)知識的理解。

2.實(shí)驗(yàn)原理

濾紙上的電解質(zhì)溶液在通電時發(fā)生電解，陰離子在陽極發(fā)生氧化反應(yīng)，陽離子在陰極發(fā)生還原反應(yīng)；棉線上帶負(fù)電荷的高錳酸根離子在電場力的作用下向陽極移動。

3.實(shí)驗(yàn)用品

燒杯（100mL），鐵架臺，玻璃棒，導(dǎo)線（2根），注射器，濾紙，試管（25mm×200mm），低壓電源（J1201-1），高錳酸鉀，硫酸鉀，銅片（75mm×26mm，2個），棉線（若干），鑰匙，電子天平，酒精燈，鑷子，表面皿，三腳架，石棉網(wǎng)，火柴。

4.實(shí)驗(yàn)裝置（如圖1）5.實(shí)驗(yàn)步驟

（1）取一支帶有橡膠塞的試管（25mm×

200mm）水平固定在鐵架臺上，然后將2個銅片（75mm×26mm）分別固定在兩根導(dǎo)線上，連接好電路（如圖1）。

（2）取一個100mL的小燒杯在電子天平上準(zhǔn)確稱取3.48g硫酸鉀固體，加入10mL蒸餾水，，在酒精燈上加熱至晶體溶解，即得2mol/L的K2SO4溶液。

圖1 離子在電場中運(yùn)動裝置

圖2 離子在電場中運(yùn)動的裝置實(shí)物圖

圖3 離子在電場中運(yùn)動的實(shí)驗(yàn)結(jié)果放大圖

（3）用注射器吸取適量上述2mol/L的K2SO4溶液，緩慢推動注射器將濾紙浸濕，然后小心的裹在已水平固定的試管上，注意濾紙和試管之間不要留有氣泡。

（4）將已連接好的銅片彎曲成圓弧狀，并在硫酸鉀溶液中浸濕，然后使其恰好完全固定在濾紙的兩端。

（5）取酒精燈芯的細(xì)棉線約20根左右，擰成一個長約10cm，內(nèi)徑約為0.5cm的棉線備用。

（6）將上述棉線置于表面皿上，滴入適量0.01mol/L的KMnO4使其恰好浸濕棉線，并小心平行地放在兩銅片電極的中間。

（7）打開電源，接通12Ⅴ的電壓，觀察棉線上紫紅色溶液的擴(kuò)散情況（如圖2、3）。

6.實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

實(shí)驗(yàn)開始時，棉線上的紫紅色溶液首先向兩邊略微擴(kuò)散，然后紫紅色溶液逐漸向陽極擴(kuò)散，數(shù)秒鐘后，可觀察到大量的紫紅色出現(xiàn)在陽極濾紙一邊，而陰極濾紙一邊只有剛開始擴(kuò)散的少量紫紅色。

上述實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象表明：進(jìn)入電場中，紫紅色的高錳酸根離子，在硫酸鉀電解質(zhì)溶液（濾紙上）的作用下首先向兩極擴(kuò)散，然后由于高錳酸根離子帶負(fù)電荷在電場中受電場力的作用，逐漸向陽極移動，因而在陽極濾紙上呈現(xiàn)出大片紫紅色。

7.實(shí)驗(yàn)注意問題

（1）硫酸鉀一定要完全浸濕濾紙，且濾紙裹在試管上不可以有氣泡。

（2）浸有高錳酸鉀的棉線一定要小心放置在兩銅片中間，使兩邊等距，且放好后不可再移動棉線。

（3）為了增加高錳酸根離子的擴(kuò)散速度，可在銅片兩端用注射器滴加等量硫酸鉀溶液。

（4）若因天氣冷等原因?qū)е赂咤i酸根離子的擴(kuò)散速度變慢，可以再大試管中裝入熱水，以增加其擴(kuò)散的速度。

（5）銅片的大小在70mm×20mm～80mm×30mm之間，太大太小都不利于實(shí)驗(yàn)的進(jìn)行。

三、實(shí)驗(yàn)的優(yōu)點(diǎn)

（1）此實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象生動有趣，對比鮮明。

（2）用化學(xué)方法清晰地呈現(xiàn)出微觀離子在電場中的運(yùn)動現(xiàn)象，加深學(xué)生對離子在電場中的運(yùn)動規(guī)律的理解。

（3）實(shí)驗(yàn)儀器均為中學(xué)常規(guī)儀器，裝置簡單，操作簡便，易推廣。

（4）此實(shí)驗(yàn)在教師的指導(dǎo)下，學(xué)生親自動手操作，既培養(yǎng)了學(xué)生的實(shí)驗(yàn)動手能力，也激發(fā)了對化學(xué)的學(xué)習(xí)興趣。

［1］倪正龍.介紹一種離子運(yùn)動的演示實(shí)驗(yàn)的方法［J］.化學(xué)教學(xué)，1991，（6）：18-19

［2］課程教材研究所.義務(wù)教育課程標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)教科書·化學(xué)（九年級上冊）［M］.北京：人民教育出版社，2006：18-19

1008-0546（2013）06-0090-02

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10.3969/j.issn.1008-0546.2013.06.040