Y型雙液原電池與電解池的“巧用”

戴躍華

(江蘇省鎮江第一中學)

筆者和同事對蘇教版選擇性必修1的《原電池的工作原理》中的活動探究實驗——銅鋅雙液原電池實驗進行了改進,并寫了一篇文章《銅鋅雙液原電池演示實驗創新設計的實踐和思考》,改進后的實驗不僅簡化了實驗儀器、減少了試劑用量而且增大了電流強度。我們從上述實驗中得到啟發,用改進后的銅鋅雙液原電池作為學生電源,將電極材料和電解液巧妙組合起來,就能構成一套多功能電解實驗裝置,設計成微型電解實驗,做到電解實驗的微量化、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 實驗儀器及藥品

(1)實驗儀器:Y型玻璃管1支、銅電極1根、鋅電極1根、導線、燒杯、玻璃棒等輔助材料若干、PVC白板1塊

(2)實驗試劑: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 實驗裝置圖

圖1 灌裝好的一體化Y型玻璃管原電池

1.3 實驗步驟

1.3.1 鹽橋的制備

筆者通過分析資料,調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;往負極區支管里加入0.5 mol·L-1ZnSO4溶液,至離管口2 cm左右,并加入鋅電極。

1.3.3 實驗儀器的固定和電路的連接

通過導線,在PVC白板的后面將正極和負極串聯好,裝上開關,形成一個閉合回路;在白板的下角分別安裝導線柱,方便連接導線夾。

至此,一個完整的銅鋅雙液原電池制作完成,制作簡單、攜帶方便、操作簡化。隨即,我們對制作的雙液原電池進行電化學測量,電流在25 mA左右、電壓在1.2 V左右(如圖5、圖6),這個電流強度和電壓完全在人體安全承受范圍之內,所以我們利用這個原電池,將其組裝,作為安全的學生電源,結合課本實例解決中學實驗中電解應用的實驗。

圖5 電流強度

圖6 電壓強度

2.具體應用實例

2.1 檢驗鹽橋中陰陽離子的遷移方向

2.1.1 實驗儀器及藥品

(1)實驗儀器:自制Y型玻璃管原電池、購買的針頭和針筒、導線若干

(2)實驗試劑:四苯硼鈉稀溶液(可以檢測微量的K+)

2.1.2 實驗裝置

圖7 K+遇到四苯硼鈉產生白色沉淀

圖8 Zn-Cu雙液原電池的工作原理

2.1.3 實驗步驟

(1)按照圖1連接好裝置,接通電路。

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

(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極,形成定向遷移,產生電流。

設計意圖:利用四苯硼鈉稀溶液與鉀離子發生反應,在正極附近產生白色沉淀,證明飽和氯化鉀鹽橋中的陰陽離子發生遷移,進而說明電解質溶液中陰陽離子會發生定向遷移,從而產生電流。

(4)通過現象分析微觀原因,作為原電池,電解質溶液中的陽離子——K+定向遷移到正極,陰離子——Cl-定向遷移到負極,從而產生連續不斷的電流,為后續我們自制的雙液原電池作為學生電源提供理論基礎。

2.2 電解飽和食鹽水

2.2.1 實驗儀器及藥品

(1)實驗儀器:自制Y型玻璃管原電池、大頭針、鉑絲、鐵釘、玻璃培養皿、導線若干

(2)實驗試劑:飽和食鹽水、淀粉碘化鉀試紙、pH試紙

2.2.2 實驗裝置

圖9 電解裝置圖

圖10 電極材料及檢測的試紙

圖11 電解之后試紙的變化

2.2.3 實驗步驟

(1)按照圖9所示,用紅色導線將鉑絲與原電池正極相連,作陽極;用黑色導線將鐵釘與原電池負極相連,作陰極。下面實驗接法相同。

(2)將鉑絲緊靠淀粉碘化鉀試紙,鐵釘緊靠pH試紙。

(3)向事先準備好的玻璃培養皿中加入1滴飽和食鹽水,然后進行電解。電解30 s后,接電源正極即陽極附近淀粉碘化鉀試紙出現藍色;接電源負極即陰極附近pH試紙出現藍色(圖11)。

設計意圖:利用陽極附近淀粉碘化鉀試紙出現藍色,證明陽極附近產生了氯氣;利用陰極附近pH試紙出現藍色,說明陰極附近溶液顯堿性,證明陰極附近產生了氫氧化鈉。

【透過現象回歸課本】這部分的電解飽和食鹽水的實驗屬于課本必做實驗,需要用到學生電源接交流電,存在安全隱患。另外由于交流電產生的電流大,反應速率較快,產生的氯氣無法很好地控制,且產生氯氣的濃度比較大,會污染環境。所以根據以上改進實驗,不僅可以很好地控制氯氣的產生速率和氯氣的濃度,還便于學生安全操作,濃度更小,更不易造成環境污染。本次實驗最重要的一個亮點之處,還可以根據陽極和陰極的現象,分別得出陽極區陰離子的放電順序是Cl-先于水中OH-;陰極區陽離子的放電順序是水中H+先于Na+。這樣由實驗現象來證明放電順序,明顯好于死記硬背,也容易提高學生的參與意識和學習興趣。

課本中在氯堿工業上提出,由于陽極產生的氯氣與陰極產生的氫氣會發生劇烈的反應而發生爆炸,另外氯氣與氫氧化鈉溶液反應會生成次氯酸鈉,從而降低氯氣和氫氧化鈉溶液的濃度,所以需要安裝陽離子交換膜,將兩極進行隔開。本部分改進實驗可以規避這個問題,只需要很少的量就可以得到明顯的現象,并且由于濃度較小,并不會發生爆炸。為此,我們根據試題的需要,添加討論和設計離子交換膜的問題,同時這也是高考的方向。

