離子在電場中運動的實驗探究

王向坤 李躍春 耿淑玲

（湖南師范大學化學化工學院湖南長沙410081）

離子在電場中運動的實驗探究

王向坤 李躍春 耿淑玲

（湖南師范大學化學化工學院湖南長沙410081）

該實驗利用中學常見的儀器自制實驗裝置，生動形象地向學生展示離子在電場中的運動情況。實驗裝置簡單，操作容易，既可用于課堂演示，也適合學生獨立實驗，更有利于學生對離子在電場中的運動規律的理解，提高學生對化學的學習興趣。

離子；電場；運動；實驗

一、問題的提出

在義務教育課程標準實驗教科書《化學》九年級（上冊）第四單元“物質構成的奧秘”一章中主要講述的是原子的構成、元素、離子、化學式和化合價四個小節內容，對于學生來講，掌握這部分內容十分重要，是他們今后學習其他知識的基礎。但這章的內容非常抽象，遠離學生的生活經驗，且又無演示實驗加以說明。另外，在普通高中課程標準實驗教科書《化學》選修4第四章第三節“電解池”一節中也涉及了離子在電場中運動的相關知識點。因此，在教師講解完這些內容后，可以增加課堂演示實驗“離子在電場中運動”，加深學生對微觀粒子的認識及運動規律的理解，為其今后的學習打好堅實的基礎。通過上網搜索和查閱文獻，目前有三篇關于該實驗的研究，一種實驗方法是在玻璃片上放上浸有硝酸鉀的濾紙，兩端平行放上石墨電極上，然后在兩極中間用滴管滴上高錳酸鉀溶液，或者劃一條線，接通電源，觀察離子的移動；第二種方法是在一支U形管中注入大半管硫酸鉀溶液，U形管的兩邊插入電極，中間的長頸漏斗里注入飽和硫酸銅溶液與高錳酸鉀溶液的混合液；還有一種方法是用銅絲將濾紙固定在試管上，浸有高錳酸鉀的棉線放在濾紙中央，觀察離子的運動。以上三種方法雖然可以初步揭示離子在電場中的運動情況，但是第一種方法，電極未固定，劃線易使紫紅色高錳酸鉀溶液立即向四周擴散，難以使學生觀察到清晰的實驗現象；第二種方法的實驗裝置非中學常規實驗儀器，操作不方便，且大量的電解質溶液會將藍紫色的硫酸銅和高錳酸鉀的混合溶液稀釋，因而實驗現象不明顯；最后一種方法是用兩根銅絲將濾紙固定在試管上，但是由于銅絲比較細，產生的電場作用力很小，不足以使高錳酸鉀溶液離開棉線在濾紙上擴散，因此實驗現象不明顯，重現性差，不適用于課堂演示實驗及學生獨立實驗。為了進一步完善以上三種實驗操作，本文采用中學常見的實驗儀器，自制實驗裝置，操作簡單，實驗現象明顯。此外，教師也可以在課后指導學生親手動手操作該實驗，加深學生對離子在電場中的運動規律的理解，提高對化學的學習興趣。

二、實驗部分

1.實驗目的

通過化學實驗方法清晰地呈現出微觀離子在電場中的運動現象，加深學生對離子在電場中的運動相關知識的理解。

2.實驗原理

濾紙上的電解質溶液在通電時發生電解，陰離子在陽極發生氧化反應，陽離子在陰極發生還原反應；棉線上帶負電荷的高錳酸根離子在電場力的作用下向陽極移動。

3.實驗用品

燒杯（100mL），鐵架臺，玻璃棒，導線（2根），注射器，濾紙，試管（25mm×200mm），低壓電源（J1201-1），高錳酸鉀，硫酸鉀，銅片（75mm×26mm，2個），棉線（若干），鑰匙，電子天平，酒精燈，鑷子，表面皿，三腳架，石棉網，火柴。

4.實驗裝置（如圖1）5.實驗步驟

（1）取一支帶有橡膠塞的試管（25mm×

200mm）水平固定在鐵架臺上，然后將2個銅片（75mm×26mm）分別固定在兩根導線上，連接好電路（如圖1）。

（2）取一個100mL的小燒杯在電子天平上準確稱取3.48g硫酸鉀固體，加入10mL蒸餾水，，在酒精燈上加熱至晶體溶解，即得2mol/L的K2SO4溶液。

圖1 離子在電場中運動裝置

圖2 離子在電場中運動的裝置實物圖

圖3 離子在電場中運動的實驗結果放大圖

（3）用注射器吸取適量上述2mol/L的K2SO4溶液，緩慢推動注射器將濾紙浸濕，然后小心的裹在已水平固定的試管上，注意濾紙和試管之間不要留有氣泡。

（4）將已連接好的銅片彎曲成圓弧狀，并在硫酸鉀溶液中浸濕，然后使其恰好完全固定在濾紙的兩端。

（5）取酒精燈芯的細棉線約20根左右，擰成一個長約10cm，內徑約為0.5cm的棉線備用。

（6）將上述棉線置于表面皿上，滴入適量0.01mol/L的KMnO4使其恰好浸濕棉線，并小心平行地放在兩銅片電極的中間。

（7）打開電源，接通12Ⅴ的電壓，觀察棉線上紫紅色溶液的擴散情況（如圖2、3）。

6.實驗結果與分析

實驗開始時，棉線上的紫紅色溶液首先向兩邊略微擴散，然后紫紅色溶液逐漸向陽極擴散，數秒鐘后，可觀察到大量的紫紅色出現在陽極濾紙一邊，而陰極濾紙一邊只有剛開始擴散的少量紫紅色。

上述實驗現象表明：進入電場中，紫紅色的高錳酸根離子，在硫酸鉀電解質溶液（濾紙上）的作用下首先向兩極擴散，然后由于高錳酸根離子帶負電荷在電場中受電場力的作用，逐漸向陽極移動，因而在陽極濾紙上呈現出大片紫紅色。

7.實驗注意問題

（1）硫酸鉀一定要完全浸濕濾紙，且濾紙裹在試管上不可以有氣泡。

（2）浸有高錳酸鉀的棉線一定要小心放置在兩銅片中間，使兩邊等距，且放好后不可再移動棉線。

（3）為了增加高錳酸根離子的擴散速度，可在銅片兩端用注射器滴加等量硫酸鉀溶液。

（4）若因天氣冷等原因導致高錳酸根離子的擴散速度變慢，可以再大試管中裝入熱水，以增加其擴散的速度。

（5）銅片的大小在70mm×20mm～80mm×30mm之間，太大太小都不利于實驗的進行。

三、實驗的優點

（1）此實驗現象生動有趣，對比鮮明。

（2）用化學方法清晰地呈現出微觀離子在電場中的運動現象，加深學生對離子在電場中的運動規律的理解。

（3）實驗儀器均為中學常規儀器，裝置簡單，操作簡便，易推廣。

（4）此實驗在教師的指導下，學生親自動手操作，既培養了學生的實驗動手能力，也激發了對化學的學習興趣。

［1］倪正龍.介紹一種離子運動的演示實驗的方法［J］.化學教學，1991，（6）：18-19

［2］課程教材研究所.義務教育課程標準實驗教科書·化學（九年級上冊）［M］.北京：人民教育出版社，2006：18-19

1008-0546（2013）06-0090-02

G633.8

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10.3969/j.issn.1008-0546.2013.06.040