书城自然科学动手做实验丛书--高级化学实验改进设计实践
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第15章 关于电化学的实验操作和改进(5)

(1)金属阳极笔。a先将玻管洗净。b将一个与玻管配套之胶塞打孔,安上进液管、电极线、进气管。c将纯Cu(或Zn)1片处理,去除表面氧化膜,洗净。然后与胶塞上铜导线下端连接,塞入玻管中。d将脱脂棉展开成层状,再紧卷成适当塞状,塞入玻管下端,露出管口约1cm。然后用一块涤纶布包住,用绳扎在玻管上。e将制作的阳极笔用蒸馏水淋洗,使蒸馏水经脱脂棉慢慢渗下,即制好,待用。

①进液管②气孔③电极线④胶塞⑤玻管⑥金属片⑦脱脂棉⑧涤纶布(2)石黑阳极的制作将1号电池中的炭棒小心取出(注意勿使铜帽松动,在铜帽上焊一根导线,用砂纸打去炭棒表面层,再放入1∶1盐酸中浸泡过夜,冲洗干净,再用蒸馏水煮沸5分钟,并淋洗干净。用炭棒代替上述镀笔中金属片,即成。

参考配方(试剂皆为分析纯)编号镀液种类镀液组成(g·L-1)(1)CuCuSO4·5H2O200~250H2SO460~65光亮剂适量(2)ZnZnSO4·7H2O300左右Na2SO4·10H2O100KA1(SO4)2·12H2O30光亮剂05-10(3)NiNiSO4·7H2O250左右NaC110-15NiC12·6H2O20冰醋酸HAC30(ml)十二烷基磺酸钠少量光亮剂79105-1(4)学生还可自查资料,设计方案,经教师审批再选做。

原理

以待镀件为阴极,镀笔为阳极,在外加直流低压电源作用下,镀液中Mn+向阴极迁移,当达到其析出电位时,即在阴极上还原沉积。

实验过程

(1)被镀件除油、除锈(略)。

(2)被镀件磨光与抛光开动磨(抛)光机,使物件与磨(抛)光轮接触,再逐步紧贴,直到物件光亮为止。

(3)刷镀将镀笔浸在盛有镀液的烧杯中,置于所需温度之恒温槽中先预热10分钟,然后安装于装置上,将烧杯中镀液倒入分液漏斗中,打开旋塞,调整漏斗高度,将镀液自笔中慢慢渗下,排出管内空气,打开直流电源,调所需之电压让镀笔与镀件接触缓缓相对移动,反复几次,即被镀上。

(4)揩干镀件上液珠,再抛光。

(5)洗净镀笔,浸入蒸馏水中。

指导教师组织学生对下述问题进行讨论:

(1)Cu、Zn阳极笔中Cu、Zn各起哪些作用?

(2)石黑阳极笔长期使用,应采取什么措施,为什么?

(3)实验中,是否发现电极上有小汽泡,如何解释?

(4)对制做阳极笔,你还有什么新方法和见解?

(5)对本实验你有何感想和建议?

结果

通过两年来实践表明,学生对该类选做实验积极主动,情绪高涨。通过实验,学生普遍反映对不可逆电极过程及过电位等概念理解得更深刻了,并尝试到理论与应用的结合。

注:也可用适当的素瓷芯代替脱脂棉。下端包布稍厚一些。

铁的吸氧腐蚀实验

钢铁的腐蚀主要是吸氧腐蚀,它抽象且难以通过演示实验进行讲解,常常使师生感到困难。

福建省龙岩师范学校吴振位老师介绍了一种钢铁吸氧实验装置,它简易、直观,演示效果令人满意。

实验步骤

铁的吸氧腐蚀装置

(1)连接好实验装置。

(2)在U形管中注入冷开水或冷开水配制的任意电解液,(尽量降低氧在水中的溶解量)并加入少量铁氰化钾。

(3)打开开关K,调节电位器至发光管刚好熄灭为宜。

(4)合上开关K,用洗耳球向U形管左侧的电解液鼓入空气,洗耳球鼓入空气越强,则二极管发的光越亮,反之发的光越暗,片刻后,铁棒周围的漏液呈蓝色(实为沉淀)。

装置原理

调节电位器W使发光管恰好熄灭,此刻T1、T2处于临界导通(仍处于截止)状态,当合上开关K,碳与铁构成了吸氧腐蚀原电池的正负两极,原电池的电流虽小,但由于三极管的放大作用原来处于临界导通的T1、T2立即导通,故发光管发亮。

反应原理

正极,碳棒,O2+2H2O+4e=4OH-(还原反应)负极,铁棒,Fe-2e=Fe2-(氧化反应)3Fe2-+2〔Fe(CN)6〕3-=Fe3〔Fe(CN)6〕2↓(蓝色)铁的锈蚀的课外实验

