電解氯化銅溶液裝置的改進(jìn)與思考

吳小輝 伍俊文

摘要： 以教材中電解氯化銅溶液實(shí)驗(yàn)為原型，先后借助球型干燥管、注射器等改進(jìn)電解裝置，進(jìn)行電解實(shí)驗(yàn)的探究。改進(jìn)裝置體現(xiàn)綠色化學(xué)設(shè)計(jì)理念，集簡(jiǎn)易、便攜、環(huán)保、節(jié)能、高效等優(yōu)點(diǎn)于一身。改進(jìn)后實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象非常明顯，可操作性強(qiáng)，適用于教師演示實(shí)驗(yàn)或?qū)W生分組實(shí)驗(yàn)。通過(guò)反思，對(duì)“我與化學(xué)”活動(dòng)提出了幾點(diǎn)建議。

關(guān)鍵詞： 電解; 氯化銅溶液; 裝置改進(jìn); 實(shí)驗(yàn)探究

文章編號(hào)： 10056629（2018）10007204中圖分類號(hào)： G633.8文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： B

1選題背景

“我與化學(xué)”活動(dòng)是廣州地區(qū)全體中學(xué)生和中學(xué)化學(xué)教師共同參與、以展示“化學(xué)對(duì)我的影響、我心目中的化學(xué)”為主題的化學(xué)綜合實(shí)踐活動(dòng)，具有濃郁的廣州地域特色，是我市化學(xué)學(xué)科領(lǐng)域?qū)嵤┧刭|(zhì)教育的主陣地之一。活動(dòng)有效地提升了學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)，促進(jìn)了學(xué)生綜合素質(zhì)的發(fā)展。我校師生積極參加了該活動(dòng)。首先，高一學(xué)生迅速成立了研究性學(xué)習(xí)小組，然后選定研究課題。通常，選定課題是比較棘手的問(wèn)題。

本研究性課題的由來(lái)純屬巧合——高一研究性學(xué)習(xí)小組去辦公室找筆者商量探究的課題時(shí)，看到辦公室準(zhǔn)備臺(tái)上擺放的干電池組、導(dǎo)線、裝有藍(lán)色溶液的U型管、淀粉碘化鉀試紙等儀器和試劑，非常好奇也非常感興趣： 這是要做什么實(shí)驗(yàn)？進(jìn)一步了解得知，高二學(xué)長(zhǎng)們正在學(xué)習(xí)電解池知識(shí)，電解氯化銅溶液是課堂教學(xué)的演示實(shí)驗(yàn)，“要不我們就探究這個(gè)”的想法油然而生。研究小組成員一致認(rèn)為該探究活動(dòng)一方面能培養(yǎng)他們的學(xué)科探究能力和實(shí)驗(yàn)操作技能，另一方面能更好地促進(jìn)他們?cè)诟叨W(xué)段對(duì)電解池的學(xué)習(xí)——因?yàn)殡娊饴然~溶液的演示實(shí)驗(yàn)是認(rèn)識(shí)和理解電解原理的啟蒙性實(shí)驗(yàn)。于是，研究小組展開(kāi)了對(duì)電解氯化銅溶液實(shí)驗(yàn)的探究。

對(duì)于電解氯化銅溶液實(shí)驗(yàn)，人教版化學(xué)選修4《化學(xué)反應(yīng)原理》第四章第3節(jié)“電解池”第79頁(yè)要求教師指導(dǎo)學(xué)生按教材實(shí)驗(yàn)裝置進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。那么，研究小組可以探究什么，即亮點(diǎn)何在？怎么探究呢？首先，筆者指導(dǎo)學(xué)生利用關(guān)鍵詞或主題詞檢索方法去網(wǎng)上查詢相關(guān)資料并匯總信息，然后通過(guò)組內(nèi)研討方式熟悉反應(yīng)原理和裝置特點(diǎn)，并辯證地分析該裝置的優(yōu)缺點(diǎn)，最終高一研究性學(xué)習(xí)小組認(rèn)為教材中的該實(shí)驗(yàn)存在以下缺點(diǎn)： （1）電解過(guò)程中產(chǎn)生的氯氣有毒，隨意飄散，影響師生健康，不符合綠色化學(xué)要求。（2）檢驗(yàn)氯氣的過(guò)程不環(huán)保且繁瑣。（3）該裝置不便于走動(dòng)演示，如果不運(yùn)用投影儀配合演示，就無(wú)法讓每個(gè)學(xué)生清楚地觀察到實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。（4）教材配套用的教學(xué)參考書(shū)建議6～12V為宜，約3分鐘左右才能看到明顯的現(xiàn)象。若采用干電池（1.5V）進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，則耗費(fèi)電池較多，不利于分組實(shí)驗(yàn)。為了解決上述不足之處，研究小組展開(kāi)探究性活動(dòng)，期望獲得綠色、簡(jiǎn)易、高效、節(jié)能的“電解氯化銅溶液實(shí)驗(yàn)”裝置。

