微型實(shí)驗(yàn)電解水

華南師范大學(xué)實(shí)驗(yàn)報(bào)告學(xué)生姓名學(xué)號(hào)專業(yè)年級(jí)、班級(jí)課程名稱實(shí)驗(yàn)工程實(shí)驗(yàn)類型□驗(yàn)證□設(shè)計(jì)□綜合實(shí)驗(yàn)時(shí)間2023年5月日實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)老師實(shí)驗(yàn)評(píng)分【實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹縠q\o\ac(○,1).理解在不同電解質(zhì)溶液環(huán)境中電解水的原理規(guī)律；eq\o\ac(○,2).探究微型實(shí)驗(yàn)儀器電解水過(guò)程中電極變化原因。 【實(shí)驗(yàn)原理】微型實(shí)驗(yàn)是近二十多年來(lái)迅速開(kāi)展的一種化學(xué)實(shí)驗(yàn)新方法和新技術(shù)，是國(guó)際化學(xué)教育界公認(rèn)的表達(dá)綠色化學(xué)思想的一種新舉措。其具有“體積小、時(shí)間省、反響快、效果好、易操作、較平安、動(dòng)手操作時(shí)機(jī)多、趣味性高、用藥少、污染低〞等特點(diǎn)，其較常規(guī)實(shí)驗(yàn)更加適合學(xué)生探究性學(xué)習(xí)、研究性學(xué)習(xí)，然而對(duì)于化學(xué)教學(xué)而言，常規(guī)實(shí)驗(yàn)具有不可替代的一面，如果將微型實(shí)驗(yàn)和常規(guī)實(shí)驗(yàn)有機(jī)地整合，并且應(yīng)用于化學(xué)教學(xué)的實(shí)踐中，可以起到事半功倍的效果。本次實(shí)驗(yàn)我們應(yīng)用微型技術(shù)來(lái)探究水的電解實(shí)驗(yàn)。在這個(gè)實(shí)驗(yàn)中我設(shè)計(jì)用的微型實(shí)驗(yàn)儀器有：大頭針做電極，多用滴管代替燒杯和導(dǎo)管，還有井穴板代替小燒杯來(lái)收集氫氣肥皂泡進(jìn)行爆鳴實(shí)驗(yàn)。根本原理：用大頭針〔鍍鎳〕作電極電解水，稀硫酸，氫氧化鈉，硫酸鈉的原理實(shí)際上是電解水的原理。電極不參與反響時(shí)電解水的電極反響方程式如下：酸性堿性陰極：陽(yáng)極：假設(shè)大頭針外部的鍍層破損，電極變成鐵電極，那么陽(yáng)極反響變?yōu)椋涸趬A性或者中性條件下，亞鐵離子不穩(wěn)定，于是發(fā)生：【實(shí)驗(yàn)儀器與試劑】?jī)x器：多用滴管、井穴板、低壓電源、大頭針〔外表鍍鎳〕、肥皂水、火柴、試劑：去離子水、Na2SO4溶液〔約2mol/L〕、NaOH溶液〔約2mol/L〕、H2SO4溶液〔約2mol/L〕【實(shí)驗(yàn)裝置】【實(shí)驗(yàn)步驟】1.用多用滴管中分別吸取去自來(lái)水，Na2SO4溶液〔約2mol/L〕、NaOH溶液〔約2mol/L〕、H2SO4溶液〔約2mol/L〕，2.在多用滴管上插入兩根大頭針作為電極、連接低壓電源，調(diào)節(jié)電解電壓為12V，觀察現(xiàn)象；注意防止兩電極接觸。3.當(dāng)多用滴管中產(chǎn)生較多氣泡時(shí)，將滴管尖嘴插入井穴板中盛有的肥皂水中，用火柴點(diǎn)燃吹起的肥皂泡；4.實(shí)驗(yàn)一段時(shí)間后，觀察電極〔大頭針〕的變化。