“錫”析相關(guān)

羅云譯，鄧薇，張正豪，王銳，王東林

昭通學院化學化工學院，云南 昭通 657000

現(xiàn)代科學技術(shù)發(fā)展迅速，老百姓在享受到科技帶來便利的同時，對科技知識的學習需求也越來越強烈?？破展ぷ饕环矫嫣岣吡巳窨萍妓仞B(yǎng)，另一方面也拉近科學研究與民眾的距離，對青少年的影響尤其深遠，可以大大提高青少年的綜合素質(zhì)，強化青少年學科學、愛科學、用科學的興趣，培育科學精神，激發(fā)其探索科學奧秘的熱情。科普實驗中，化學類的實驗相對較少，主要是因為大部分化學實驗周期較長、成本偏高、場地要求較嚴等原因。錫是傳統(tǒng)的“五金”——金、銀、銅、鐵、錫之一，人類使用錫的歷史可以追溯到遠古時代，在現(xiàn)代社會錫金屬制品也常出現(xiàn)在我們的日常生活中，比如各種錫器和錫箔紙。錫在教學實驗中也有一定運用，陳紅軍等[1]用錫代替污染性強的鉛，將“鉛樹”生長實驗改進為“錫樹”生長實驗。考慮到錫的安全性，本小組選擇了電解錫這一簡單快捷并且現(xiàn)象突出的實驗作為科普載體，并在此基礎(chǔ)上做了部分巧妙創(chuàng)新：第一，在實驗裝置中加入電流方向切換裝置，通過電流方向切換開關(guān)快速轉(zhuǎn)換電流方向，讓參與者能輕松體會到電流方向與錫晶體析出方向，電流方向與陽極析出氣體及電解液pH變化的關(guān)系，便于理解化學科學中的電解原理；第二，增加普通光學顯微鏡及放大鏡，讓參與者能夠觀察到生成的錫晶體在微觀尺度上的美麗圖景；第三，增加塑封步驟，讓參與者可以動手操作，將生成的錫晶體用AB膠塑封成產(chǎn)品留作紀念。這些巧妙的創(chuàng)新大大提升了實驗的互動性與趣味性，也升華了本實驗的科普價值。同時，本實驗儀器設(shè)備簡單，成本不高，涵蓋了較多的基礎(chǔ)化學知識，也可以作為大學普通化學課程中的一個基礎(chǔ)實驗項目或高中生的探究實驗。

1 實驗部分

1.1 實驗原理

本實驗裝置原理為亞錫離子在通電條件下電解生成錫單質(zhì)，電解池的陰極反應(yīng)：Sn2++ 2e-= Sn↓，通過錫的電解實驗可以清楚看到錫晶體的生長。實驗時，電解裝置中增加了電流方向切換開關(guān)及指示電流方向的LED燈(實驗裝置原理如圖1所示)，同時還增加了錫晶體的觀察環(huán)節(jié)和錫晶體的塑封環(huán)節(jié)，提升了實驗的趣味性與互動性。

圖1 電解錫實驗裝置原理圖

1.2 試劑

氫氧化鈉、氫氧化鉀、硫酸鉀、酚酞、硫酸、氯化亞錫等均為分析純，購自國藥集團化學試劑有限公司；瓊脂，生化試劑，購自國藥集團化學試劑有限公司；AB膠(購自本地商超)。

1.3 儀器

直流穩(wěn)壓電源(蘇州達海申電子科技有限公司)、顯微鏡(上海光學一廠)、電流方向切換裝置(本小組設(shè)計)、V型電解池(本小組設(shè)計)、LED燈(購自本地商超，工作電壓12 V)、電子分析天平(邢臺智冠機械科技有限公司)等。

1.4 實驗步驟與現(xiàn)象

1.4.1 配制電解液

為保證參與實驗人員的安全，電解液需要工作人員提前配制，或者批量生產(chǎn)后預(yù)裝，因此參與者在實驗互動過程中不會接觸到氫氧化鈉、硫酸等實驗室試劑。如將本實驗引入為教學實驗項目，可將電解液的配制作為一個重要的實驗條件探究環(huán)節(jié)。

(1) 陰極電解液。

為了獲得最佳的實驗效果，以錫晶體生長速度和生長形狀為判斷標準，對陰極電解液配制的最佳條件進行了探究。

SnCl2在中性或堿性條件下會水解，產(chǎn)生白色堿式氯化亞錫沉淀。根據(jù)查找資料及預(yù)實驗，確定了以氫氧化鈉、硫酸、氯化亞錫為原料配制電解液。采用1 mol·L-1氫氧化鈉溶液10 mL，3 mol·L-1硫酸溶液10 mL混合得到基礎(chǔ)溶液20 mL，分別加入1、2、3、4、5 g氯化亞錫，考察不同濃度氯化亞錫對電解現(xiàn)象的影響，其中電解電壓固定為8 V，電解時間2 min，所得現(xiàn)象如圖2所示。

