電解氯化銅溶液實(shí)驗(yàn)教學(xué)的探究

鄭曉影 徐森林

（泰州市第二中學(xué) 江蘇泰州 225300）

電解CuCl2溶液的實(shí)驗(yàn)，在現(xiàn)行人教版的教材上只提及了簡單的實(shí)驗(yàn)步驟和現(xiàn)象，對(duì)具體的如何進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作則沒有作明確的說明。而對(duì)“電解原理的重要應(yīng)用”中的電解精煉銅和電鍍?cè)淼戎R(shí)，在現(xiàn)行教材也只花了很少的篇幅來講解，并且相關(guān)的實(shí)驗(yàn)很少，這給學(xué)生理解電解的原理增加了較大的難度。為此，我們對(duì)電解CuCl2溶液實(shí)驗(yàn)裝置作了一定的改進(jìn)，并將實(shí)驗(yàn)的內(nèi)容進(jìn)行必要的延伸和拓展，取得了較好的教學(xué)效果，對(duì)化學(xué)實(shí)驗(yàn)課的有效教學(xué)具有一定的參考價(jià)值。

下面，將我們關(guān)于電解氯化銅溶液實(shí)驗(yàn)教學(xué)的探究過程作一個(gè)簡述。

1．電解CuCl2溶液

實(shí)驗(yàn)材料：0.8mol/L CuCl2溶液、淀粉碘化鉀試紙、U形管、石墨電極、導(dǎo)線、直流電源、燒杯、玻璃棒、鐵架臺(tái)、鐵夾。

實(shí)驗(yàn)過程：

將0.8 mol/L CuCl2溶液轉(zhuǎn)移到U形管中，充滿U形管的2/3容積，使兩臂管上面各空2cm左右。將U形管固定在鐵架臺(tái)的鐵夾上。將兩支石墨電極放入U(xiǎn)形管兩臂管中。連接電路，接通直流電源，電壓在4到6V之間為宜（圖1）。一段時(shí)間后可順利觀察到兩極發(fā)生的現(xiàn)象：(1)陽極有氣泡，以潤濕的淀粉碘化鉀試紙檢驗(yàn)，可見到試紙變藍(lán)。(2)陰極棒上有銅析出，可看到紅色的銅附在石墨四周。

通過對(duì)實(shí)驗(yàn)的觀察、產(chǎn)物的鑒別以及討論，學(xué)生逐步學(xué)會(huì)分析：陰、陽離子在外電場的作用下在溶液中的定向遷移，兩極發(fā)生反應(yīng)的過程（電極方程式），電解池的總反應(yīng)方程式，并由此歸納出陰、陽離子的放電順序并延伸為以下規(guī)律，陰極：Ag+＞Hg+＞Fe3+＞Cu2+＞H+＞Pb2+＞Sn2+＞Fe2+＞Zn2+＞（H2O）＞Al3+＞Mg2+＞Na+＞Ca2+＞K+（注：將H+和H2O的放電順序分開表示，有利于學(xué)生接下來對(duì)鍍Zn及活潑金屬在非水條件下進(jìn)行電解制備原理的理解）； 陽極：S2-＞I-＞Br-＞Cl-＞OH-＞含氧酸根離子（＞等）＞F-。

2．延伸改進(jìn)一

為引導(dǎo)學(xué)生研究電極材料在電解過程中的作用，對(duì)剛才的實(shí)驗(yàn)作如下的改進(jìn)展開教學(xué)：將原陽極石墨棒換成純銅板，補(bǔ)充一定的CuCl2溶液，使U形管的兩臂管上面各空1cm，左右兩電極反接（圖2），持續(xù)電解一段時(shí)間，發(fā)現(xiàn)現(xiàn)陽極石墨棒上原來析出的銅逐漸溶解直至消失，這時(shí)可看到陰極純銅板上又有紅色的銅析出。

前后實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的強(qiáng)烈反差，會(huì)引發(fā)學(xué)生的好奇心，激起探究欲望，從而為此做出了種種大膽的猜測。學(xué)生經(jīng)過小組討論，就能順利地得出：此時(shí)陰極發(fā)生的電極反應(yīng)是Cu2++2e-=Cu，陽極發(fā)生的電極反應(yīng)是Cu－2e-=Cu2+。這時(shí)，教師可以說明一下，當(dāng)用在金屬活動(dòng)性順序表中銀及其以前的金屬作陽極時(shí)，一般優(yōu)先于溶液中的陰離子而失電子，即金屬首先被腐蝕，為活潑陽極。同時(shí)，也可以為學(xué)生進(jìn)一步理解電解精煉銅的原理提供積極的引導(dǎo)，有助于學(xué)生理解：用粗銅作陽極，純銅作陰極，并用銅鹽溶液（CuCl2溶液等）作電解液，可以實(shí)現(xiàn)銅的電解精煉。

同時(shí)，教師還可以用溫度計(jì)引導(dǎo)學(xué)生去發(fā)現(xiàn)一個(gè)“意外”的現(xiàn)象：U形管兩端的溫度出現(xiàn)了明顯的差異，石墨電極一側(cè)溫度高，而Cu電極一側(cè)，溫度變化不大。

