电解饱和食盐水的意外现象及其探究

电解饱和食盐水的意外现象及其探究

1 意外现象产生

学生做全日制普通高级中学教科书(必修加选修)《化学》第三册电解饱和食盐水分组实验的过程中发现一个有趣的意外现象:有一实验小组连在电源负极导线上的铁钉脱落掉在U形管底,当时未取出铁钉而在导线上重新连接了一个铁钉,通电时U形管底部铁钉的一端有气泡生成。这个现象引起了学生的极大兴趣,激起了学生强烈的求知欲望。对此,我们及时利用实验过程中生成的问题情境组织学生开展讨论和实验探究,引导学生利用所学化学、物理知识对实验现象进行分析,得出结论。在此过程中,极大地发挥了学生学习的主观能动性,通过实验探究使学生体验到了科学探究的过程。

2 探究过程

2.1 提出问题

(1)铁钉生成气体的一端是否和电源的正负极连接有关?

(2)铁钉上发生了哪些化学反应?

(3)铁钉上生成的气体是什么?

(4)如果将铁钉换成碳棒或其他金属是否也有气体生成?

2.2 探究实验 图1

[探究实验1] 如图1连接装置,电极均为碳棒,电解质溶液为煮沸过的饱和食盐水,滴加2～3滴酚酞溶液,U形管底部为铁钉。

现象:铁钉的尖端和2个电极上均有无色气体生成,且铁钉的尖端和阴极附近溶液变红。阳极逸出的气体可以使湿润的淀粉-KI试纸变蓝。电解一段时间后,在U形管左边有少量白色絮状沉淀生成, 靠管口处逐渐变成绿色, 最终变为红褐色。切断电源后停止产生气体,将U形管里的液体倒入小烧杯中振荡,溶液红色褪去,得墨绿色絮状沉淀,放置后逐渐变为红褐色。

[探究实验2] 将电源的正负极对换,如图2连接装置,电极均为碳棒,电解质溶液为煮沸过的饱和食盐水,滴加2～3滴酚酞溶液,U形管底部为铁钉。

现象:钉帽端和2个电极上均有无色气体生成,钉帽端和阴极附近溶液变红,但钉帽附近红色逐渐褪去。阳极的气体可以使湿润的淀粉-KI试纸变蓝。电解一段时间后,在U形管底部有白色絮状沉淀生成, 切断电源后停止产生气体,将电解后的溶液倒入小烧杯中振荡,溶液红色褪去,有墨绿色絮状沉淀生成,放置后逐渐变为红褐色。

[探究实验3] 如图3连接装置,电极均为碳棒, 电解质溶液为煮沸过的饱和食盐水,滴加2～3滴酚酞溶液,烧杯底部为铁钉,倒扣的试管中充满饱和食盐水。

图2 图3

现象:铁钉帽端和2个电极上均有气体生成,阳极的气体可以使湿润的淀粉-KI试纸变蓝。用排液集气法收集钉帽端生成的气体,取出试管移近酒精灯火焰有“噗”的响声,证明为氢气。饱和食盐水溶液逐渐变为黄色,切断电源后振荡溶液,有墨绿色絮状物生成,放置后逐渐变为红褐色。

[探究实验4] 如图4连接装置,电极均为碳棒, 电解质溶液为煮沸过的饱和食盐水,滴加2～3滴酚酞溶液,烧杯底部为铜丝。

现象:铜丝的左端和阴、阳极均有无色气体生成,铜丝左端和阴极附近溶液变红,铜丝右端附近溶液变蓝。电解一段时间后烧杯右则有蓝色沉淀生成。

[探究实验5] 如图5连接装置,电极均为碳棒, 电解质溶液为煮沸过的饱和食盐水,滴加2～3滴酚酞溶液,烧杯底部为碳棒。

图4 图5

现象:烧杯底的碳棒两端和阴、阳极均有无色气体生成,烧杯底的碳棒左端和阴极附近溶液变红。阳极和烧杯底的碳棒右端逸出的气体可以使湿润的淀粉-KI试纸变蓝。

3 得出结论

经过以上5组探究实验,结合学生已有的物理、化学知识,在电解池的电解质溶液中放入一根金属棒或碳棒时,金属棒或碳棒的两端就存在电势差,因此就有电流通过。电子由电势低的一端(靠近电解池阴极的一端)流向电势高的一端(靠近电

解池阳极的一端)。

在电解池的电解质溶液中放入一根铁钉时:

电势高的一端(阴极):2H

电势低的一端(阳极):Fe-2e-=Fe

在电解质溶液中发生的反应有: Fe

2+

+2OH

-=Fe(OH)2↓

2+

++2e

-=H2↑

Fe(OH)2容易被溶解在溶液中的氧气氧化, 由白色变为灰绿色,最终生成红褐色Fe(OH)3沉淀。如果用小烧杯作电解池,则阳极生成的Cl2容易和Fe(OH)2发生反应:

6Fe(OH)2+3Cl2=4Fe(OH)3+2Fe

3+

+6Cl

-

导致电解质溶液变黄且有红褐色沉淀生成。

在电解池的电解质溶液中放入一根碳棒时:

电势高的一端(阴极):2H

电势低的一端(阳极):2Cl

--2e-=Cl2↑ ++2e

-=H2↑

然后进一步引导学生分析归纳:在电解池的电解质溶液中放入一根金属棒或碳棒时,就相当于将原来的电解池转变为2个串联的电解池。如图1所示的电解池就相当于图6所示的串联装置。我们可以给它定义电极名称,即电势高的一端为阴极,溶液中的阳离子在其上发生还原反应;电势低的一端为阳极,若其为惰性电极,溶液中的阴离子在其上发生氧化反应,若是非惰性电极,则电极自身发生氧化反应,生成的阳离子进入溶液中。