四川教育学院化学系盛开琼老师介绍的铁的锈蚀的实验,是为培养学生的观察能力和帮助突破铁的电化腐蚀的教学难点而设计的。

若将这个实验安排在适当的时候进行,对原电池原理、电化学锈蚀、电化学保护等知识的教学,能提供生动直观的化学现象,使学生对“无数微电池”的概念有具体的内容,对电化学保护有目睹的事实,从而帮助学生加深理解。

实验原理

活动性不同的金属,相互接触并处于电解质溶液的包围之中,发生原电池反应。将这类反应固定在琼脂凝胶中进行,使正负极的产物能较清晰地分开,较长时间地存在,从而能清晰地较长时间地进行观察。

本实验采用铁-铜、锌-铁两组金属为电极,以铁氰化钾为电解质,发生的原电池反应如下:

(1)铁-铜原电池负极:Fe-2e=Fe2+Fe2++K++Fe(CN)3-6=KFe(CN)6Fe在负极可观察到深蓝色的滕氏蓝出现。

正极:由于琼脂凝胶在制作过程中,驱除了氧气,并加入微量盐酸酸化,因此,应是溶液中的H-发生反应:

2H++2e=H2↑此反应减少了[H+],使水的电离平衡H2OH++OH-正向移动,以至正极附近[OH-]增大,溶液呈碱性,用酚酞试液进行指示。

(2)锌-铁原电池负极:Zn-2e=Zn2+3Zn2++2Fe(CN)3-6=Zn3[Fe(CN)6]2↓Zn3[Fe(CN)6]2是白色沉淀。

正极:发生的变化与1的正极变化相同。

实验仪器、药品

200ml烧杯一只,15mm×150mm试管两支,玻璃棒,酒精灯,三角架,石棉铁丝网。

5cm的无锈铁钉2枚,细铜丝,薄锌片,琼脂,01摩/升的K3Fe(CN)6溶液,1摩/升的盐酸,1%的酚酞。

实验操作

(1)取无锈铁钉1枚,用光亮的细铜丝,在铁钉中部紧密缠绕约1~15cm的长度。

另取1枚无锈铁钉;用剪刀将薄锌片(若无薄锌片,可以废干电池取之)沿边缘剪下1~2mm宽的锌带,用此锌带在铁钉中部紧密缠绕约1~15cm的长度。

(2)配制琼脂溶胶:取蒸馏水110ml(若无蒸馏水,自来水也可)加热煮沸约2分钟,除去水中溶解的O2和CO2等气体;稍冷后,加入琼脂1克,放置5分钟,让琼脂吸水发胀,然后继续加热,并用玻璃棒不断搅拌,待琼脂充分分散,停止加热;待其冷却至50℃左右,再一边搅拌,一边依次加入1滴稀盐酸,1ml01摩/升的K3Fe(CN)6和8~10滴1%的酚酞,搅拌均匀,待用。

(3)取两支试管,分别贴“A”“B”标签,各加入琼脂溶胶5ml,用水喷淋试管处壁使琼脂溶胶冷凝;将缠有铜丝的铁钉,竖直插入A试管的凝胶中(方法是:左手竖握试管,右手竖持铁钉置于试管管口部位,让铁钉自由落下,插入已凝的琼脂中,注意铁钉下端不要落于试管底部)再向试管中加入未凝的琼脂溶胶,使液面高出铁钉顶部约1~15cm,注意使溶胶内无气泡,放置。

用同样的方法,将缠有锌带的铁钉,放置于B试管中。

实验现象及解释

(一)A试管

铁钉的a、c部分为原电池的负极,铁钉的b部分的铜丝为原电池的正极。

(二)B试管

锌带为原电池的负极,铁为正极。

观察次数观察时间现象记录现象解释

1实验操作完毕后,马上观察铁钉呈光亮的银白色;铜丝呈光亮的紫红色;琼脂溶胶透明,呈黄绿色,无气泡由于铁氰化钾溶液的加入,无色琼脂溶胶呈黄绿色2反应进行5分钟后①铁钉的a、c区有深蓝色沉淀物附着;②a区蓝色物质较c区多;③b区铜丝表面有透明的红色物质附着a、c区为负极,产生Fe2+进而结合成深蓝色的滕氏蓝;a区温度更高,反应速度更快,铜丝为正极、H+得电子,[OH-]相对增大,使酚酞显红色3反应进行2小时后①a、c区的蓝色物质增多;②b区铜丝周围的琼脂凝胶呈红色;③b区铜丝附近有极细小的气泡反应继续进行;[OH-]增大,向琼脂中扩散;H+得电子产生的H2逐渐集聚成小气泡4反应进行24小时后①a、c区的蓝色物质增多,琼脂凝胶颜色变浅;②b区的琼脂凝胶呈红色,且气泡变大Fe(CN)3-6转变成滕氏蓝;H2和OH-随反应进行而增多5取出铁钉洗净后观察铁钉表面粗糙,失去光泽;铜丝仍呈光亮紫红色铁为负极,部分铁原子变成Fe2+使铁钉表面受损;铜为正极,未发生变化实验结论:铁与不活泼的金属铜接触共处于电解质溶液中,铁被损害。在电解质溶液铁氧及微酸性条件下,铜周围产生H2,且该区呈碱性。