分析及結(jié)論：這種現(xiàn)象與電極材料的導(dǎo)電性能有關(guān)，即Q=I2Rt，電極材料導(dǎo)電性能優(yōu)劣決定了電解過程中電能損耗的多少（轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮埽＿@就能為解釋在電解飽和食鹽水時(shí)用金屬材料做陰極奠定了基礎(chǔ)。這樣，運(yùn)用物理學(xué)知識(shí)來解決化學(xué)中的問題，有利于促進(jìn)相關(guān)學(xué)科的知識(shí)在學(xué)習(xí)過程中的相互滲透，能夠提高學(xué)生的綜合素質(zhì)和學(xué)習(xí)能力。在學(xué)生有序地解決各種具體問題并設(shè)計(jì)出該反應(yīng)裝置的過程中，對(duì)物質(zhì)變化過程中的各種影響因素及其相互關(guān)系的認(rèn)識(shí)，又上升到一個(gè)新的高度。

3．延伸改進(jìn)二

將“延伸改進(jìn)一”實(shí)驗(yàn)中的石墨棒換成純鋅板，用4到6V的電壓持續(xù)電解（圖3），會(huì)發(fā)現(xiàn)陽極純鋅板表面逐漸變得粗糙（溶解），溶液的藍(lán)色逐漸褪去，陰極純銅板上一開始有紅色的銅析出，然后有氣泡放出。

學(xué)生通過觀察記錄和小組討論后，不難得出陽極發(fā)生的反應(yīng)應(yīng)該是Zn－2e-=Zn2+，陰極開始發(fā)生的反應(yīng)應(yīng)該首先是Cu2++2e-=Cu，然后是2H++2e-=H2↑（開始時(shí)電解液中各離子濃度Cu2+＞H+＞Zn2+）,從而進(jìn)一步提高學(xué)生對(duì)電解時(shí)溶液中陽離子的放電順序的認(rèn)識(shí)。

拓展研究：如果按照?qǐng)D3所示的實(shí)驗(yàn)裝置，經(jīng)過足夠長的時(shí)間后，還可以觀察到陰極上停止產(chǎn)生氣泡，并逐漸析出一層灰白色的物質(zhì)。從而引導(dǎo)學(xué)生分析討論：隨著陽極發(fā)生的反應(yīng)Zn－2e-=Zn2+不斷進(jìn)行，溶液中c(Zn2+)逐漸增大，達(dá)到一定濃度時(shí)，Zn2+可先于H+放電，在陰極發(fā)生如下反應(yīng)：Zn2++2e-=Zn，因而銅板表面會(huì)析出金屬鋅。這就為講解電鍍的原理作了鋪墊。此外，教師可以引導(dǎo)學(xué)生討論，認(rèn)識(shí)“放電順序不是絕對(duì)化的，除與離子氧化還原性有關(guān)外，還與溶液濃度，電解電壓及電極材料等因素有關(guān)”。教師可以補(bǔ)充說明一下：+2價(jià)的鉛錫鐵鋅幾種離子，在氫離子濃度大時(shí)應(yīng)后于氫離子放電；當(dāng)氫離子濃度較小，而+2價(jià)的鉛錫鐵鋅幾種離子的濃度足夠大時(shí)則先于氫離子放電。這樣，有利于學(xué)生形成“量變引起質(zhì)變”的辯證唯物主義世界觀，進(jìn)而達(dá)成教學(xué)的三維目標(biāo)。

通過以上循序漸進(jìn)的實(shí)驗(yàn)裝置的改進(jìn)和實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容拓展，逐層深入地揭示了電解池的原理、電解精煉銅和電鍍的基本方法、原理及其特點(diǎn)。實(shí)踐證明，兩個(gè)改進(jìn)實(shí)驗(yàn)隨著學(xué)生研究視點(diǎn)的有序轉(zhuǎn)移，要求他們運(yùn)用所學(xué)的知識(shí)，突破原有的思維模式，變換思維的角度，分析解決實(shí)際問題，從而就有了全新的收獲，也極大地調(diào)動(dòng)了學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，使電解的有關(guān)原理和知識(shí)在學(xué)生的腦海中形成了一個(gè)較為完整的知識(shí)體系。同時(shí)，也為以后學(xué)習(xí)氯堿工業(yè)的生產(chǎn)原理、活潑金屬的冶煉等電解原理的具體應(yīng)用打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，使學(xué)生在學(xué)習(xí)相關(guān)知識(shí)時(shí)有一種親切感，因而學(xué)習(xí)起來得心應(yīng)手，從而可以取得較好的教學(xué)效果。

［1］ 王祖浩．普通高中課程標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)教科書．化學(xué)與技術(shù)（選修）［M］．南京：江蘇教育出版社，2006：26－30

［2］ 武漢大學(xué)化學(xué)與分子科學(xué)學(xué)院實(shí)驗(yàn)中心編．無機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)［M］．武漢：武漢大學(xué)出版社， 2002

［3］ 努麗燕娜，王保峰．實(shí)驗(yàn)電化學(xué)［M］．北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2007．3