Y型雙液原電池與電解池的“巧用”

戴躍華

(江蘇省鎮(zhèn)江第一中學(xué))

筆者和同事對(duì)蘇教版選擇性必修1的《原電池的工作原理》中的活動(dòng)探究實(shí)驗(yàn)——銅鋅雙液原電池實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了改進(jìn),并寫了一篇文章《銅鋅雙液原電池演示實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新設(shè)計(jì)的實(shí)踐和思考》,改進(jìn)后的實(shí)驗(yàn)不僅簡(jiǎn)化了實(shí)驗(yàn)儀器、減少了試劑用量而且增大了電流強(qiáng)度。我們從上述實(shí)驗(yàn)中得到啟發(fā),用改進(jìn)后的銅鋅雙液原電池作為學(xué)生電源,將電極材料和電解液巧妙組合起來,就能構(gòu)成一套多功能電解實(shí)驗(yàn)裝置,設(shè)計(jì)成微型電解實(shí)驗(yàn),做到電解實(shí)驗(yàn)的微量化、綠色化、可視化。

1.一體化Y型玻璃管原電池的具體制作過程

1.1 實(shí)驗(yàn)儀器及藥品

(1)實(shí)驗(yàn)儀器:Y型玻璃管1支、銅電極1根、鋅電極1根、導(dǎo)線、燒杯、玻璃棒等輔助材料若干、PVC白板1塊

(2)實(shí)驗(yàn)試劑:獅頭牌瓊脂粉1袋、1.0 mol·L-1CuSO4溶液、0.5 mol·L-1ZnSO4溶液、KCl固體、大紅色素1袋、蒸餾水

1.2 實(shí)驗(yàn)裝置圖

圖1 灌裝好的一體化Y型玻璃管原電池

1.3 實(shí)驗(yàn)步驟

1.3.1 鹽橋的制備

筆者通過分析資料,調(diào)整了加料順序和藥品的用量。具體操作如下:稱取約0.8 g瓊脂粉溶于100 mL開水中,攪拌使之完全溶解后加入約24 g KCl固體,完全溶解后趁熱倒入已預(yù)熱的Y型玻璃管,液面只要超過Y型玻璃管的岔口即可。待溶液冷卻后,凝膠就形成了,至此鹽橋也就做好了。

圖2

圖3

圖4 鹽橋的制備過程

1.3.2 溶液的灌裝和電極的加入

往正極區(qū)支管里注入1.0 mol·L-1CuSO4溶液,至離管口2 cm左右,并加入銅電極;往負(fù)極區(qū)支管里加入0.5 mol·L-1ZnSO4溶液,至離管口2 cm左右,并加入鋅電極。

1.3.3 實(shí)驗(yàn)儀器的固定和電路的連接

通過導(dǎo)線,在PVC白板的后面將正極和負(fù)極串聯(lián)好,裝上開關(guān),形成一個(gè)閉合回路;在白板的下角分別安裝導(dǎo)線柱,方便連接導(dǎo)線夾。

至此,一個(gè)完整的銅鋅雙液原電池制作完成,制作簡(jiǎn)單、攜帶方便、操作簡(jiǎn)化。隨即,我們對(duì)制作的雙液原電池進(jìn)行電化學(xué)測(cè)量,電流在25 mA左右、電壓在1.2 V左右(如圖5、圖6),這個(gè)電流強(qiáng)度和電壓完全在人體安全承受范圍之內(nèi),所以我們利用這個(gè)原電池,將其組裝,作為安全的學(xué)生電源,結(jié)合課本實(shí)例解決中學(xué)實(shí)驗(yàn)中電解應(yīng)用的實(shí)驗(yàn)。

圖5 電流強(qiáng)度

圖6 電壓強(qiáng)度

2.具體應(yīng)用實(shí)例

2.1 檢驗(yàn)鹽橋中陰陽(yáng)離子的遷移方向

2.1.1 實(shí)驗(yàn)儀器及藥品

(1)實(shí)驗(yàn)儀器:自制Y型玻璃管原電池、購(gòu)買的針頭和針筒、導(dǎo)線若干

(2)實(shí)驗(yàn)試劑:四苯硼鈉稀溶液(可以檢測(cè)微量的K+)

2.1.2 實(shí)驗(yàn)裝置

圖7 K+遇到四苯硼鈉產(chǎn)生白色沉淀

圖8 Zn-Cu雙液原電池的工作原理

2.1.3 實(shí)驗(yàn)步驟

(1)按照?qǐng)D1連接好裝置,接通電路。

(2)隨即在正極附近滴入數(shù)滴四苯硼鈉稀溶液,正極附近很快出現(xiàn)大量的白色沉淀(圖7)。說明正極附近有鉀離子出現(xiàn),鉀離子遇到四苯硼鈉產(chǎn)生白色沉淀。

