淺析電解飽與食鹽水實(shí)驗的創(chuàng )新理念
影響電解飽和食鹽水速率條件是什么呢?下面來(lái)分析電解飽與食鹽水實(shí)驗的創(chuàng )新理念。
1、問(wèn)題提出
普通高中課程標準實(shí)驗教科書(shū)化學(xué)1的第40頁(yè)中有如圖1所示的電解飽和食鹽水實(shí)驗。
該實(shí)驗裝置具有能有效收集氣體、檢驗氣體時(shí)易操作等優(yōu)點(diǎn),但其還是未能有效解決下列問(wèn)題:①陰極產(chǎn)生H2量少,進(jìn)行點(diǎn)燃或爆鳴實(shí)驗比較困難;②驗證氯氣時(shí),Cl2容易逃逸到空氣中而污染環(huán)境。
筆者認為:電解速率不快,H2量少可能是由兩方面的原因造成的,第一,在u型管中電解飽和食鹽水時(shí),離子在陰陽(yáng)兩極間的遷移距離過(guò)長(cháng),電阻大。同樣的電壓下,功率消耗大,氣體生成量少;第二,陰極鐵棒浸入溶液部分太短,表面積小,不利于氫氣的產(chǎn)生;第三,在檢驗Cl2性質(zhì)時(shí)難以杜絕其泄漏,若用其他裝置收集并吸收尾氣,則實(shí)驗步驟加多。
2、電解飽和食鹽水實(shí)驗的改進(jìn)
基于以上分析,電解飽和食鹽水實(shí)驗的改進(jìn)思路為:①陰極和陽(yáng)極盡可能靠近,以縮短離子遷移的距離,提高電解的速率;②將電解產(chǎn)生的氯氣和氫氣封閉在電解器中,便于收集、教學(xué)和減少污染。
2.1 實(shí)驗儀器、藥品及其裝置簡(jiǎn)介
儀器:學(xué)生直流電源(1套)、碳棒2根(帶橡膠塞,125×7 mm)、15×150 mL試管2根(先在底部打出小孔,D≈3 mm,這是非常關(guān)鍵的設計)、大燒杯(1個(gè))、自制固定片、洗瓶、火柴、導線(xiàn)若干等。
藥品:飽和食鹽水、酚酞試劑、淀粉碘化鉀試紙、蒸餾水。
試管底部的小孔用酒精噴燈將其底部加熱至紅熱后用鐵釘戳制而成,由于此時(shí)的小孔不規則,需在酒精噴燈上加熱使其孔徑趨于規則,制得的孔徑大概在3 mm左右(實(shí)驗過(guò)程中使用的是15~150 mL試管,3mm的孔徑大小效果較好,固定片是一塊面積略大于燒杯的塑料片,上面的圓孔制作是先對照試管的直徑畫(huà)出其圓孔的大小,再用刻刀沿著(zhù)畫(huà)出的圓孔線(xiàn)(適當縮小)刻出圓孔。由于塑料有—定的形變,當把試管插入小孔的時(shí)候,即可固定試管,再根據固定片大小最后依次刻出其他圓孔。
2.2 實(shí)驗步驟和現象
2.2.1 組裝實(shí)驗儀器
按照圖2安裝實(shí)驗裝置。安裝過(guò)程中應注意:要先在底部有孔的小試管加入飽和食鹽水,可以從小孔加入直至完全趕走空氣,然后在兩支試管中加入幾滴酚酞;再將兩支試管置于燒杯中的飽和食鹽水中。
2.2.2 接通電源,開(kāi)始電解
接通電源,控制電壓在28 V左右,可以觀(guān)察到陰陽(yáng)兩極同時(shí)產(chǎn)生氣體。陰極產(chǎn)生大量小氣泡(H2),試管內液體逐漸被排出試管,同時(shí)無(wú)色液體逐漸變成紅色,可證明陰極產(chǎn)生NaOH;陽(yáng)極也有大量小氣泡(Cl2)生成,但試管內的液體被排出的速率不及陰極處試管快。 2.2.3 關(guān)閉電源,觀(guān)察氣體