圖12

圖13

讓學生分組討論圖12,得出陰離子交換膜并不能解決上述這些問題,所以需要添加陽離子交換膜,并總結出陽離子交換膜的優點: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溶液反應生成NaClO,影響Cl2和NaOH溶液的產量。

圖13是2020年某地的模考題,通過雙膜,來模擬以濃海水為原料直接制備酸堿。根據氫離子和氫氧根離子的遷移方向,判斷出a為陽極、b為陰極。B區產生混合酸,所以海水中氯離子遷移到B區,從而判斷出B區的離子交換膜是陰離子交換膜。同理,D區產生混合堿,海水中陽離子需要遷移到D區與氫氧根離子結合形成混合堿,進而判斷出C區的離子交換膜是陽離子交換膜。這樣Ⅱ口出來的就是淡水了。

2.3 電解硫酸銅溶液

2.3.1 實驗儀器及藥品

(1)實驗儀器:自制Y型玻璃管原電池、鉑絲、鐵釘、玻璃培養皿、導線若干

(2)實驗試劑:CuSO4溶液、pH試紙

2.3.2 實驗裝置

圖14 電解前電極的情況

圖15 電解后電極的情況

2.3.3 實驗步驟

(1)與圖9接法相同。

(2)將包裹pH試紙的鉑絲、鐵釘同時放入裝有硫酸銅溶液的玻璃培養皿中。

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

設計意圖:利用陽極附近pH試紙出現紅色,說明陽極附近顯酸性,證明陽極附近產生了硫酸;利用陰極附近出現紅色固體,證明陰極附近產生銅。

2.4 電解氯化銅溶液

2.4.1 實驗儀器及藥品

(1)實驗儀器:自制Y型玻璃管原電池、鉑絲、鐵釘、玻璃培養皿、導線若干

(2)實驗試劑:CuCl2溶液、pH試紙、淀粉碘化鉀試紙

2.4.2 實驗裝置

圖16 電解后鐵釘電極上的情況

2.4.3 實驗步驟

(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)向事先準備好的玻璃培養皿中加入幾滴氯化銅溶液,然后進行電解(圖16)。

(4)電解片刻后,接電源正極即陽極附近淀粉碘化鉀試紙出現藍色;接電源負極即陰極鐵釘上出現紅色固體,pH試紙無變化。

設計意圖:利用陽極附近淀粉碘化鉀試紙出現藍色,說明陽極附近產生氯氣;利用陰極附近出現紅色固體,證明陰極附近產生銅。

通過以上實驗,還可以得出陽極上陰離子的放電順序:Cl->OH-;陰極上陽離子的放電順序:Cu2+>H+。

【透過現象看本質】通過實驗2.3和實驗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驗,在鐵釘的表面鍍一層保護層。根據實驗現象,可以判斷出粗銅和精銅應該放在什么極,加深學生對粗銅精煉的電極判斷以及電極反應。另外,還可以利用電解原理,讓學生設計一個簡單的電鍍實驗——電鍍金屬,這樣寓教于樂,可以激發學生濃厚的學習興趣。

2.5 電解硫酸鈉溶液

2.5.1 實驗儀器及藥品

(1)實驗儀器:自制Y型玻璃管原電池、鉑絲、鐵釘、玻璃培養皿、導線若干

(2)實驗試劑:硫酸鈉溶液、pH試紙

2.5.2 實驗步驟

(1)與圖9接法相同。

(2)將鉑絲、鐵釘緊靠pH試紙。

(3)向事先準備好的玻璃培養皿中加入幾滴硫酸鈉溶液,然后進行電解。

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

設計意圖:利用陽極附近pH試紙變紅色,證明陽極附近生成酸;利用陰極附近pH試紙變藍色,證明陰極附近生成堿。

【透過現象看本質】本部分實驗,用的是惰性電極鉑絲作陽極,鐵釘作陰極,分別發生氧化反應和還原反應,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。還可以繼續改變電極材料,比如將兩極改為鐵,根據實驗現象判斷出活潑金屬作為陽極材料時,活潑金屬會先于電解質溶液中的陰離子反應,這個內容在平時的教學中,學生是經常犯錯的。對此,在本部分實驗之后可以讓學生分組討論,設計證明活潑金屬對電極反應的影響,這樣可以加深學生對這部分知識的鞏固和強化,做到發現問題、提出問題、解決問題,這樣便可以解決考試中會遇到的問題。

3.實驗反思

(1)在所學知識的基礎上改進和開發學生實驗,培養學生動手能力和創新能力,通過與Y型管的結合,可以將學生實驗可操作化,儀器簡約化,實驗現象清晰化。

(2)在選擇電解飽和食鹽水的電極材料時,考慮過用2B鉛筆的鉛筆芯代替惰性電極作陽極。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,導電效果較差,所以在試驗過程中并沒有達到預期效果——無法觀察到陽極區的淀粉碘化鉀試紙變藍。

(3)筆者在網上購買到純石墨電極作為陽極,觀察到淀粉碘化鉀試紙很快變藍,效果明顯,但是觀察到另外一個反常的情況——陰極上pH試紙出現藍色的時間不僅變長,而且藍色效果也略微變差。

(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期的藍色。

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

本次改進實驗,是通過Y型管構成雙液原電池,進而作為學生電源。學生互相討論實驗方案,并自己動手構建更加簡單可行的雙液原電池,并分組進行電解實驗。一方面,鍛煉了學生的動手能力,提高學生的學習興趣。另一方面,在每個實驗的后面,配套幾道練習題,便真正做到了通過微型實驗鍛煉學生動手能力,同時通過練習鞏固本實驗所要達到的效果。