2研究目的和意義

（1） 學(xué)生通過(guò)對(duì)電解的電極反應(yīng)分析，進(jìn)一步鞏固氯氣的性質(zhì)及檢驗(yàn)方法。

（2） 學(xué)生通過(guò)對(duì)電解氯化銅溶液的原理分析和裝置組裝，能熟悉電解的基本原理和電解池模型，奠定學(xué)生對(duì)電解池的基礎(chǔ)理論知識(shí)的認(rèn)識(shí)基礎(chǔ)，促進(jìn)高二電化學(xué)相關(guān)知識(shí)的學(xué)習(xí)，并學(xué)會(huì)將電解池的理論知識(shí)與實(shí)踐相結(jié)合。

（3） 通過(guò)對(duì)電解氯化銅溶液的實(shí)驗(yàn)改進(jìn)，能夠獲得綠色、簡(jiǎn)易、便攜、節(jié)能、高效的實(shí)驗(yàn)裝置。

（4） 通過(guò)活動(dòng)培養(yǎng)學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力和探索精神，增強(qiáng)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)技能與合作能力，在交流中學(xué)會(huì)展示和評(píng)議等。

（5） 該活動(dòng)的成果將豐富實(shí)驗(yàn)課教學(xué)的內(nèi)容。

3研究過(guò)程與分析

3.1實(shí)驗(yàn)原理

陽(yáng)極反應(yīng)式： 2Cl--2e-Cl2↑

陰極反應(yīng)式： Cu2++2e-Cu

電解CuCl2溶液的總反應(yīng)式： CuCl2通電Cu+Cl2↑

氯氣檢驗(yàn)： Cl2+2KII2+2KCl

氯氣吸收： Cl2+2NaOHNaCl+NaClO+H2O

3.2實(shí)驗(yàn)儀器和藥品

主要儀器： 管徑12mm的U型管、碳棒2支、干電池若干、導(dǎo)線、球型干燥管[1]、脫脂棉、燒杯、玻璃棒、100mL注射器、導(dǎo)管、鑷子

主要藥品： 25%氯化銅溶液、淀粉碘化鉀試紙、濃氫氧化鈉溶液、石蠟

3.3實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

3.3.1演示教材中的實(shí)驗(yàn)，自主體會(huì)電解氯化銅溶液過(guò)程（方案1）

實(shí)驗(yàn)步驟： 在U型管中注入25%氯化銅溶液，插入兩根石墨電極，接通電源，反應(yīng)開(kāi)始（如圖1所示）。把濕潤(rùn)的淀粉碘化鉀試紙放置在與直流電源正極相接的碳棒電極（陽(yáng)極）附近，觀察U型管內(nèi)的現(xiàn)象和試紙的顏色變化，并記錄實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象（電源電壓由3V即2節(jié)干電池開(kāi)始，然后逐步增加電壓，觀察電解的時(shí)間為3分鐘）。

實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象： 當(dāng)電源電壓增加至7.5V，即干電池五節(jié)，約3分鐘可以近距離觀察到較為明顯的現(xiàn)象，如陽(yáng)極碳棒附近有較多的小氣泡產(chǎn)生，該氣體接觸濕潤(rùn)的淀粉碘化鉀試紙，試紙逐漸變藍(lán)色;陰極碳棒有些許紅色固體析出并附著在碳棒的底部。

成果分析： （1）氯氣未處理;（2）電解速率很慢;（3）需用2個(gè)鐵架臺(tái)和夾子固定U型管及2根碳棒的位置，且氣體檢驗(yàn)的操作也不方便。

3.3.2電解氯化銅溶液的裝置微改進(jìn)1： 環(huán)保先行（方案2）

設(shè)計(jì)說(shuō)明： 參照教材方案一的實(shí)驗(yàn)，深感氯氣有毒必須優(yōu)先處理，否則會(huì)影響身體健康。結(jié)合氯氣的性質(zhì)，決定采用濃氫氧化鈉溶液吸收之，同時(shí)又便于檢驗(yàn)氯氣的生成。微改進(jìn)的具體步驟如下，改進(jìn)后裝置的簡(jiǎn)示圖如圖2所示。