圖2 不同濃度氯化亞錫對電解現(xiàn)象的影響

由圖2可知，隨著氯化亞錫的濃度升高，錫晶體析出的速度越來越快。圖2A中錫晶體長勢過于緩慢，如果用于實驗，參與者很難有耐心繼續(xù)下一步操作；圖2B中錫晶體長勢稍快，但是晶體連成大片，美觀度不足；圖2C中錫晶體增長速度適中，長出的晶體也較為美觀；圖2D中錫晶體生長速度較快但析出的錫晶體的形狀成塊狀，碎片較多；圖2E中錫晶體生長速度最快，電解結(jié)束后晶體呈現(xiàn)細碎針狀。由實驗現(xiàn)象可知，20 mL電解液中加入3 g氯化亞錫為較好的氯化亞錫濃度。隨著氯化亞錫濃度的增加，電解液離子強度增加，電阻減小，電解電流相應(yīng)增大，生成錫晶體的速度加快。晶體生長速度過慢，不利于參與者的體驗，速度過快，生成的錫晶體結(jié)構(gòu)比較疏松，容易發(fā)生斷裂，不利于大晶體的產(chǎn)生，所以選擇20 mL電解液中加入3 g氯化亞錫為最優(yōu)條件。

由圖3可知，當硫酸濃度為0.5 mol·L-1(圖3A1)時候，電解液出現(xiàn)白色渾濁現(xiàn)象，此時溶液pH接近中性，氯化亞錫在中性環(huán)境中發(fā)生了水解，不適合做電解。對比圖3B1至3E1可以看出，圖3D1的晶體形態(tài)比較美觀，此時加入硫酸濃度為3 mol·L-1，超過這個濃度晶體的生長速度減緩，意味著并不是電解液的酸度越高晶體生成速度越快，所以選取硫酸濃度為3 mol·L-1。

圖3 加入不同濃度硫酸對電解現(xiàn)象的影響

(2) 陽極電解液。

取40 mL飽和硫酸鉀溶液，滴加一滴酚酞指示劑，用1 mol·L-1氫氧化鉀溶液，調(diào)節(jié)pH至8-9，溶液由無色變?yōu)榧t色，得到陽極電解液。

1.4.2 電解

本步驟為體驗的主要環(huán)節(jié)之一。打開電源， 參與者可以欣賞到錫晶體快速生長的美觀場景。將電解液倒入培養(yǎng)皿中，兩個電極夾住培養(yǎng)皿邊緣，電極浸入電解液。調(diào)節(jié)直流電源電壓至電解電壓，漂亮的錫晶體陰極開始析出。電解電壓是錫晶體形成的重要影響因素之一。將3 g氯化亞錫加入體積比為1 : 1的1 mol·L-1氫氧化鈉和3 mol·L-1硫酸混合溶液中，溶解得到電解液，測試不同電壓條件下錫晶體的生長情況(圖4)。

圖4 不同電解電壓對電解現(xiàn)象的影響

不同的電壓條件下，晶體生長情況明顯不同。圖4A2和圖4B2由于電壓較小，晶體生長緩慢，圖4C2晶體形態(tài)相對較好，圖4D2和圖4E2晶體析出太快，晶形不夠美觀，因此選取8 V為電解電壓。

通過電流方向轉(zhuǎn)換裝置，撥動開關(guān)改變電流方向(電流方向轉(zhuǎn)換裝置的電路原理如圖5所示)，即可看見原來的錫晶體逐漸消融，溶液顏色又由無色變?yōu)榧t色。此外，參與者還可以發(fā)揮想象力，往培養(yǎng)皿中加入各種形狀的金屬模具(圖6)，觀察電解后生長出不同形狀的錫晶體。

圖5 電流方向轉(zhuǎn)換裝置示意圖

圖6 放入金屬模具的錫晶體生長狀況

為了使參與者了解更多的化學知識，在原來電解實驗裝置的基礎(chǔ)上增設(shè)了V型電解池，通過鹽橋(由飽和硫酸鉀與瓊脂制備而成)與原培養(yǎng)皿相連(實驗裝置如圖7所示)。

圖7 帶V型電解池的實驗裝置圖

將陽極電解液(配制過程見1.4.1 (2))倒入V型電解池中，接通電源進行電解。當惰性電極連接直流電源正極時，參與者可以看見培養(yǎng)皿中析出錫晶體，此時培養(yǎng)皿處電極為陰極，反應(yīng)為：

