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第11章 关于电化学的实验操作和改进(1)

电子流动方向指示器

电子流动方向指示器是利用电流流经导线产生的磁场,使导线一侧的磁针发生一定方向的偏转,让学生根据物理学的知识,用右手定则判断出电子从导线中流过的方向,从而认识原电池中电极上哪一极发生了氧化反应,哪一极发生还原反应。北京东城区教科研中心宫泳春老师介绍的做法是:

构造及制法简介

仪器的外形:是硬纸做成直径约15厘米的线圈架,上绕一层粗铜线约10圈,再绕细铜线约1000多圈,两者构成一测电流一测电压的线圈,用波段上开关,可接成串联或并联,6为两个接线柱线圈架固定在底座上后外观成Ω形,贴上金属亮光纸,看起来就像一个金属半园导体,两端有两个导线的接线座,学生可以从线圈中磁针2摆动的方向,判断这一导体上电子流动的方向。是固定在磁针轴上的金属铝圆片,铝圆片浸在塑料圆盒3中的润滑油里,利用铝圆片在油中的阻尼作用使磁针的往复摆动减至最少,且又不影响磁针偏转的灵敏度,利于即时观察到指针偏转角的大小,以判断流经导体电流和电压的大小。

示教用法

教学时一般和原电池并接配套使用,将原电池的锌片和铜片分别用导线连在两个接线座上,开关拨到电压档,即使装置中的粗、线两个线圈串联,磁针会按一定方向偏转,明确指出有电子从锌片流出经导体流入铜片。如同时用锌、铁、铜三种金属片插在稀硫酸中,用导线分别接其中的两种金属,从三种原电池的两两金属组合中,铁、锌构成原电池铁是正极,铁、铜构成原电池,铁是负极,这说明锌比铁容易失电子,铁比铜容易失电子的这一顺序,反映了金属活动性顺序的本质。

当这一装置串联到电源和电解或电镀的电路中,利用装置中的粗线圈(将开关拨到两个线圈并联),同样可以指出线路中电子流动的方向,帮助学生理解电解或电镀时的电极反应原理。

电化学实验的组合装置

所需仪器和药品

有机玻璃组合板,白色有机玻璃一块,长约30cm,宽约12cm,中间嵌六根电极,每根电极约宽03cm,电极之间相距约4cm,用铁架台、铁夹固定好。

宽7cm、长10cm的粗滤纸若干张,交直流低压电源、导线、小电珠(连灯座),示教电流计,镊子、玻璃棒、电阻箱。

KMnO4稀溶液、KNO3饱和溶液,NaCl饱和溶液、稀硫酸、铜电镀液、碘化钾淀粉试纸、酚酞试剂。

实验内容和步骤

(1)溶液中离子的定向移动:

用粗滤纸浸取KNO3饱和溶液后,贴在有机玻璃组合板上,并与两个铜极接触,再用宽03cm左右的粗滤纸条浸取KMnO4稀溶液,贴在两极中间,接通直流电源(24V)约3~4分钟,见到红色的MnO-4成条状向阳极作定向移动,而原来的滤纸条成无色。

(2)电解质溶液的导电性实验:

用粗滤纸浸取稀H2SO4后,贴在有机玻璃组合板上,并与两个碳极接触,用导线串联上小电珠,接通直流电源后(16V),小电珠发亮。

(3)电解饱和食盐水:

用粗滤纸浸取饱和NaCl溶液后,贴在有机玻璃组合板上,并与碳极、铁极接触,正碳极上再贴一条湿润的碘化钾淀粉试纸,在铁极上再贴一条浸过酚酞试剂的粗滤纸;碳极接正极,铁极接负极。接通直流电源(24V),约2~3分钟,碘化钾淀粉试纸变兰,酚酞试纸变红。

(4)电镀铜:

用粗滤纸浸取铜电镀液后,贴在有机玻璃组合板上,并与铁极、铜极接触;铜极接正极,铁极接负极、串联上变阻箱(250Ω),接通直流电源(2V),约3~4分钟,揭去滤纸,可见到铁极镀上了一层光亮的金属铜。