(3)證明鹽橋中的鉀離子遷移到正極,另外的氯離子遷移到負(fù)極,形成定向遷移,產(chǎn)生電流。

設(shè)計(jì)意圖:利用四苯硼鈉稀溶液與鉀離子發(fā)生反應(yīng),在正極附近產(chǎn)生白色沉淀,證明飽和氯化鉀鹽橋中的陰陽(yáng)離子發(fā)生遷移,進(jìn)而說明電解質(zhì)溶液中陰陽(yáng)離子會(huì)發(fā)生定向遷移,從而產(chǎn)生電流。

(4)通過現(xiàn)象分析微觀原因,作為原電池,電解質(zhì)溶液中的陽(yáng)離子——K+定向遷移到正極,陰離子——Cl-定向遷移到負(fù)極,從而產(chǎn)生連續(xù)不斷的電流,為后續(xù)我們自制的雙液原電池作為學(xué)生電源提供理論基礎(chǔ)。

2.2 電解飽和食鹽水

2.2.1 實(shí)驗(yàn)儀器及藥品

(1)實(shí)驗(yàn)儀器:自制Y型玻璃管原電池、大頭針、鉑絲、鐵釘、玻璃培養(yǎng)皿、導(dǎo)線若干

(2)實(shí)驗(yàn)試劑:飽和食鹽水、淀粉碘化鉀試紙、pH試紙

2.2.2 實(shí)驗(yàn)裝置

圖9 電解裝置圖

圖10 電極材料及檢測(cè)的試紙

圖11 電解之后試紙的變化

2.2.3 實(shí)驗(yàn)步驟

(1)按照?qǐng)D9所示,用紅色導(dǎo)線將鉑絲與原電池正極相連,作陽(yáng)極;用黑色導(dǎo)線將鐵釘與原電池負(fù)極相連,作陰極。下面實(shí)驗(yàn)接法相同。

(2)將鉑絲緊靠淀粉碘化鉀試紙,鐵釘緊靠pH試紙。

(3)向事先準(zhǔn)備好的玻璃培養(yǎng)皿中加入1滴飽和食鹽水,然后進(jìn)行電解。電解30 s后,接電源正極即陽(yáng)極附近淀粉碘化鉀試紙出現(xiàn)藍(lán)色;接電源負(fù)極即陰極附近pH試紙出現(xiàn)藍(lán)色(圖11)。

設(shè)計(jì)意圖:利用陽(yáng)極附近淀粉碘化鉀試紙出現(xiàn)藍(lán)色,證明陽(yáng)極附近產(chǎn)生了氯氣;利用陰極附近pH試紙出現(xiàn)藍(lán)色,說明陰極附近溶液顯堿性,證明陰極附近產(chǎn)生了氫氧化鈉。

【透過現(xiàn)象回歸課本】這部分的電解飽和食鹽水的實(shí)驗(yàn)屬于課本必做實(shí)驗(yàn),需要用到學(xué)生電源接交流電,存在安全隱患。另外由于交流電產(chǎn)生的電流大,反應(yīng)速率較快,產(chǎn)生的氯氣無法很好地控制,且產(chǎn)生氯氣的濃度比較大,會(huì)污染環(huán)境。所以根據(jù)以上改進(jìn)實(shí)驗(yàn),不僅可以很好地控制氯氣的產(chǎn)生速率和氯氣的濃度,還便于學(xué)生安全操作,濃度更小,更不易造成環(huán)境污染。本次實(shí)驗(yàn)最重要的一個(gè)亮點(diǎn)之處,還可以根據(jù)陽(yáng)極和陰極的現(xiàn)象,分別得出陽(yáng)極區(qū)陰離子的放電順序是Cl-先于水中OH-;陰極區(qū)陽(yáng)離子的放電順序是水中H+先于Na+。這樣由實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象來證明放電順序,明顯好于死記硬背,也容易提高學(xué)生的參與意識(shí)和學(xué)習(xí)興趣。

課本中在氯堿工業(yè)上提出,由于陽(yáng)極產(chǎn)生的氯氣與陰極產(chǎn)生的氫氣會(huì)發(fā)生劇烈的反應(yīng)而發(fā)生爆炸,另外氯氣與氫氧化鈉溶液反應(yīng)會(huì)生成次氯酸鈉,從而降低氯氣和氫氧化鈉溶液的濃度,所以需要安裝陽(yáng)離子交換膜,將兩極進(jìn)行隔開。本部分改進(jìn)實(shí)驗(yàn)可以規(guī)避這個(gè)問題,只需要很少的量就可以得到明顯的現(xiàn)象,并且由于濃度較小,并不會(huì)發(fā)生爆炸。為此,我們根據(jù)試題的需要,添加討論和設(shè)計(jì)離子交換膜的問題,同時(shí)這也是高考的方向。