观察次数观察时间现象记录现象解释

1实验操作完毕后马上观察锌、铁均为银白色,锌更光亮;琼脂溶胶透明,呈黄绿色,无气泡2反应进行5分钟后①b区的锌带上附着白色固体物质;②铁钉的a、c区附着红色透明物质;③a区比c区的红色物质更多Zn变成Zn2+,进而转变成Zn3[Fe(CN)6]2;H+变成H2,[OH-]相对增多,酚酞显红色;a区温度更高,反应速度加快3反应进行2小时后①b区的白色物质增多;②a、c区的红色物质扩散到琼脂凝胶中;③a和c区有小气泡反应继续进行;[OH-]增大,向琼脂凝胶中扩散;产生的H2不能逸入空中而集聚成小气泡4反应进行24小时后①锌带上的白色物质明显增多,b区的琼脂凝胶无色;②a、c区的琼脂凝胶全呈红色并有较大气泡凝胶中的Fe(CN)3-6被消耗掉;[OH-]增大,H2增多5取出铁钉洗净后观察①锌带失去光泽变粗糙;②铁钉仍保持光亮锌为负极被损害;铁为正极被保护实验结论:铁与较活泼的锌共处于电解质液中,锌被损害,铁被保护讨论

(1)教学建议。本实验是一个操作简单、现象明显的实验,最好安排在高中二年级。当学生学习了原电池原理以后,讲授铁的电化学锈蚀的前一天,在化学课外活动小组中进行。让学生自己动手做该实验,并进行第1、2步的观察;要求学生根据刚学的原电池原理分析可能发生的变化。到讲授铁的电化学锈蚀时,试管里已经有了明显的现象。教师可展示A试管,让学生观察,引导学生复习原电池原理,写出电极反应。教师则提示Fe2+与Fe(CN)3-6生成滕氏蓝的事实,着重分析产物与现象的关系而导入电化锈蚀的新课。

铁的吸氧腐蚀实验设计

铁的吸氧腐蚀,学生难以接受,通过设计演示实验,可使问题直观,便于理解掌握。

实验用品

方塑料盒(或烧杯)、导线、灵敏电流计、Nacl溶液、铁纱布、碳棒(两根)、塑料片(三片)。山东潍坊一中高灼会、山东安丘二中都兰元老师的设计是:

操作步骤

(1)加工两大一小三块塑料片,使小的能放人塑料盒中而大的能在盒的边缘放住,在一大一小两片上各打等距离的两个孔,如图I所示。孔的大小以能将碳棒旋转插入为宜。将两根碳棒插入平行的该两块塑料片中,将纱布在碳棒上缠好,在一根碳棒上端连上导线。

(2)取一块铁片,将其表面铁锈处理干净。用锋利小刀在另一塑料片中间开一小槽,插入铁片,用热熔胶将铁片与塑料粘在一起(若所开小槽大小合适,因一般塑料弹性较强,不用热熔胶粘铁片也能插住),将铁片上端连好导线。

(3)将铁片与缠纱布的碳棒一起放入塑料盒中,利用上放在盒沿上的塑料片使铁片与纱布保持平行。向盒中放人1m01/L的N。C1溶液,使一半纱布浸入溶液中。用滴管吸少量溶液滴在纱布上使其润湿。在空气中放置一段时间。

(4)将碳棒与铁片上的导线分别连到灵敏电流计的两个接线柱上,观察指针有无偏转及偏转方向。

说明

(1)将纱布浸人NaCl溶液中时,应有较大部分露置于空气中,并放置一段时间(十多分钟即可),以便于空气中O,在纱布所吸的NaCl溶液中有较大程度的溶解。

(2)正极材料可只用一根碳棒,在上面简单地包上纱布或脱脂棉,效果同样明显。这样做的缺点是电极不易固定,碳棒跟铁片在溶液中容易相碰,教师在课堂上演示显得较粗糙。

(3)经实测,在NaCI溶液浓度为1mol/I.,Fe片和纱布表面积在溶液中部分保持约8cm2,另有8cm2纱布露于空气中,铁片与纱布间距2cm,纱布润湿后在空气中放置15分钟,此时测开路电压约1v,短路电流高达20mA(用MF47型万用表测得)。课堂演示用的灵敏电流计驱动电流为微安级,作为定性实验,纱布与铁片面积、二者间距、溶液浓度大小、纱布在空气中露置时间长短均无特别要求。因为输出电流远超过灵敏电流计的满档量程,所以串联电流计观察的时间要短,以免损坏。