實(shí)驗(yàn)步驟： （1）將導(dǎo)線內(nèi)置于球型干燥管內(nèi)，然后用鑷子取蘸有濃氫氧化鈉溶液的脫脂棉（浸濕程度以溶液不滴落下來(lái)為準(zhǔn)）填充在干燥管球部，并將潤(rùn)濕的淀粉碘化鉀試紙粘在干燥管內(nèi)壁。（2）將上述改進(jìn)的干燥管固定在U型管的一端。（3）連接好裝置，向電解池另一端裝入25%氯化銅溶液，接通7.5V的電源電壓。反應(yīng)開(kāi)始，觀察U型管內(nèi)的現(xiàn)象和試紙的顏色變化，觀察電解的時(shí)間為3分鐘。

實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象： 兩個(gè)碳棒電極的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象與方案1的現(xiàn)象相同，不同之處同時(shí)也是優(yōu)點(diǎn)的是陽(yáng)極碳棒有較多的小氣泡產(chǎn)生，該氣體使緊貼上壁的濕潤(rùn)的淀粉碘化鉀試紙逐漸變藍(lán)，多余的氯氣在干燥管球部的脫脂棉處被濃氫氧化鈉溶液吸收。

成果分析： 盡管改進(jìn)了氯氣污染的問(wèn)題，且只需一個(gè)鐵架臺(tái)和夾子固定U型管及1根碳棒的位置即可，但電解速率很慢仍亟需解決。

3.3.3電解氯化銅溶液的裝置微改進(jìn)2： 環(huán)保、節(jié)能、便攜、高效并進(jìn)（方案3）

設(shè)計(jì)說(shuō)明： 電解速率慢，課堂演示時(shí)會(huì)占用較多的教學(xué)時(shí)間，因而影響課堂的教學(xué)效率。有資料表明縮短電極間距可以加快電解速率[2]，故本次設(shè)計(jì)要縮短兩碳棒的距離。實(shí)驗(yàn)期間學(xué)生弄壞了U型管，可知玻璃儀器易碎是個(gè)問(wèn)題。為解決該問(wèn)題，學(xué)生查資料發(fā)現(xiàn)一次性滴管可以做電解池[3]，非常新穎，節(jié)約原料，氣體量少，污染少。但研討后認(rèn)為該裝置可能會(huì)漏液、不夠環(huán)保、近距離才能觀察到現(xiàn)象，因此否定了用一次性滴管。有學(xué)生提出可嘗試用注射器作為電解池，故本次設(shè)計(jì)采用了注射器做電解池。改進(jìn)的具體步驟如下，改進(jìn)后裝置的簡(jiǎn)示圖如圖3所示。

實(shí)驗(yàn)步驟：

（1）在管徑12mm的注射器針筒頂端打2個(gè)小孔，用于安置2個(gè)碳棒電極，則電極間距由原來(lái)的4.5cm縮小至2cm。然后分別安插2個(gè)碳棒電極，在碳棒電極周邊用石蠟作密封處理。（2）在注射器內(nèi)裝入同方案一等體積的25%氯化銅溶液，推壓活塞至溶液浸沒(méi)電極長(zhǎng)度不超過(guò)2/3，把濕潤(rùn)的淀粉碘化鉀試紙放在注射孔部位或者在注射孔部位連上導(dǎo)管，推壓活塞也可以快速完成氣體的檢驗(yàn)。當(dāng)試紙逐漸變色時(shí)立刻將導(dǎo)氣管末端插入盛有濃氫氧化鈉溶液的燒杯中。（3）接通電源，反應(yīng)開(kāi)始，觀察注射器內(nèi)的現(xiàn)象和試紙的顏色變化（電源電壓由3V開(kāi)始，觀察電解的時(shí)間為3分鐘）。（4）上下推拉活塞使液面下降或上升，反應(yīng)可隨時(shí)終止。

實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象： 當(dāng)電源電壓為3V時(shí)，約1分鐘就可以觀察到同實(shí)驗(yàn)方案1和方案2一樣的現(xiàn)象。且當(dāng)加大電壓至4.5V，觀察到陽(yáng)極碳棒表面析出相當(dāng)多且較大的氣泡，陰極碳棒越來(lái)越粗，析出的紅色固體顯著增多，甚至有些紅色固體脫落下來(lái)。由于針孔出氣很少且集中，淀粉碘化鉀試紙直接放在針孔上面，約2分鐘即可看到試紙變藍(lán);若是把

濕潤(rùn)的淀粉碘化鉀試紙放在導(dǎo)管末端，則需要輕輕地推壓活塞，

試紙即變藍(lán)。往下拔拉活塞，可以更加清楚地觀察到陰極碳棒上附著的紅色固體;接上導(dǎo)管，再往上推活塞，將產(chǎn)生的多余氯氣排放至濃氫氧化鈉溶液中被吸收;往下拔拉活塞使溶液與電極分離，可以終止反應(yīng)。

