分析电解饱与食盐水实验的创新理念论文
1、问题提出
普通高中课程标准实验教科书化学1的第40页中有如图1所示的电解饱和食盐水实验。
该实验装置具有能有效收集气体、检验气体时易操作等优点,但其还是未能有效解决下列问题:①阴极产生H2量少,进行点燃或爆鸣实验比较困难;②验证氯气时,Cl2容易逃逸到空气中而污染环境。
笔者认为:电解速率不快,H2量少可能是由两方面的原因造成的,第一,在u型管中电解饱和食盐水时,离子在阴阳两极间的迁移距离过长,电阻大。同样的电压下,功率消耗大,气体生成量少;第二,阴极铁棒浸入溶液部分太短,表面积小,不利于氢气的产生;第三,在检验Cl2性质时难以杜绝其泄漏,若用其他装置收集并吸收尾气,则实验步骤加多。
2、电解饱和食盐水实验的改进
基于以上分析,电解饱和食盐水实验的改进思路为:①阴极和阳极尽可能靠近,以缩短离子迁移的距离,提高电解的速率;②将电解产生的氯气和氢气封闭在电解器中,便于收集、教学和减少污染。
2.1 实验仪器、药品及其装置简介
仪器:学生直流电源(1套)、碳棒2根(带橡胶塞,125×7 mm)、15×150 mL试管2根(先在底部打出小孔,D≈3 mm,这是非常关键的设计)、大烧杯(1个)、自制固定片、洗瓶、火柴、导线若干等。
药品:饱和食盐水、酚酞试剂、淀粉碘化钾试纸、蒸馏水。
试管底部的小孔用酒精喷灯将其底部加热至红热后用铁钉戳制而成,由于此时的小孔不规则,需在酒精喷灯上加热使其孔径趋于规则,制得的孔径大概在3 mm左右(实验过程中使用的是15~150 mL试管,3mm的孔径大小效果较好,固定片是一块面积略大于烧杯的塑料片,上面的圆孔制作是先对照试管的直径画出其圆孔的大小,再用刻刀沿着画出的圆孔线(适当缩小)刻出圆孔。由于塑料有—定的形变,当把试管插入小孔的时候,即可固定试管,再根据固定片大小最后依次刻出其他圆孔。
2.2 实验步骤和现象
2.2.1 组装实验仪器
按照图2安装实验装置。安装过程中应注意:要先在底部有孔的小试管加入饱和食盐水,可以从小孔加入直至完全赶走空气,然后在两支试管中加入几滴酚酞;再将两支试管置于烧杯中的饱和食盐水中。
2.2.2 接通电源,开始电解
接通电源,控制电压在28 V左右,可以观察到阴阳两极同时产生气体。阴极产生大量小气泡(H2),试管内液体逐渐被排出试管,同时无色液体逐渐变成红色,可证明阴极产生NaOH;阳极也有大量小气泡(Cl2)生成,但试管内的液体被排出的速率不及阴极处试管快。
2.2.3 关闭电源,观察气体
当阴极试管中的液体被完全(大部分)排出时停止电解(建议保留一部分液体,便于观察现象和验证气体),此时阳极试管中大部分是气体,可看到略带黄绿色。将小试管从固定片中拿出来,让学生观察。由于空气压力的作用,试管中残留的液体不会滴下来,收集的气体也不会逃逸。
2.2.4 验证生成的.气体
(1)检验氢气。先点燃酒精灯,用手指堵住试管的小孔,试管口靠近酒精灯或点燃的火柴,可听见响亮的爆鸣声,可证明该气体是H2。
(2)检验氯气。同样用手指堵住小孔,试管靠近润湿淀粉Kl试纸,放开堵孔的手指,湿润的淀粉Kl试纸马上变深蓝色或紫色,可证明该气体是Cl2。可用手扇闻气体,嗅到刺激性气味。
2.3 对影响电解饱和食盐水速率条件的探究
本研究假设,在新的实验装置中影响电解饱和食盐水速率的条件有电压高低和电极间距等。笔者在实验中针对这两个问题进行了探索,其实验结果如下:
根据图3所示,不难得到结论:在电解电压保持不变的情况下,电解时间会随着两电极间的距离变化而变化,表现为当增大两电极间的距离时,需要的电解时间增大,电解速率变慢。在其他条件不变的情况下,改变电解电压时,会发现电压与电解时间呈线性关系,并且随着电压的上升,电解所需要的时间减少,电解速率变快。这就为通过以改变电源电压的方式来提高电解效率提供了一定的理论依据,然而,由于实验中提供的直流电源具有一定额定电压,不可能无限制的改变电解电压,所以通过以改变电极间距离的方式来提高电解效率仍然具有—定应用价值。
3、新电解装置的运用
3.1 电解水实验
用上述电解饱和食盐水装置完成电解水实验,同样取得成功。实验所得气体生成物收集在底部有孔的小试管中。由于可燃性气体的爆炸都存在一个爆炸极限,而实验所得的H2是纯净的,所以爆鸣需要混入一定量空气。可以让集满氢气的小试管小孔朝上暴露在空气中,然后再点燃。
3.2 电解CuCl2溶液的实验
在电解CuCl2溶液时,可以发现阴极区有铜生成,溶液由蓝色变成黄绿色,而阳极区产生气体,溶液的蓝色变浅,且微微透出绿色。如果使用传统装置进行实验,无法让学生观察到上述现象,但是改进装置却能进行直观教学一一可将小试管直接从固定片中拿出来供学生观察,不必担心氯气泄露。
4、本改进实验装置优点
(1)实验现象明显。可以将小试管从固定片中拿出来,供学生直接观察,不必担心气体逃逸。
(2)收集氢气的速率陕、量多。通过实验找到了电解饱和食盐水的最佳条件:室温,电压为28 V,两电极间距离为69.1 mm。
(3)体现绿色化学的理念。实验过程中,氯气没有泄露,实现零污染。
U型管是利用两根管子之间的压差进行测量，U型管中是充有水、水银等液体，当其两端的压力相等时，两根管子的液体液面高度是相等的。当其中的一根管子接入被测气体时，由于气体存在一定的压力而导致U型管两个管子中的液位有高度差，记录U型管后板上的刻度得到的高度差值，乘以U型管液体的密度，再乘以中立加速度，就得到U型管两端的压差，这就是被测气体相对大气压的压差。如：压差=U型管液体高度差×U型管中液体的密度×重力加速度
U型管检查差压有两种形式，一种是开放式检测，即U型管的一端与被测点连接，另一端通大气，得到的是高于大气压的表压力（一般就叫压力），或低于大气压的负压（也叫真空度）。另一种是封闭式检测，U型管的两端都与被测点连接，得到的是两个被测点之间的相对差压。
由于U型管都是用玻璃制成，且玻璃的机械强度较低，同时受玻璃管的长度限制，U型管一般用于检测压差较小，且被测介质无毒无害的气体压力或差压。
这是物理问题：正常大气压下的情况下，连通体中液面高度必然相等。（你见过水杯里的水一边高一边低吗？）。可以推出如果液面高度不等，那么两边就不是正常大气压，从而揭示了该装置并没有和外界连通，气密性良好。
如果是一个试管（或锥型瓶）和单孔橡皮塞的制取气体的装置，可以将导气管放入水里，（没口即可）用手握紧试管，导气管口有气泡产生，则气密性良好。
如果是一个试管（或锥型瓶）和双孔橡皮塞（一个导气管和长颈漏斗）的制取气体的装置，可以将导气管放入水里，（没口即可）从长颈漏斗到水），如过导气管口有气泡产生，则气密性良好。