圖12

圖13

讓學(xué)生分組討論圖12,得出陰離子交換膜并不能解決上述這些問題,所以需要添加陽(yáng)離子交換膜,并總結(jié)出陽(yáng)離子交換膜的優(yōu)點(diǎn):①平衡電荷,形成閉合回路;②防止Cl2和H2混合而引起爆炸;③避免Cl2與NaOH溶液反應(yīng)生成NaClO,影響Cl2和NaOH溶液的產(chǎn)量。

圖13是2020年某地的?？碱},通過雙膜,來模擬以濃海水為原料直接制備酸堿。根據(jù)氫離子和氫氧根離子的遷移方向,判斷出a為陽(yáng)極、b為陰極。B區(qū)產(chǎn)生混合酸,所以海水中氯離子遷移到B區(qū),從而判斷出B區(qū)的離子交換膜是陰離子交換膜。同理,D區(qū)產(chǎn)生混合堿,海水中陽(yáng)離子需要遷移到D區(qū)與氫氧根離子結(jié)合形成混合堿,進(jìn)而判斷出C區(qū)的離子交換膜是陽(yáng)離子交換膜。這樣Ⅱ口出來的就是淡水了。

2.3 電解硫酸銅溶液

2.3.1 實(shí)驗(yàn)儀器及藥品

(1)實(shí)驗(yàn)儀器:自制Y型玻璃管原電池、鉑絲、鐵釘、玻璃培養(yǎng)皿、導(dǎo)線若干

(2)實(shí)驗(yàn)試劑:CuSO4溶液、pH試紙

2.3.2 實(shí)驗(yàn)裝置

圖14 電解前電極的情況

圖15 電解后電極的情況

2.3.3 實(shí)驗(yàn)步驟

(1)與圖9接法相同。

(2)將包裹pH試紙的鉑絲、鐵釘同時(shí)放入裝有硫酸銅溶液的玻璃培養(yǎng)皿中。

(3)電解片刻后,陽(yáng)極鉑絲上無變化,pH試紙變紅;陰極鐵釘上出現(xiàn)紅色固體(圖14、圖15)。

設(shè)計(jì)意圖:利用陽(yáng)極附近pH試紙出現(xiàn)紅色,說明陽(yáng)極附近顯酸性,證明陽(yáng)極附近產(chǎn)生了硫酸;利用陰極附近出現(xiàn)紅色固體,證明陰極附近產(chǎn)生銅。

2.4 電解氯化銅溶液

2.4.1 實(shí)驗(yàn)儀器及藥品

(1)實(shí)驗(yàn)儀器:自制Y型玻璃管原電池、鉑絲、鐵釘、玻璃培養(yǎng)皿、導(dǎo)線若干

(2)實(shí)驗(yàn)試劑:CuCl2溶液、pH試紙、淀粉碘化鉀試紙

2.4.2 實(shí)驗(yàn)裝置

圖16 電解后鐵釘電極上的情況

2.4.3 實(shí)驗(yàn)步驟

(1)與圖9接法相同。

(2)將鉑絲緊靠淀粉碘化鉀試紙,鐵釘緊靠pH試紙。

(3)向事先準(zhǔn)備好的玻璃培養(yǎng)皿中加入幾滴氯化銅溶液,然后進(jìn)行電解(圖16)。

(4)電解片刻后,接電源正極即陽(yáng)極附近淀粉碘化鉀試紙出現(xiàn)藍(lán)色;接電源負(fù)極即陰極鐵釘上出現(xiàn)紅色固體,pH試紙無變化。

設(shè)計(jì)意圖:利用陽(yáng)極附近淀粉碘化鉀試紙出現(xiàn)藍(lán)色,說明陽(yáng)極附近產(chǎn)生氯氣;利用陰極附近出現(xiàn)紅色固體,證明陰極附近產(chǎn)生銅。

通過以上實(shí)驗(yàn),還可以得出陽(yáng)極上陰離子的放電順序:Cl->OH-;陰極上陽(yáng)離子的放電順序:Cu2+>H+。

【透過現(xiàn)象看本質(zhì)】通過實(shí)驗(yàn)2.3和實(shí)驗(yàn)2.4,不僅可以判斷出放電順序,還可以完成粗銅精煉和電鍍實(shí)驗(yàn),在鐵釘?shù)谋砻驽円粚颖Ｗo(hù)層。根據(jù)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象,可以判斷出粗銅和精銅應(yīng)該放在什么極,加深學(xué)生對(duì)粗銅精煉的電極判斷以及電極反應(yīng)。另外,還可以利用電解原理,讓學(xué)生設(shè)計(jì)一個(gè)簡(jiǎn)單的電鍍實(shí)驗(yàn)——電鍍金屬,這樣寓教于樂,可以激發(fā)學(xué)生濃厚的學(xué)習(xí)興趣。