(5)原电池装置:

用粗滤纸浸取稀H2SO4,贴在有机玻璃组合板上,并与锌极、铜极接触;用导线串联上灵敏电流计后,观察到电流计的指针偏转,铜极上有气泡产生。

此组合板还可以做其他的一些实验。

自制电化学多功能演示器

为了适应教学的需要,辽宁沈阳医疗器械学校孙桂清老师自制了一台电化学多功能演示器,该仪器能应用于多种电化学实验。

仪器装置如下:

①指示灯②开关③导线④烧杯⑤底板⑥支架⑦漏斗夹⑧穿线孔⑨电极操作如下:

(1)比较相同浓度溶液的导电性在三只100ml烧杯中,分别装入50ml01MH2SO4、01MH3PO4、01MHAc溶液,插入石墨电极,通电后观察指示灯的明亮程度,01MH2SO4的指示灯最亮;01MHAc的指示灯最暗;01MH3PO4界于中间。

(2)观察中和反应过程中溶液的导电性。

在100ml烧杯中注入80ml的去离子水,插入石墨电极,通电后指示灯不亮,说明水的电离度极小。而后用滴定管滴加20滴(约1ml)035NH2SO4溶液,搅拌后指示灯即发亮。将035NBa(OH)2缓缓往稀硫酸溶液里滴定,同时搅拌,发现灯光逐渐变暗,直到完全熄灭时停止滴定,说明硫酸和氢氧化钡中和后,生成难溶Ba(OH)2分子和水分子,因为它们的电离度很小,溶液即不导电。如果再滴加Ba(OH)2溶液,发现灯光又逐渐发亮,这是因为溶液中增加了Ba2+离子和OH-离子,溶液又导电。

(3)观察弱电解质相互作用过程中溶液的导电性。

①取100ml的烧杯,注入50ml12MHAc溶液,插入石墨电极,合上开关,小灯几乎不亮;用相同浓度NH3·H2O代替HAc,结果相同,因为它们都是弱电解质。

②若把HAc和NH3·H2O混合起来,小灯就亮了因为两者相互作用生成了NH4Ac盐是强电解质。

(4)进行电解质,非电解质实验。

取三只100ml的烧杯,分别装入80ml相同浓度的C2H5OH、HAc、NaCl溶液,插入石墨电极、观察指示灯的发光程度,盛装C2H5OH溶液烧杯的指示灯泡不发光。判断为非电解质;盛装HAC溶液烧杯的指示灯灯光较暗,为弱电解质;盛装NaCl溶液烧杯的指示灯灯光很亮,为强电解质。

(5)进行原电池实验。

①将两炭电极取下,分别换上一个Zn电极和一个Cu电极(最好是片状的)。

②将Zn电极插入30ml05MZnSO4溶液中,将Cu电极插入30ml05MCuSO4溶液中,且用盐桥连通。

③将演示器的电源接头接到灵敏电流计上,合上开关,发现电流计指针偏转,说明原电池产生了电流。

(6)进行电解实验。

①将石墨电极取下,各接30cm长的硬质Cu导线。

②取一表面皿,上面放一张滤纸,并用1MNaCl溶液湿润之,再加入一滴酚酞指示剂。

③将硬质导线的两端隔开约05~08cm距离并均与滤纸接触,合上开关小灯发光。2分钟后,发现滤纸上导线接触点附近颜色有了改变,阴极处变红,说明NaCl溶液已经电解。

(7)进行电镀实验。

①将二个石墨电极取下,一个换上已经去锈去油干净的铁片作阴极;另一个换上两个并联的锌片作阳极,铁片与锌片面积之比保持2∶1或3∶1均可。

②取一只250ml烧杯,加入200ml电镀液,将铁片挂在二锌片之间约相距5cm左右。

③接通电源,合上开关,指示灯发光,进行电镀约20分钟左右,拉断电源,取出已镀好的铁片用水冲洗,纯化5~10分钟,再用水冲洗,铁片上便镀上了一层光亮的锌。

简易电化学整流装置

西南有色地质职工中等专业学校戈洵滔、马明仙根据金属铝和铅在碳酸氢钠溶液中电极电位不同进行电化学整流。在输入端串联钨丝灯,输入220伏交流电,可输出200伏以下的直流电。

