銅電極電解不同濃度食鹽水的實(shí)驗(yàn)探究

于 寧

(遼寧省大連經(jīng)濟(jì)技術(shù)開(kāi)發(fā)區(qū)第二中學(xué) 116600)

國(guó)內(nèi)現(xiàn)行教材大都采用石墨電極作為陽(yáng)極進(jìn)行電解飽和食鹽水實(shí)驗(yàn).蘇教版選修教材《實(shí)驗(yàn)化學(xué)》專(zhuān)題5的拓展實(shí)驗(yàn)采用了銅電極(用銅絲作為陰陽(yáng)兩極)電解飽和食鹽水.受此啟發(fā)，將此實(shí)驗(yàn)裝置“放大”，并將飽和食鹽水更換為不同濃度的食鹽水進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，得到更多有趣的現(xiàn)象.

一、實(shí)驗(yàn)裝置

教材中拓展實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示.將此裝置“放大”——試管放大為燒杯，銅絲放大為銅棒，如圖2所示.

圖1 圖2

二、實(shí)驗(yàn)操作、現(xiàn)象及解釋

向大燒杯中分別注入飽和食鹽水、體積比V(飽和食鹽水)∶V(蒸餾水)=5∶1、5∶2、5∶3的溶液、蒸餾水，調(diào)節(jié)電壓為1.5V.記錄剛出現(xiàn)白色沉淀的時(shí)間，觀察兩極沉淀物的顏色及生成的先后順序.

1.兩電極的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象及解釋

銅電極電解不同濃度食鹽水的兩電極的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象是相同的，即：

(1)電解發(fā)生后，陰極立即有無(wú)色氣體放出，且源源不斷.

(2)陽(yáng)極銅絲逐漸“溶解”，由粗變細(xì)；結(jié)束電解時(shí)取出觀察其紫紅色光澤不變.

對(duì)現(xiàn)象的解釋如下：

(1)陰極總反應(yīng)：2H2O+2e-→2OH-+H2↑(還原反應(yīng))

(2)銅電極露出的部分被“溶解”后仍為銅，故仍有金屬光澤.

2.溶液中的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象及解釋[陽(yáng)極銅“溶解”后的最終存在形式(+1價(jià)、+2價(jià))的探究]

陽(yáng)極金屬放電都易生成相對(duì)穩(wěn)定的離子.正如Fe-2e-→Fe2+(如果生成Fe3+則被Fe還原為Fe2+)一樣，銅放電的初產(chǎn)物為：Cu-2e-→Cu2+.那么陽(yáng)極生成的Cu2+最終會(huì)以怎樣的形式存在呢？實(shí)驗(yàn)表明，銅放電的初產(chǎn)物Cu2+最終的存在形式與Cl-濃度密切相關(guān).將其反應(yīng)過(guò)程分為3個(gè)階段，如圖3所示.

圖3

(1)電解飽和食鹽水

理論上發(fā)生A、B、C，由于動(dòng)力學(xué)因素，只發(fā)生A，故溶液未出現(xiàn)白色沉淀，直接由澄清變?yōu)辄S色沉淀.

陽(yáng)極反應(yīng)：Cu-2e-→Cu2+

Cu2++Cu+4Cl-→2[CuCl2]-

陽(yáng)極總反應(yīng)：Cu-e-+2Cl-→[CuCl2]-

因Cl-濃度很大，使Cu2+全部生成無(wú)色的[CuCl2]-，故始終(約15分鐘)沒(méi)有觀察到白色沉淀.當(dāng)陰極產(chǎn)生的OH-移動(dòng)到陽(yáng)極附近時(shí)，有：[CuCl2]-+OH-→CuOH↓(黃色)+2Cl-；2CuOH(黃色)→Cu2O(磚紅色)+H2O.橙色沉淀是CuOH、Cu2O的混合物.因此約15分鐘時(shí)，在陽(yáng)極銅周?chē)吹近S色沉淀，繼而迅速轉(zhuǎn)變?yōu)槌壬痛u紅色.

(2)電解高濃度不飽和食鹽水

理論上發(fā)生A、B、C，由于動(dòng)力學(xué)因素，只發(fā)生A、B，故溶液需等待較長(zhǎng)時(shí)間才能出現(xiàn)白色沉淀，繼而變黃.

陽(yáng)極反應(yīng)：Cu-2e-→Cu2+

Cu2++Cu+4Cl-→2[CuCl2]-

Cu2++Cu+2Cl-→2CuCl↓

陽(yáng)極總反應(yīng)：2Cu-2e-+3Cl-→[CuCl2]-+CuCl↓

因Cl-濃度大，使Cu2+先生成無(wú)色的[CuCl2]-，再生成CuCl↓，故需等待較長(zhǎng)時(shí)間(170秒)才能觀察到白色沉淀.逐漸增多的白色沉淀CuCl與陰極生成的OH-相遇時(shí)，生成更難溶的黃色沉淀CuOH(CuCl、CuOH的溶度積分別為1.2×10-6和1.0×10-14)，即：CuCl+OH-→CuOH+Cl-，且2CuOH(黃色)→Cu2O(磚紅色)+H2O.因此白色沉淀片刻后變?yōu)辄S色、橙色、磚紅色.

