1、問題提出
江蘇教育出版社出版的普通高中課程標準實驗教科書化學1的第40頁中有如圖1所示的電解飽和食鹽水實驗。
該實驗裝置具有能有效收集氣體、檢驗氣體時易操作等優點,但其還是未能有效解決下列問題:①陰極產生H2量少,進行點燃或爆鳴實驗比較困難;②驗證氯氣時,Cl2容易逃逸到空氣中而污染環境。
筆者認爲: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,離子在陰陽兩極間的遷移距離過長,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,不利於氫氣的產生;第三,在檢驗Cl2性質時難以杜絕其泄漏,若用其他裝置收集並吸收尾氣,則實驗步驟加多。
2、電解飽和食鹽水實驗的改進
基於以上分析,電解飽和食鹽水實驗的改進思路爲:①陰極和陽極儘可能靠近,以縮短離子遷移的距離,提高電解的速率;②將電解產生的氯氣和氫氣封閉在電解器中,便於收集、教學和減少污染。
2.1 實驗儀器、藥品及其裝置簡介
儀器:學生直流電源(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,這是非常關鍵的設計)、大燒杯(1個)、自制固定片、洗瓶、火柴、導線若干等。
藥品:飽和食鹽水、酚酞試劑、澱粉碘化鉀試紙、蒸餾水。
試管底部的小孔用酒精噴燈將其底部加熱至紅熱後用鐵釘戳制而成,由於此時的小孔不規則,需在酒精噴燈上加熱使其孔徑趨於規則,製得的孔徑大概在3 mm左右(實驗過程中使用的是15~150 mL試管,3mm的孔徑大小效果較好,固定片是一塊麪積略大於燒杯的塑料片,上面的圓孔製作是先對照試管的.直徑畫出其圓孔的大小,再用刻刀沿着畫出的圓孔線(適當縮小)刻出圓孔。由於塑料有—定的形變,當把試管插入小孔的時候,即可固定試管,再根據固定片大小最後依次刻出其他圓孔。
2.2 實驗步驟和現象
2.2.1 組裝實驗儀器
按照圖2安裝實驗裝置。安裝過程中應注意: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,然後在兩支試管中加入幾滴酚酞;再將兩支試管置於燒杯中的飽和食鹽水中。
2.2.2 接通電源,開始電解
接通電源,控制電壓在28 V左右,可以觀察到陰陽兩極同時產生氣體。陰極產生大量小氣泡(H2),試管內液體逐漸被排出試管,同時無色液體逐漸變成紅色,可證明陰極產生NaOH;陽極也有大量小氣泡(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 關閉電源,觀察氣體
當陰極試管中的液體被完全(大部分)排出時停止電解(建議保留一部分液體,便於觀察現象和驗證氣體),此時陽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,讓學生觀察。由於空氣壓力的作用,試管中殘留的液體不會滴下來,收集的氣體也不會逃逸。
2.2.4 驗證生成的氣體
(1)檢驗氫氣。先點燃酒精燈,用手指堵住試管的小孔,試管口靠近酒精燈或點燃的火柴,可聽見響亮的爆鳴聲,可證明該氣體是H2。
(2)檢驗氯氣。同樣用手指堵住小孔,試管靠近潤溼澱粉Kl試紙,放開堵孔的手指,溼潤的澱粉Kl試紙馬上變深藍色或紫色,可證明該氣體是Cl2。可用手扇聞氣體,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。筆者在實驗中針對這兩個問題進行了探索,其實驗結果如下:
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,電解時間會隨着兩電極間的距離變化而變化,表現爲當增大兩電極間的距離時,需要的電解時間增大,電解速率變慢。在其他條件不變的情況下,改變電解電壓時,會發現電壓與電解時間呈線性關係,並且隨着電壓的上升,電解所需要的時間減少,電解速率變快。這就爲透過以改變電源電壓的方式來提高電解效率提供了一定的理論依據,然而,由於實驗中提供的直流電源具有一定額定電壓,不可能無限制的改變電解電壓,所以透過以改變電極間距離的方式來提高電解效率仍然具有—定應用價值。
3、新電解裝置的運用
3.1 電解水實驗
用上述電解飽和食鹽水裝置完成電解水實驗,同樣取得成功。實驗所得氣體生成物收集在底部有孔的小試管中。由於可燃性氣體的爆炸都存在一個爆炸極限,而實驗所得的H2是純淨的,所以爆鳴需要混入一定量空氣。可以讓集滿氫氣的小試管小孔朝上暴露在空氣中,然後再點燃。
3.2 電解CuCl2溶液的實驗
在電解CuCl2溶液時,可以發現陰極區有銅生成,溶液由藍色變成黃綠色,而陽極區產生氣體,溶液的藍色變淺,且微微透出綠色。如果使用傳統裝置進行實驗,無法讓學生觀察到上述現象,但是改進裝置卻能進行直觀教學一一可將小試管直接從固定片中拿出來供學生觀察,不必擔心氯氣泄露。
4、本改進實驗裝置優點
(1)實驗現象明顯。可以將小試管從固定片中拿出來,供學生直接觀察,不必擔心氣體逃逸。
(2)收集氫氣的速率陝、量多。透過實驗找到了電解飽和食鹽水的最佳條件:室溫,電壓爲28 V,兩電極間距離爲69.1 mm。
(3)體現綠色化學的理念。實驗過程中,氯氣沒有泄露,實現零污染。