材料及装置

(1)铅板电极

共4块,面积为4×6cm2,重约100克。自行熔制,用粗铁丝围个圈,即可在平地上浇铸成形。

(2)铝丝电极

取用直径2~3mm,长15cm黑胶皮电线4条。剥去外皮。

(3)电解槽

4个,由硬塑料杯或罐头瓶组成,用打孔的聚乙烯片将容器隔成两个电极室。

(4)钨丝灯泡

15,40,100瓦各两个。

(5)电解液

6%碳酸氨钠。

装置接线方法。输入端两个灯泡可按实验需要改变功率(15,30,40,55,80,100,115,140,200瓦,九挡)。将四个电解池以聚乙稀片围起来,加盖,固定在40×20cm2的配电板上就成为一个轻便的装置。

电化学全波整流装置

性能

当接上交流电,输出端接上负载后,四条铝丝上都发生氢气:

2H++2e=H2↑即在输出端铝丝上消耗了电子,为正极。

而四个铅板上都析出棕色较紧密的二氧化铅层。

Pb+2H2O=PbO2+4H++4e即在铅板上可供出电子,为负极。

输出端的直流电压和电流强度经数分钟后即稳定。输入端灯泡功率加大,输出电路上电流强度接近成比例的增加。

输出端负载的电阻加大,灯泡的亮度减弱。但输出端断开时,灯泡仍保持暗红,这时铝丝与溶液界面有细小电光闪烁。

接入交流电源后,经过计算,本装置的内阻为数百欧姆。输出端短路,没有任何危险。

长期使用过程中,碳酸氢钠溶液对铅和二氧化铅的侵蚀性极弱。溶液中仅含微量铅,可用硫化钠检出。因局部溶液pH值增高,也有可能析出少量氢氧化铝沉淀,但不影响使用效果。

该装置使用数小时后,电解液可能升温10℃左右。必要时应补充蒸馏水。

以铜片代替铅板或以硫酸钠代替碳酸氢钠,仍有整流作用,但实际效果差得多。

运用本装置可进行电泳、电解等实验,也可作为小型蓄电池充电器;当经过长时使用后,也可把四个铅电极取出作为正极,另制一个海绵状的铅板作为负极,浸在1∶3硫酸中,即可成为铅蓄电池。

微型电解质溶液导电测试仪

溶液的导电性是讲述电解质概念的重要实验。在中学化学初中课本“电解质与非电解质”及高中课本“强电解质与弱电解质”中的演示实验均以220V交流电作电源,灯泡为指示器。这种实验方法不够安全,而且只能由教师本人操作,若用干电池或蓄电池作电源,则又因电解质溶液电阻太大而使灯泡不亮。为了能安全、简便操作做好这一实验,为了能增强生动的直观性、让学生自己动手实验,杭州师范学院杨玉如老师研制了微型电解质溶液导电测试仪。

本测试仪以二只钮扣电池作电源,选用发光二极管为指示器:

实验表明:装置可明显地区分电解质和非电解质,而装置体积仅为45cm3,结构极为简单,但发光二极管在强电解质溶液中所显示的亮度仍不够大。为了放大电流,增加了一个三极管和一个保护电阻。便可将发光二极管的亮度调到在强电解质溶液中接近最大的发光亮,这极大地提高了测试的灵敏性。

在测试时,只须把用铜丝做的探头插入溶液,便可根据发光二极管的亮、暗、熄三种不同的状况来判断强电解质、弱电解质和非电解质。用它来测试浓醋酸稀释过程中导电能力大小的变化及测试固态的硝酸钾晶体和熔化状态的硝酸钾导电的对比实验都十分明显。而制作的测试仪的体积却仅为12cm3。