【實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象記錄】所用溶液實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象實(shí)驗(yàn)解釋電極溶液肥皂泡自來(lái)水兩極都有少量氣泡產(chǎn)生，陽(yáng)極較少溶液變淺黃綠色，有少量綠色沉淀，片刻后沉淀變成黃色。有少量肥皂泡產(chǎn)生，但點(diǎn)燃沒(méi)有明顯的爆鳴聲。陰極的反響：陽(yáng)極的反響：大頭針外部的鍍層破損，電極變成鐵電極，那么陽(yáng)極反響變?yōu)椋涸趬A性或者中性條件下，亞鐵離子不穩(wěn)定，于是發(fā)生：產(chǎn)生的氫氣較少，無(wú)法進(jìn)行爆鳴實(shí)驗(yàn)。硫酸鈉兩極都有較多氣泡產(chǎn)生，陽(yáng)極大頭針處有黑褐色沉淀產(chǎn)生無(wú)色溶液變?yōu)辄S色，有少量黃色沉淀生成。溫度升高有肥皂泡產(chǎn)生，點(diǎn)燃有鋒利的爆鳴聲。陰極的反響：陽(yáng)極的反響：因此能看到紅褐色沉淀，但因?yàn)榱可兕伾幻黠@，所以觀察的是黑色。氫氧化鈉兩極都有大量氣泡產(chǎn)生溶液顏色沒(méi)有明顯變化，溫度升高有大量肥皂泡產(chǎn)生，點(diǎn)燃有鋒利的爆鳴聲〔較劇烈〕。陰極的反響：陽(yáng)極的反響：反響放熱，使溶液溫度升高。反響產(chǎn)生大量的氫氣和氧氣混合體，點(diǎn)燃肥皂泡時(shí)發(fā)出鋒利的爆鳴聲。硫酸兩極迅速都產(chǎn)生大量氣泡。溶液顏色沒(méi)有變化，溶液變燙。有很多肥皂泡產(chǎn)生，點(diǎn)燃有鋒利的爆鳴聲，肥皂泡上有火苗。陰極的反響：陽(yáng)極的反響：反響放熱，產(chǎn)生氣泡比擬多有鋒利爆鳴聲【實(shí)驗(yàn)分析】一、實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象與結(jié)果分析：1.分析上面的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，電解自來(lái)水時(shí)，因?yàn)槠渲锌勺杂梢苿?dòng)的離子數(shù)量少，因此速率很慢，看不到明顯有氣泡產(chǎn)生現(xiàn)象。不過(guò)因?yàn)橛玫氖亲詠?lái)水，水中還是含有少量的氯離子和金屬離子，會(huì)影響電解。假設(shè)要得到更準(zhǔn)確的實(shí)驗(yàn)效果，應(yīng)該用去離子水進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。2.參加氫氧化鈉、硫酸鈉、硫酸等強(qiáng)電解質(zhì)溶液，溶液導(dǎo)電性大大增強(qiáng)，有明顯的電解現(xiàn)象〔有大量的氣泡生成〕。此時(shí)溶液中放電的離子仍是H+、OH-，電解的物質(zhì)仍然是水。3.在實(shí)驗(yàn)中，用水和硫酸鈉做電解質(zhì)時(shí)發(fā)現(xiàn)：溶液會(huì)變成黃綠色，且有少量綠色沉淀生成并變成黃色，這是因?yàn)椋菏褂玫拇箢^針鍍層破損，有鐵銹層，鐵的氧化物及鐵與電解液直接接觸，在電解水過(guò)程中鐵質(zhì)大頭針在陽(yáng)極被氧化為亞鐵離子，在堿性或中性條件下，被空氣繼續(xù)氧化成三價(jià)鐵離子，并結(jié)合氫氧根離子，最終變成氫氧化鐵紅褐色沉淀，由于量較少，故呈棕黃色。4.當(dāng)電解質(zhì)為氫氧化鈉和硫酸時(shí)發(fā)現(xiàn)：溶液沒(méi)有變色也沒(méi)有產(chǎn)生沉淀，猜測(cè)是因?yàn)榻?jīng)過(guò)前面幾次的實(shí)驗(yàn)，電極的銹層已經(jīng)幾乎被分解，不會(huì)再有鐵銹溶解在水中，且電解質(zhì)中的氫離子或氫氧根離子較多，首先進(jìn)行電解反響，所以實(shí)驗(yàn)中不會(huì)出現(xiàn)溶液變色和沉淀。