2.5 電解硫酸鈉溶液

2.5.1 實(shí)驗(yàn)儀器及藥品

(1)實(shí)驗(yàn)儀器:自制Y型玻璃管原電池、鉑絲、鐵釘、玻璃培養(yǎng)皿、導(dǎo)線若干

(2)實(shí)驗(yàn)試劑:硫酸鈉溶液、pH試紙

2.5.2 實(shí)驗(yàn)步驟

(1)與圖9接法相同。

(2)將鉑絲、鐵釘緊靠pH試紙。

(3)向事先準(zhǔn)備好的玻璃培養(yǎng)皿中加入幾滴硫酸鈉溶液,然后進(jìn)行電解。

(4)電解片刻后,接電源正極即陽(yáng)極附近pH試紙變紅;接電源負(fù)極即陰極附近pH試紙變藍(lán)。

設(shè)計(jì)意圖:利用陽(yáng)極附近pH試紙變紅色,證明陽(yáng)極附近生成酸;利用陰極附近pH試紙變藍(lán)色,證明陰極附近生成堿。

【透過現(xiàn)象看本質(zhì)】本部分實(shí)驗(yàn),用的是惰性電極鉑絲作陽(yáng)極,鐵釘作陰極,分別發(fā)生氧化反應(yīng)和還原反應(yīng),可以判斷出氫離子和鈉離子、氫氧根離子和硫酸根離子的放電順序。還可以繼續(xù)改變電極材料,比如將兩極改為鐵,根據(jù)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象判斷出活潑金屬作為陽(yáng)極材料時(shí),活潑金屬會(huì)先于電解質(zhì)溶液中的陰離子反應(yīng),這個(gè)內(nèi)容在平時(shí)的教學(xué)中,學(xué)生是經(jīng)常犯錯(cuò)的。對(duì)此,在本部分實(shí)驗(yàn)之后可以讓學(xué)生分組討論,設(shè)計(jì)證明活潑金屬對(duì)電極反應(yīng)的影響,這樣可以加深學(xué)生對(duì)這部分知識(shí)的鞏固和強(qiáng)化,做到發(fā)現(xiàn)問題、提出問題、解決問題,這樣便可以解決考試中會(huì)遇到的問題。

3.實(shí)驗(yàn)反思

(1)在所學(xué)知識(shí)的基礎(chǔ)上改進(jìn)和開發(fā)學(xué)生實(shí)驗(yàn),培養(yǎng)學(xué)生動(dòng)手能力和創(chuàng)新能力,通過與Y型管的結(jié)合,可以將學(xué)生實(shí)驗(yàn)可操作化,儀器簡(jiǎn)約化,實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象清晰化。

(2)在選擇電解飽和食鹽水的電極材料時(shí),考慮過用2B鉛筆的鉛筆芯代替惰性電極作陽(yáng)極。由于鉛筆芯是石墨和黏土按照一定比例混合而成的,所含黏土的比例較高,導(dǎo)電效果較差,所以在試驗(yàn)過程中并沒有達(dá)到預(yù)期效果——無法觀察到陽(yáng)極區(qū)的淀粉碘化鉀試紙變藍(lán)。

(3)筆者在網(wǎng)上購(gòu)買到純石墨電極作為陽(yáng)極,觀察到淀粉碘化鉀試紙很快變藍(lán),效果明顯,但是觀察到另外一個(gè)反常的情況——陰極上pH試紙出現(xiàn)藍(lán)色的時(shí)間不僅變長(zhǎng),而且藍(lán)色效果也略微變差。

(4)筆者也試過用銅電極代替惰性電極,但是兩電極都沒有看到預(yù)期的藍(lán)色。

(5)鉑絲作陽(yáng)極時(shí),筆者也想過用pH試紙先變紅后褪色來檢驗(yàn)氯氣的生成,但是看不到紅色。

本次改進(jìn)實(shí)驗(yàn),是通過Y型管構(gòu)成雙液原電池,進(jìn)而作為學(xué)生電源。學(xué)生互相討論實(shí)驗(yàn)方案,并自己動(dòng)手構(gòu)建更加簡(jiǎn)單可行的雙液原電池,并分組進(jìn)行電解實(shí)驗(yàn)。一方面,鍛煉了學(xué)生的動(dòng)手能力,提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。另一方面,在每個(gè)實(shí)驗(yàn)的后面,配套幾道練習(xí)題,便真正做到了通過微型實(shí)驗(yàn)鍛煉學(xué)生動(dòng)手能力,同時(shí)通過練習(xí)鞏固本實(shí)驗(yàn)所要達(dá)到的效果。