微型电解质溶液导电测试仪线路简单,所须的电子元件价格便宜,作外壳的材料要求低。由于电源和指示器体积小,故可装在任何小型的盒子里。若以二节5号电池作电源,则其体积相应增大。为此,中华化学教师和学生(尤其是高年级学生)皆有能力动手自己制作。从而把电解质溶液导电性的演示实验改为边讲边实验或学生分组实验。这不仅能激发学生的学习兴趣,收到良好的教学效果,亦培养了学生的动手能力。

微型电解质溶液导电测试仪的制作,可作为开展第二课堂的内容,如与物理课外活动结合起来。由学生自己动手组装制作,再将成品用于化学实验;学科之间的相互渗透、把化学实验与电子技术相结合,对培养学生的综合技能、提高学生的科学素质定能起到一定的作用。

离子运动的演示实验的方法

离子在电场中的运动,我们不能直接观察到。为了加强直观性教学,加深同学们对离子在电场中的运动规律的理解,提高对化学这门科学的学习兴趣,上海市川沙卫生学校倪正龙老师在教学实践中,积累了一些经验,利用有些离子本身的颜色,如Cu2+、Fe3+、Fe2+、MnO-4、CrO2-4、Cr2O2-7等离子和无色离子和指示剂显色的特性,设计了一种离子运动的演示实验的方法,把离子在电场中的运动直观地,形象地显示出来。现把实验方法介绍如下。

直流电源

本实验方法对电源的要求并不高,2伏以上的电压即可。不过电压太低,离子运动速度慢,费时,现象也不明显,影响实验效果和质量,所以我们采用12V(用1号干电池8节)。当然如果有条件,电压可采用30伏以上,这样既省时现象又明显,容易取得实验成功。电压和时间的大致关系。在实验中,控制电流在50毫安左右。控制电流的方法是通过调节两极间的距离来实现的。电流大,离子运动速度快,现象明显,一般电流能够达到50毫安,就能够保证实验取得成功。

实验装置

在玻璃片(长:10cm,宽:5cm)上放上一张滤纸(比玻璃片略小),两端平行地放上石墨电极(1号干电池碳棒),电极间的距离可随意调节,用以控制电流,一般为4到6厘米。

实验步骤

首先用2MKNO3溶液1毫升湿润滤纸和电极,用以增强导电能力,然后在两极中间用滴管和电极平行地滴上被则溶液,或者画一条线,接上电源,调节两极距离,控制电流在40~50毫安,2-3分钟后就可以看到明显的离子运动的现象。

实验一、有色阳离子(如Cu2+)在电场中的运动装置仪器,按实验步骤,在滤纸的中央用1M硫酸铜溶液划上一条线,接通电源,4分钟后,就可以看到在阴极区的边缘有一条蓝色的线,证明铜离子向阴极运动。

如用氢氧化铁的胶体做实验,10分钟以后就可以看到在阴极区附近有一条红棕色的线,证明氢氧化铁胶粒向阴极运动,间接可以证明氢氧化铁胶粒带正电荷,并且运动速度慢,说明胶粒比一般的阳离子大。

实验二、有色阴离子如(Cr2O2-7)在电场中的运动用025M重铬酸钾溶液做实验,8分钟以后,就可以在阳极区的附近看到一条深桔黄的线,证明重铬酸根离子向阳极运动,其运动速度比一般的阳离子慢,因为其质量较大。

实验三、有色阴阳离子混和液在电场中的双向运动取2M硫酸铜溶液3毫升,滴入01M高锰酸钾溶液3~4滴,配制成蓝紫色混和液(注意,两种溶液的比例与实验是否成功有很大的关系)做实验。3分钟后,就可以看到在阴极区附近有一条蓝色的线,而在阳极区附近有一条紫红色的线。证明铜离子向阴极运动,高锰酸根离子向阳极运动,并且可以明显地看出铜离子的运动速度大于高锰酸根离子的速度。

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