而惰性電極為陽極，在惰性電極處產(chǎn)生大量氧氣，由于浮力作用氣體聚集于V型電解池的右邊玻璃管中；同時電解液由紅色逐漸褪為無色，說明溶液pH變小(酚酞指示酸堿度)。當收集到足夠氧氣時，參與者可以將帶火星的火柴棍靠近氣嘴，打開排氣閥，氣體在左側(cè)玻璃管中水的壓力下向外排出，從而使火星的火柴棍復(fù)燃，可以了解氧氣的助燃性質(zhì)。此時電解池陽極反應(yīng)為：

V型電解池(陽極)的反應(yīng)現(xiàn)象如圖8所示。

圖8 溶液紅色消退、產(chǎn)生氧氣及氧氣使木條復(fù)燃

撥動電流方向切換開關(guān)，改變電流方向，原來的陰極變成陽極，可以看到之前培養(yǎng)皿中生成的錫晶體逐漸消融(因本步驟實驗過程中有氫氣產(chǎn)生，如作為科普實驗，出于安全考慮，建議去掉電流方向切換裝置，省略此步驟，或者在專業(yè)工作人員指導(dǎo)下進行；如作為教學實驗，可包含此實驗步驟，教師對實驗安全做出提醒，避免氫氣產(chǎn)生過量)。反應(yīng)方程式為：

原來的陽極變成了陰極，產(chǎn)生大量氫氣，溶液pH增大，溶液又由無色變成紅色(圖8)。此時的陰極反應(yīng)式為：

V型電解池(陰極)的反應(yīng)現(xiàn)象如圖9所示。

圖9 溶液由無色恢復(fù)為紅色、產(chǎn)生氫氣

1.4.3 顯微鏡和放大鏡觀察

通過顯微鏡放大80倍以上可清晰地觀察到錫晶體微觀結(jié)構(gòu)，錫晶體內(nèi)部排列均勻有序，錯落有致，而放大鏡下的錫晶體也別具風格(圖10)。

圖10 顯微鏡(上圖)和放大鏡(下圖)下的錫晶體形貌

1.4.4 塑封

在模具中電解錫，電解后用移液槍(或吸管等簡易裝置)吸去電解液，吸取過程中應(yīng)注意盡可能地保持錫晶體的完整，確保美觀。用量杯量取A膠和B膠體積比為2.5 : 1的AB膠混合液20 mL，倒入模具中，待AB膠完全凝固硬化，就可以得到晶瑩剔透的錫晶體塑封成品(圖11)。

圖11 塑封成品

2 科普展示和互動方案

本實驗參與度高、互動性強、場景美觀，所用試劑也都綠色安全，非常適合化學知識的科普。主要的互動方案有以下7個：

(1) 參與者在電解時可以觀察錫晶體生長；

(2) 可以發(fā)揮自己的創(chuàng)造力，通過改變電極方向、加入不同形狀的金屬模具等方法控制晶體的生長情況；

(3) 可以通過顯微鏡和放大鏡便捷地觀察錫晶體在微觀下的美麗形態(tài)；

(4) 可以直觀體驗電流方向?qū)﹄姌O反應(yīng)的影響；

(5) 可以體驗氧氣的性質(zhì)；

(6) 可以體驗酸堿指示劑的性質(zhì)；

(7) 通過塑封錫晶體的過程，參與者可以體會到制作的樂趣，漂亮的成品還可以長期保存，具有較強紀念意義。

3 結(jié)語

通過本實驗，讓非專業(yè)人士也能輕松體驗化學的樂趣，領(lǐng)略科學的魅力。本實驗綠色無污染，成本低廉，儀器常規(guī)普遍，實驗場地要求低，實驗現(xiàn)象十分震撼，可以給參與者留下深刻印象，塑封成品，留住錫晶體的美麗瞬間。因此本實驗具有較高的科普意義和社會價值，值得教學、科普機構(gòu)推廣使用。

經(jīng)典實驗就是教學生學思想、學方法[2]。本實驗結(jié)合了較多的基本化學原理與知識，也可以納入大學普通化學的基礎(chǔ)化學實驗課程中，通過本實驗，學生既能提高對化學學科的興趣，又能提高動手能力，培養(yǎng)學生創(chuàng)新的意識。

4 特點/特色/創(chuàng)新性聲明

(1) 實驗現(xiàn)象漂亮、場景震撼，令人印象深刻；

(2) 綜合了較多的化學基礎(chǔ)知識，包括亞錫離子的電解、電解與電流的關(guān)系、酸堿指示劑的使用及氧氣、氫氣的性質(zhì)等，適合作為大學普通化學課程中的一個基礎(chǔ)實驗項目或高中生的探究實驗；

(3) 創(chuàng)新性地設(shè)計了電流方向切換裝置、V型電解池；

(4) 設(shè)備簡單便捷，成本低廉，占用場地小，使用試劑綠色安全，非常適合化學知識的科普。