成果分析： （1）該裝置簡(jiǎn)易輕便，可以走動(dòng)演示，便于觀察現(xiàn)象。（2）由于縮短了電極間距，降低了電阻[4]，從而加快了電解速率，耗費(fèi)電量少，節(jié)約能源。（3）實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象非常明顯，高效完成實(shí)驗(yàn)。（4）余氯被濃氫氧化鈉溶液吸收，具有環(huán)保性。

3.4實(shí)驗(yàn)小結(jié)

通過(guò)對(duì)教材中的電解氯化銅溶液的裝置進(jìn)行兩次改進(jìn)，結(jié)果表明，采用注射器作為電解池的改進(jìn)效果是最好的，具有如下優(yōu)點(diǎn)：

（1） 避免了采用易碎的U型管，巧用注射器作電解池，非常簡(jiǎn)易便攜，可以走動(dòng)演示，方便觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。

（2） 避免有害氣體逸出，解決了對(duì)環(huán)境的污染問(wèn)題，培養(yǎng)了學(xué)生的環(huán)保意識(shí)。

（3） 相比較U型管，電極間距明顯縮短，電解電壓為3.0～4.5V時(shí)，約1分鐘左右就有相當(dāng)明顯的現(xiàn)象，不僅高效完成實(shí)驗(yàn)，而且節(jié)約了能源。

（4） 通過(guò)控制注射器活塞可以調(diào)節(jié)電解反應(yīng)的開(kāi)始或結(jié)束。

（5） 注射器等主要儀器可以重復(fù)使用。

（6） 該裝置的可操作性強(qiáng)，適用于演示實(shí)驗(yàn)或分組實(shí)驗(yàn)。

（7） 實(shí)驗(yàn)過(guò)程中拍攝的微視頻現(xiàn)象清晰，是極好的教學(xué)素材。

（8） 該裝置還可以用于模擬電鍍實(shí)驗(yàn)。

3.5實(shí)驗(yàn)注意事項(xiàng)

（1） 探究實(shí)驗(yàn)所用電壓由小到大逐步增加，一般控制在3.0～4.5V之間，

若電壓過(guò)大電解速率加快，陰極有大量紅色固體產(chǎn)生并脫落，產(chǎn)生的氯氣也較多。

（2） 濕潤(rùn)的淀粉碘化鉀試紙變色后應(yīng)立即拿開(kāi)。

（3） 使用玻璃儀器如U型管等進(jìn)行組裝時(shí)，要注意輕拿輕放防止破碎。

（4） 給針筒一端打孔時(shí)要注意孔徑大小和碳棒大小要匹配。

（5） 為了防止氯氣泄露，陽(yáng)極碳棒的一端要作密封處理并檢查氣密性。

4對(duì)“我與化學(xué)”活動(dòng)的建議

參加“我與化學(xué)”活動(dòng)的課題探究后我們深感收獲頗豐，同時(shí)也進(jìn)行了反思，并對(duì)“我與化學(xué)”活動(dòng)提出如下的建議：

（1） “我與化學(xué)”活動(dòng)研究性課題來(lái)源廣泛。辯證地看待教材實(shí)驗(yàn)就能找到改進(jìn)創(chuàng)新的思路，獲取研究性課題。任何一次實(shí)驗(yàn)改進(jìn)都會(huì)對(duì)實(shí)驗(yàn)課教學(xué)帶來(lái)促進(jìn)作用。

（2） 開(kāi)展實(shí)驗(yàn)探究前，應(yīng)先引導(dǎo)學(xué)生自主查閱相關(guān)資料和整理有用信息，培養(yǎng)學(xué)生文獻(xiàn)檢索和歸納整理能力。

（3） 當(dāng)學(xué)生在查閱資料或者實(shí)驗(yàn)過(guò)程中提出問(wèn)題時(shí)，指導(dǎo)教師應(yīng)及時(shí)給予解答或分析，引導(dǎo)學(xué)生排查錯(cuò)誤的研究方向。向前輩請(qǐng)教是一個(gè)解決問(wèn)題的途徑，可以降低因摸索而耗費(fèi)的大量時(shí)間。

（4） 實(shí)驗(yàn)過(guò)程中應(yīng)督促學(xué)生養(yǎng)成良好的實(shí)驗(yàn)習(xí)慣，如勤于記錄、拍照、實(shí)驗(yàn)小結(jié)，方便后續(xù)實(shí)驗(yàn)報(bào)告的撰寫(xiě)或?yàn)榻處熭o助教學(xué)提供視頻材料。

（5） 讓學(xué)生在實(shí)踐中學(xué)會(huì)學(xué)習(xí)、合作、交流、展示等活動(dòng)能力，教師絕不能包辦代替。

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