微型实验电解水

华南师范大学实验报告学生姓名学号专业年级、班级课程名称实验项目实验类型□验证□设计□综合实验时间2012年5月日实验指导老师实验评分【实验目的】○1.理解在不同电解质溶液环境中电解水的原理规律；○2.探究微型实验仪器电解水过程中电极变化原因。【实验原理】微型实验是近二十多年来迅速发展的一种化学实验新方法和新技术，是国际化学教育界公认的体现绿色化学思想的一种新举措。其具有“体积小、时间省、反应快、效果好、易操作、较安全、动手操作机会多、趣味性高、用药少、污染低”等特点，其较常规实验更加适合学生探究性学习、研究性学习，然而对于化学教学而言，常规实验具有不可替代的一面，如果将微型实验和常规实验有机地整合，并且应用于化学教学的实践中，可以起到事半功倍的效果。本次实验我们应用微型技术来探究水的电解实验。在这个实验中我设计用的微型实验仪器有：大头针做电极，多用滴管代替烧杯和导管，还有井穴板代替小烧杯来收集氢气肥皂泡进行爆鸣实验。基本原理：用大头针（镀镍）作电极电解水，稀硫酸，氢氧化钠，硫酸钠的原理实际上是电解水的原理。电极不参与反应时电解水的电极反应方程式如下：酸性碱性阴极：阳极：若大头针外部的镀层破损，电极变成铁电极，则阳极反应变为：在碱性或者中性条件下，亚铁离子不稳定，于是发生：【实验仪器与试剂】仪器：多用滴管、井穴板、低压电源、大头针（表面镀镍）、肥皂水、火柴、试剂：去离子水、Na2SO4溶液（约2mol/L）、NaOH溶液（约2mol/L）、H2SO4溶液（约2mol/L）【实验装置】【实验步骤】1.用多用滴管中分别吸取去自来水，Na2SO4溶液（约2mol/L）、NaOH溶液（约2mol/L）、H2SO4溶液（约2mol/L），2.在多用滴管上插入两根大头针作为电极、连接低压电源，调节电解电压为12V，观察现象；注意避免两电极接触。3.当多用滴管中产生较多气泡时，将滴管尖嘴插入井穴板中盛有的肥皂水中，用火柴点燃吹起的肥皂泡；4.实验一段时间后，观察电极（大头针）的变化。【实验现象记录】所用溶液实验现象实验解释电极溶液肥皂泡自来水两极都有少量气泡产生，阳极较少溶液变浅黄绿色，有少量绿色沉淀，片刻后沉淀变成黄色。有少量肥皂泡产生，但点燃没有明显的爆鸣声。阴极的反应：阳极的反应：大头针外部的镀层破损，电极变成铁电极，则阳极反应变为：在碱性或者中性条件下，亚铁离子不稳定，于是发生：产生的氢气较少，无法进行爆鸣实验。硫酸钠两极都有较多气泡产生，阳极大头针处有黑褐色沉淀产生无色溶液变为黄色，有少量黄色沉淀生成。温度升高有肥皂泡产生，点燃有尖锐的爆鸣声。阴极的反应：阳极的反应：因此能看到红褐色沉淀，但因为量少颜色不明显，所以观察的是黑色。氢氧化钠两极都有大量气泡产生溶液颜色没有明显变化，温度升高有大量肥皂泡产生，点燃有尖锐的爆鸣声（较剧烈）。阴极的反应：阳极的反应：反应放热，使溶液温度升高。反应产生大量的氢气和氧气混合体，点燃肥皂泡时发出尖锐的爆鸣声。硫酸两极迅速都产生大量气泡。溶液颜色没有变化，溶液变烫。有很多肥皂泡产生，点燃有尖锐的爆鸣声，肥皂泡上有火苗。阴极的反应：阳极的反应：反应放热，产生气泡比较多有尖锐爆鸣声【实验分析】一、实验现象与结果分析：1.分析上面的实验现象，电解自来水时，因为其中可自由移动的离子数量少，因此速率很慢，看不到明显有气泡产生现象。不过因为用的是自来水，水中还是含有少量的氯离子和金属离子，会影响电解。若要得到更准确的实验效果，应该用去离子水进行实验。2.加入氢氧化钠、硫酸钠、硫酸等强电解质溶液，溶液导电性大大增强，有明显的电解现象（有大量的气泡生成）。此时溶液中放电的离子仍是H+、OH-，电解的物质仍然是水。3.在实验中，用水和硫酸钠做电解质时发现：溶液会变成黄绿色，且有少量绿色沉淀生成并变成黄色，这是因为：使用的大头针镀层破损，有铁锈层，铁的氧化物及铁与电解液直接接触，在电解水过程中铁质大头针在阳极被氧化为亚铁离子，在碱性或中性条件下，被空气继续氧化成三价铁离子，并结合氢氧根离子，最终变成氢氧化铁红褐色沉淀，由于量较少，故呈棕黄色。4.当电解质为氢氧化钠和硫酸时发现：溶液没有变色也没有产生沉淀，猜想是因为经过前面几次的实验，电极的锈层已经几乎被分解，不会再有铁锈溶解在水中，且电解质中的氢离子或氢氧根离子较多，首先进行电解反应，所以实验中不会出现溶液变色和沉淀。5.电解过程中产生氢气与氧气，因此能吹起肥皂泡，并由于氢气不纯，所以点燃肥皂泡会发生清脆响亮的爆鸣声。二、关于微型实验从上述实验我们可以看到微型化学实验具有“实验仪器微型化”和“试剂用量节约化”两个基本特征，因此仪器价格相对低廉、实验较易于成功，过程较为环保、不会造成危险。