當陰極試管中的液體被完全(大部分)排出時(shí)停止電解(建議保留一部分液體,便于觀(guān)察現象和驗證氣體),此時(shí)陽(yáng)極試管中大部分是氣體,可看到略帶黃綠色。將小試管從固定片中拿出來(lái),讓學(xué)生觀(guān)察。由于空氣壓力的作用,試管中殘留的液體不會(huì )滴下來(lái),收集的氣體也不會(huì )逃逸。
2.2.4 驗證生成的氣體
(1)檢驗氫氣。先點(diǎn)燃酒精燈,用手指堵住試管的小孔,試管口靠近酒精燈或點(diǎn)燃的火柴,可聽(tīng)見(jiàn)響亮的爆鳴聲,可證明該氣體是H2。
(2)檢驗氯氣。同樣用手指堵住小孔,試管靠近潤濕淀粉Kl試紙,放開(kāi)堵孔的手指,濕潤的淀粉Kl試紙馬上變深藍色或紫色,可證明該氣體是Cl2�？捎檬稚嚷剼怏w,嗅到刺激性氣味。
2.3 對影響電解飽和食鹽水速率條件的探究
本研究假設,在新的實(shí)驗裝置中影響電解飽和食鹽水速率的條件有電壓高低和電極間距等。筆者在實(shí)驗中針對這兩個(gè)問(wèn)題進(jìn)行了探索,其實(shí)驗結果如下:
根據圖3所示,不難得到結論:在電解電壓保持不變的情況下,電解時(shí)間會(huì )隨著(zhù)兩電極間的距離變化而變化,表現為當增大兩電極間的距離時(shí),需要的電解時(shí)間增大,電解速率變慢。在其他條件不變的情況下,改變電解電壓時(shí),會(huì )發(fā)現電壓與電解時(shí)間呈線(xiàn)性關(guān)系,并且隨著(zhù)電壓的上升,電解所需要的時(shí)間減少,電解速率變快。這就為通過(guò)以改變電源電壓的方式來(lái)提高電解效率提供了一定的理論依據,然而,由于實(shí)驗中提供的直流電源具有一定額定電壓,不可能無(wú)限制的改變電解電壓,所以通過(guò)以改變電極間距離的方式來(lái)提高電解效率仍然具有—定應用價(jià)值。
3、新電解裝置的運用
3.1 電解水實(shí)驗
用上述電解飽和食鹽水裝置完成電解水實(shí)驗,同樣取得成功。實(shí)驗所得氣體生成物收集在底部有孔的小試管中。由于可燃性氣體的爆炸都存在一個(gè)爆炸極限,而實(shí)驗所得的H2是純凈的,所以爆鳴需要混入一定量空氣�？梢宰尲瘽M(mǎn)氫氣的小試管小孔朝上暴露在空氣中,然后再點(diǎn)燃。
3.2 電解CuCl2溶液的實(shí)驗
在電解CuCl2溶液時(shí),可以發(fā)現陰極區有銅生成,溶液由藍色變成黃綠色,而陽(yáng)極區產(chǎn)生氣體,溶液的藍色變淺,且微微透出綠色。如果使用傳統裝置進(jìn)行實(shí)驗,無(wú)法讓學(xué)生觀(guān)察到上述現象,但是改進(jìn)裝置卻能進(jìn)行直觀(guān)教學(xué)一一可將小試管直接從固定片中拿出來(lái)供學(xué)生觀(guān)察,不必擔心氯氣泄露。
4、本改進(jìn)實(shí)驗裝置優(yōu)點(diǎn)
(1)實(shí)驗現象明顯�？梢詫⑿≡嚬軓墓潭ㄆ心贸鰜�(lái),供學(xué)生直接觀(guān)察,不必擔心氣體逃逸。
(2)收集氫氣的速率陜、量多。通過(guò)實(shí)驗找到了電解飽和食鹽水的最佳條件:室溫,電壓為28 V,兩電極間距離為69.1 mm。
(3)體現綠色化學(xué)的理念。實(shí)驗過(guò)程中,氯氣沒(méi)有泄露,實(shí)現零污染。
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