5.電解過(guò)程中產(chǎn)生氫氣與氧氣，因此能吹起肥皂泡，并由于氫氣不純，所以點(diǎn)燃肥皂泡會(huì)發(fā)生清脆響亮的爆鳴聲。二、關(guān)于微型實(shí)驗(yàn)從上述實(shí)驗(yàn)我們可以看到微型化學(xué)實(shí)驗(yàn)具有“實(shí)驗(yàn)儀器微型化〞和“試劑用量節(jié)約化〞兩個(gè)根本特征，因此儀器價(jià)格相對(duì)低廉、實(shí)驗(yàn)較易于成功，過(guò)程較為環(huán)保、不會(huì)造成危險(xiǎn)。所以應(yīng)用微型化學(xué)實(shí)驗(yàn)有利于激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)化學(xué)的興趣、培養(yǎng)學(xué)生的環(huán)保意識(shí)和綠色化學(xué)觀念、培養(yǎng)學(xué)生的動(dòng)手能力和觀察能力、培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)造性思維能力和探究能力等。查找文獻(xiàn)資料了解到：1、實(shí)驗(yàn)儀器1.1一些常用的專業(yè)微型實(shí)驗(yàn)的儀器〔表3〕。圖示構(gòu)造和作用工作原理或作用微型氣體發(fā)生器(1)是帶有側(cè)支管和內(nèi)套管(2)的U形管，其中底部有小孔的內(nèi)套管(2)用于盛裝與液體反響的固體物質(zhì)。U形管口配有兩個(gè)橡皮塞(3)?！耙?固反響〞制氣在內(nèi)套管(2)放入少量不溶性塊狀固體，U形管(1)的左端管口參加液體反響物，在右端上口塞上橡皮塞，并在其右端支管處連接一段乳膠管和止氣夾。液體經(jīng)內(nèi)套管(2)底部的小孔流入至浸沒(méi)放置在內(nèi)套管(2)中的固體，即可完成氣體的制取。當(dāng)需要停止制氣時(shí)，關(guān)閉止氣夾，U形管(1)的右側(cè)管內(nèi)氣體壓力增大，液體從內(nèi)套管(2)底部的小孔排出而使液體脫離固體，反響終止。側(cè)泡具支試管側(cè)泡中參加固體〔一般是粉末〕，可用于反響，試管口塞橡皮塞。①制取小量氣體；②用作試劑的反響容器；③作洗氣或枯燥管；④可同時(shí)裝載兩種試劑分別進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。井穴板井穴板是一個(gè)塑料碟子，含有圓柱形井穴，其規(guī)格是以每孔的容積〔mL〕和孔數(shù)來(lái)表示，常用的有0.7mL×9〔64092〕、5mL×6〔64093〕。其中6孔井穴板附帶雙導(dǎo)氣管的井穴塞?？勺龇错懫鳎部捎脕?lái)盛裝試劑。井穴板具有試管、燒杯、儲(chǔ)瓶等功能，還能作為比色管、電解池、投影器皿等。多用滴管可作為試劑的儲(chǔ)瓶、滴管、反響容器和滴定管等；把頸管拉細(xì)，作為毛細(xì)管和攪拌棒。聚乙烯制品，可以耐一般無(wú)機(jī)酸堿的腐蝕，不能裝載有機(jī)試劑；也不能加熱。微型實(shí)驗(yàn)操作臺(tái)構(gòu)造和常規(guī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)中的鐵架臺(tái)根本相同孔穴不適宜進(jìn)行接觸有機(jī)試劑的反響。作用和鐵架臺(tái)類似。