所以应用微型化学实验有利于激发学生学习化学的兴趣、培养学生的环保意识和绿色化学观念、培养学生的动手能力和观察能力、培养学生的创造性思维能力和探究能力等。查找文献资料了解到：1、实验仪器1.1一些常用的专业微型实验的仪器（表3）。图示构造和作用工作原理或作用微型气体发生器(1)是带有侧支管和内套管(2)的U形管，其中底部有小孔的内套管(2)用于盛装与液体反应的固体物质。U形管口配有两个橡皮塞(3)。“液-固反应”制气在内套管(2)放入少量不溶性块状固体，U形管(1)的左端管口加入液体反应物，在右端上口塞上橡皮塞，并在其右端支管处连接一段乳胶管和止气夹。液体经内套管(2)底部的小孔流入至浸没放置在内套管(2)中的固体，即可完成气体的制取。当需要停止制气时，关闭止气夹，U形管(1)的右侧管内气体压力增大，液体从内套管(2)底部的小孔排出而使液体脱离固体，反应终止。侧泡具支试管侧泡中加入固体（一般是粉末），可用于反应，试管口塞橡皮塞。①制取小量气体；②用作试剂的反应容器；③作洗气或干燥管；④可同时装载两种试剂分别进行实验。井穴板井穴板是一个塑料碟子，含有圆柱形井穴，其规格是以每孔的容积（mL）和孔数来表示，常用的有0.7mL×9（64092）、5mL×6（64093）。其中6孔井穴板附带双导气管的井穴塞。可做反应器，也可用来盛装试剂。井穴板具有试管、烧杯、储瓶等功能，还能作为比色管、电解池、投影器皿等。多用滴管可作为试剂的储瓶、滴管、反应容器和滴定管等；把颈管拉细，作为毛细管和搅拌棒。聚乙烯制品，可以耐一般无机酸碱的腐蚀，不能装载有机试剂；也不能加热。构造和常规化学实验中的铁架台基本相同孔穴不适宜进行接触有机试剂的反应。作用和铁架台类似。微型实验操作台1.2寻找一些代用品用于微型实验：最常用的代用品是青霉素瓶子，它可以作反应容器（可以加热，但是温度不能超过200℃，而且要预热），也可以用于储存药品，更重要的是它是医疗用品，因此玻璃中不含有重金属，减少了对实验的误差；其次是注射器，它具有取液、作为反应容器，而它的最大优势在于准确计量和控制反应量，因为每只注射器上都有精确的刻度。在实验实践中，其它常用的代用品还有：1）酒精灯：可用青霉素药瓶做灯体，在胶盖上打一个小孔，插上一段小瓷管,用棉线做成灯芯,灯帽用日光灯的旧起辉器外壳即可。2）烧杯：可用塑料瓶盖、透明的照相胶卷盒代替。3）试管：可用无色小药瓶代替（如：正气丸的塑料小瓶）。它无色透明，便于观察反应过程中的颜色变化、气体及沉淀的生成。4）水槽：可用大小合适的塑料容器或玻璃容器加工制成。5）集气瓶：可用大小合适的塑料瓶，也可用青霉素瓶代替，收集气体后，用原来的橡胶塞塞住。6）量筒：可用不同容积的注射器代替。7）导管：可用废圆珠笔芯、输液管、饮料的吸管或自行车的气门芯代替。8）胶管的胶头：可自制，也可用眼药瓶做成。9）试剂瓶：在青霉素药瓶里放入各种固体或液体试剂，贴好标签即即可。10）药匙：可用硬塑料片、塑料冷饮吸管经过加工制成。11）漏斗：用输液器截下其圆锥部分即可。12）水槽：可用肥皂盒代替。以上我们研究的是微型化学实验仪器，而常规化学实验的仪器在全国范围内基本达到标准化，所以没有研究。对于初中化学实验来说，使用的仪器一般较为简单，在价格上微型化仪器比常规化学实验仪器经济，易于实现学生每人一套，个个动手，所以我校从某些实验开始尝试微型化学实验是可行的。附：利用微型实验进行银镜反应的实验设计【探究目标】掌握银镜反应的基本原理；了解工业上制镜和保温瓶胆的有关知识；学会通过控制实验条件进行银镜反应的实验操作。【准备材料】药品：2％的硝酸银溶液、2%稀氨水、2%葡萄糖溶液或乙醛、稀硝酸。仪器：青霉素瓶、自制酒精灯、多用滴管(50D/mL)、滴管架、铅笔、自制小夹子。【探究活动】提出问题：我们每天都照镜子，那么它是如何制造的呢？根据先前学习（或通过查阅资料）知道，含有还原性基团醛基物质（如乙醛、葡萄糖），容易被弱氧化剂（如银氨溶液）氧化，生成酸，同时析出银均匀地镀在玻璃上形成银镜。工业上利用这一原理制镜或保温瓶胆（工业上常用葡萄糖作为还原剂）。【实验探究】在一只洁净的青霉素瓶中，用多用滴管加入一滴的硝酸银溶液，然后滴入两滴稀氨水（第一滴出现白色沉淀，第二滴沉淀刚好溶解变澄清。），再滴入一滴葡萄糖溶液，按下图固定好，小火加热，约十至十五秒有银镜出现（可用一个空瓶子作比较）。说明：该实验要求青霉素瓶洁净；加热析出银时容器必须安稳；加热时温度不能太高，火焰离瓶底约一厘米，且受热均匀；反应完成后滴加两滴稀硝酸，溶解，回收硝酸银。【案例分析】本实验现象明显，而药品的用量（硝酸银溶液一滴）仅是常规实验（硝酸银溶液一毫升）的五十分之一，产物方便统一回收，减轻了对环境的污染，反应时间（15s）是常规实验（2min）的八分之一，很适合学生课堂实验，能较好地培养学生实验动手能力、体现绿色化学的意识。