(3)電解中等濃度不飽和食鹽水

實(shí)際上發(fā)生A、B、C，故溶液需等待一會(huì)兒便可出現(xiàn)白色沉淀，再有藍(lán)色沉淀(少量)生成，白色沉淀繼而變黃.

陽(yáng)極反應(yīng)：Cu-2e-→Cu2+

Cu2++Cu+4Cl-→2[CuCl2]-

Cu2++Cu+2Cl-→2CuCl↓

陽(yáng)極總反應(yīng)：

5Cu-6e-+6Cl-→Cu2++2[CuCl2]-+2CuCl↓

因Cl-濃度較大，使Cu2+先生成無(wú)色的[CuCl2]-，再生成CuCl↓，故需等待一會(huì)兒(48秒)才能觀察到白色沉淀且白色沉淀量逐漸增多.Cl-消耗完后，Cu2+“顯露”出來(lái)，與陰極OH-生成藍(lán)色絮狀沉淀Cu(OH)2，且Cu2+移動(dòng)至陰極的速度比OH-移動(dòng)至陽(yáng)極的速度快，因此藍(lán)色沉淀產(chǎn)生在陰極附近.由于“顯露”出的Cu2+量很少，故產(chǎn)生的藍(lán)色沉淀量很少.量較多的白色沉淀逐漸變?yōu)辄S色、橙色、磚紅色.

(4)電解低濃度不飽和食鹽水

實(shí)際上發(fā)生B、C，故溶液很快就出現(xiàn)白色沉淀，再有藍(lán)色沉淀(大量)生成，少量的白色沉淀繼而變黃.

陽(yáng)極反應(yīng)：Cu-2e-→Cu2+

Cu2++Cu+2Cl-→2CuCl↓

陽(yáng)極總反應(yīng)：3Cu-4e-+2Cl-→Cu2++2CuCl↓

因Cl-濃度小，使Cu2+直接生成CuCl↓，故很快(21秒)就能觀察到白色沉淀.由于“顯露”出的Cu2+量很多，故產(chǎn)生的藍(lán)色沉淀量很多.量較少的白色沉淀逐漸變?yōu)辄S色、橙色、磚紅色.

(5)電解純凈的蒸餾水

實(shí)際上發(fā)生C，故溶液有大量的藍(lán)色沉淀生成，由于動(dòng)力學(xué)因素，反應(yīng)很緩慢，需等待很長(zhǎng)時(shí)間.

三、實(shí)驗(yàn)結(jié)論

由上述現(xiàn)象可推出以下三個(gè)結(jié)論：

1.電解飽和食鹽水和蒸餾水的過(guò)程中始終不會(huì)出現(xiàn)白色沉淀；而電解高、中、低濃度的不飽和食鹽水的過(guò)程中均會(huì)產(chǎn)生白色沉淀，且白色沉淀生成的速度逐漸加快，等待時(shí)間越來(lái)越短(實(shí)驗(yàn)測(cè)得從電解開(kāi)始到產(chǎn)生白色沉淀的時(shí)間分別為170秒、48秒、21秒)，最終生成的磚紅色沉淀量越來(lái)越少.

2.電解飽和食鹽水和高濃度不飽和食鹽水最終都只產(chǎn)生磚紅色沉淀(大量)；電解中等濃度不飽和食鹽水、低濃度不飽和食鹽水和純凈的蒸餾水最終都有藍(lán)色沉淀生成，且藍(lán)色沉淀的量越來(lái)越多.剛出現(xiàn)藍(lán)色沉淀(極少量)對(duì)應(yīng)的不飽和食鹽水中Cl-的濃度便是臨界濃度.

3.對(duì)臨界Cl-濃度從理論上無(wú)法計(jì)算出(因不知Cu2+的濃度)，故從實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象推測(cè)臨界濃度的范圍：體積比V(飽和食鹽水)∶V(蒸餾水)為5∶1的溶液電解結(jié)束后只有磚紅色沉淀生成，而體積比V(飽和食鹽水)∶V(蒸餾水)=5∶2的溶液電解結(jié)束后除有大量的磚紅色沉淀生成之外，還有少量藍(lán)色沉淀出現(xiàn).因此推測(cè)臨界Cl-濃度必定在V(飽和食鹽水)∶V(蒸餾水)為5∶1到5∶2之間，且接近于5∶2(也就是說(shuō)，推測(cè)臨界Cl-濃度必定對(duì)應(yīng)的是中等濃度的不飽和食鹽水).若想進(jìn)一步更深入地了解精確的臨界Cl-濃度，可配制體積比V(飽和食鹽水)∶V(蒸餾水)=5∶1到5∶2之間的不同濃度的不飽和食鹽水進(jìn)行再次探究.