1.2尋找一些代用品用于微型實(shí)驗(yàn)：最常用的代用品是青霉素瓶子，它可以作反響容器〔可以加熱，但是溫度不能超過(guò)200℃其次是注射器，它具有取液、作為反響容器，而它的最大優(yōu)勢(shì)在于準(zhǔn)確計(jì)量和控制反響量，因?yàn)槊恐蛔⑸淦魃隙加芯_的刻度。在實(shí)驗(yàn)實(shí)踐中，其它常用的代用品還有：1〕酒精燈：可用青霉素藥瓶做燈體，在膠蓋上打一個(gè)小孔，插上一段小瓷管,用棉線做成燈芯,燈帽用日光燈的舊起輝器外殼即可。2〕燒杯：可用塑料瓶蓋、透明的照相膠卷盒代替。3〕試管：可用無(wú)色小藥瓶代替〔如：正氣丸的塑料小瓶〕。它無(wú)色透明，便于觀察反響過(guò)程中的顏色變化、氣體及沉淀的生成。4〕水槽：可用大小適宜的塑料容器或玻璃容器加工制成。5〕集氣瓶：可用大小適宜的塑料瓶，也可用青霉素瓶代替，收集氣體后，用原來(lái)的橡膠塞塞住。6〕量筒：可用不同容積的注射器代替。7〕導(dǎo)管：可用廢圓珠筆芯、輸液管、飲料的吸管或自行車的氣門(mén)芯代替。8〕膠管的膠頭：可自制，也可用眼藥瓶做成。9〕試劑瓶：在青霉素藥瓶里放入各種固體或液體試劑，貼好標(biāo)簽即即可。10〕藥匙：可用硬塑料片、塑料冷飲吸管經(jīng)過(guò)加工制成。11〕漏斗：用輸液器截下其圓錐局部即可。12〕水槽：可用肥皂盒代替。以上我們研究的是微型化學(xué)實(shí)驗(yàn)儀器，而常規(guī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)的儀器在全國(guó)范圍內(nèi)根本到達(dá)標(biāo)準(zhǔn)化，所以沒(méi)有研究。對(duì)于初中化學(xué)實(shí)驗(yàn)來(lái)說(shuō)，使用的儀器一般較為簡(jiǎn)單，在價(jià)格上微型化儀器比常規(guī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)儀器經(jīng)濟(jì)，易于實(shí)現(xiàn)學(xué)生每人一套，個(gè)個(gè)動(dòng)手，所以我校從某些實(shí)驗(yàn)開(kāi)始嘗試微型化學(xué)實(shí)驗(yàn)是可行的。附：利用微型實(shí)驗(yàn)進(jìn)行銀鏡反響的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)【探究目標(biāo)】掌握銀鏡反響的根本原理；了解工業(yè)上制鏡和保溫瓶膽的有關(guān)知識(shí)；學(xué)會(huì)通過(guò)控制實(shí)驗(yàn)條件進(jìn)行銀鏡反響的實(shí)驗(yàn)操作?！緶?zhǔn)備材料】藥品：2％的硝酸銀溶液、2%稀氨水、2%葡萄糖溶液或乙醛、稀硝酸。儀器：青霉素瓶、自制酒精燈、多用滴管(50D/mL)、滴管架、鉛筆、自制小夾子?！咎骄炕顒?dòng)】提出問(wèn)題：我們每天都照鏡子，那么它是如何制造的呢？根據(jù)先前學(xué)習(xí)〔或通過(guò)查閱資料〕知道，含有復(fù)原性基團(tuán)醛基物質(zhì)〔如乙醛、葡萄糖〕，容易被弱氧化劑〔如銀氨溶液〕氧化，生成酸，同時(shí)析出銀均勻地鍍?cè)诓Ａ闲纬摄y鏡。工業(yè)上利用這一原理制鏡或保溫瓶膽〔工業(yè)上常用葡萄糖作為復(fù)原劑〕?！緦?shí)驗(yàn)探究】在一只潔凈的青霉素瓶中，用多用滴管參加一滴的硝酸銀溶液，然后滴入兩滴稀氨水〔第一滴出現(xiàn)白色沉淀，第二滴沉淀剛好溶解變澄清?！常俚稳胍坏纹咸烟侨芤?，按下列圖固定好，小火加熱，約十至十五秒有銀鏡出現(xiàn)〔可用一個(gè)空瓶子作