几则电化学实验的改进与创新

几则电化学实验的改进与创新

郑晓红＊

（）首都师范大学附属丽泽中学　北京　１０００７１

摘要　介绍了几则有关电化学实验的改进与创新。其中包括盐桥的改进、简易原电池装置的设计、简易氢氧燃料电池的制作、铁的吸氧腐蚀实验的改进与创新、牺牲阳极的阴极保护法实验的改进等内容，并详细介绍了其中的实验方法、效果及设计理由。

关键词　电化学实验　实验改进　实验方法　实验创新／：１３８０．１００３０．１３８８４７ｈｘ．２０１３０４０１０６ＤＯＩ－ｊｊｙ

　　电化学实验原理比较抽象，实验现象却很丰

富，既有物质间的各种状态变化，又有通过负载形成的各种声、光、动态等变化。因此，做好电化学实验能激发学生的学习兴趣，并通过生动、形象的实验效果，来帮助学生理解抽象的实验原理。人教版教材《化学反应原理》第四章内容中，有些实验装置适合原理介绍，但不适合学生实验探究；有些“科学探究”活动需要自主设计简易装置；有些原理介绍比较抽象，又没有相应的实验佐证；有些实验的方法和效果还有待改进与提高。对其中的几则电化学实验进行了改进、设计与创新，分别介绍如下。

图１　盐桥改进后的装置

改进装置２：在１个烧杯中，倒入热的含琼胶的ＫＮＯｍ高度，插入多支下端有孔的３溶液至６ｃ试管，冷却，凝固；小心分离每支试管即可。

改进装置３：在１个烧杯中，先倒入热的含琼胶的ＫＮＯｍ高度，冷却，凝固；再倒３溶液至３ｃ

入温热的含琼胶的ＫＮＯｍ高度，趁热３溶液至６ｃ插入多支直通管，冷却，凝固；在上述烧杯与直通管之间再倒入温热的琼胶溶液至烧杯口沿附近，冷。即通过３次冷凝却，凝固（起固定直通管作用）定型后，形成了多个相互独立的“陷阱”（其下部。是含盐琼胶，周围是玻璃管壁）１．３　使用方法

改进装置１：在Ｕ型管的上端装入电解质溶液，插入相应的电极，连通外电路，即可组成一个内阻较小的原电池。

改进装置２：在上述试管的上端装入电解质溶液，插入相应的电极。任取２支上述试管置入硝酸钾饱和溶液中，使试管下端的２孔相对，再连通外电路，即可组成一个内阻较小的原电池。

改进装置３：在各个直通管的上端分别装入不同的电解质溶液，分别插入相对应的电极。在各种电极中任选２个，连通外电路，即可组成一个内阻较小的原电池。

１　盐桥的改进

在教材中，介绍原电池原理的实验装置是学习原电池原理的经典装置，但用该装置进行实验探究时会遇到２个问题：Ｕ型管盐桥较长，经测试该电池的内电阻较大，不利于带动负载运转；另外，每次更换电极及溶液时，就需更换一根盐桥，实验操作烦琐，盐桥使用量大。

为此，对其中的盐桥进行了改进，设计了以下），以便于开展实验探究。详见图１３种实验装置（

１．１　实验用品

Ｕ型管，自制带孔试管，直通管，烧杯，含琼胶的凝度：１Ｌ水中加入７ｇ琼ＫＮＯ３的琼胶（

脂粉；含盐量：１Ｌ琼胶液中加入２００ｍ０ｇ，饱和ＫＮＯＫＮＯ３）３溶液等。１．２　制作方法

盐桥的３种改进装置见图１。

改进装置１：在Ｕ型管中，倒入热的含琼胶的ＫＮＯ３溶液至刚好封闭Ｕ型管的下端，使Ｕ型管的２个管口不再连通即可，冷却，凝固

。

２　简易原电池装置的设计

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教材在介绍了原电池原理之后，安排了“科学探究”活动，需要学生用不同的金属片设计、制作原电池并进行实验。２．１　实验用品

不同金属材料片，各种盐溶液，饱和ＫＣｌ溶液，滤纸，培养皿等。２．２　实验方法

装置如图２所示。取几张滤纸，裁剪成方形，１张放在合适的培养皿中，用饱和ＫＣｌ溶液润湿；另取２张滤纸分别包住锌片、铜片，并分别用ｕＳＯＯＺｎＳ４溶液、Ｃ４溶液润湿，然后并列平放在培

养皿中的滤纸上，一个简易锌铜原电池就制成了。以此方式，使用不同的导体和溶液，还可以制作出各种不同的简易原电池

。

３．１　制作材料

多孔碳棒，带孔Ｕ型管，饱和ＮＳＯａ２４溶液等。３．２　制作方法

如图３右上角所示，在Ｕ型管下端有１个小孔，管口上塞入带有多孔碳棒的橡皮塞，管内充满饱和ＮＳＯａ２４溶液。由于大气压的作用，管内液体并不会流出。

将此Ｕ型管两端电极与低压直流电源两端相连，电解１ｍｎ后断电，此时管内两端分别收集了ｉ少量氢气和氧气，即制成了简易氢氧燃料电池

。

图３　简易氢氧燃料电池

３．３　实验演示

将电池的两极分别与负载相连，小电扇立即运转起来，详见图３。３．４　实验说明

图２　简易原电池装置

——将普通的石墨碳棒插入红多孔碳棒的制备—

，热的木炭中灼烧至红热状（以除去其中的胶质）再投入水中，即淬火处理。经过２～３次淬火后，即形成多孔碳棒。

采用多孔碳棒是为了增强碳棒的吸附性能，充分吸附电解时产生的氢气和氧气。

采用饱和ＮＳＯａ２４溶液作电解液，一是无腐蚀性；

２－－

不干扰氢气的析出（二是Ｓ例如ＮＯＯ４３会妨碍氢

２．３　实验操作及现象

用导线将电池的两端与负载或万用电表的探头相连时，都能显示有电流产生。实验效果如图２所示，锌铜原电池带动小风扇正在飞快地运转。２．４　实验说明

每一种金属材料都需用砂纸打磨干净。培养皿中的滤纸起到盐桥的作用，包裹金属材料的滤纸起到烧杯的作用。保持培养皿中的滤纸润湿以形成闭合回路；包裹金属材料的滤纸润湿即可，以避免盐溶液的快速扩散。

用几张滤纸代替盐桥、烧杯，既简化了实验操作，又减少了试剂用量，还便于学生实验探究。该原电池的内电阻较小，所以能输出较大电流，并轻松带动负载。

；三是使两极在电解后分别呈酸性气在阳极析出）

（、碱性（，以升高电池正极的电位，氧气端）氢气端）降低电池负极的电位。所以该电池理论电动势为Ｅ＝）＝２，其电压高于用１．２２９－（－０．８２８．０５７（Ｖ）

酸、碱作电解液的电池装置。装置电解１ｍｉｎ后断电，电池放电前开路电压约为１．０Ｖ，电流约为６．９２０～～即电解、补Ａ。实验表明，经过２次以上电解（８０ｍ

充电解液、再电解）后，电池的电能更强。中间补充电解液可用注射器从Ｕ型管的孔中注入。

３　简易氢氧燃料电池的制作

该教具的设计是为“氢氧燃料电池”的教学内容提供补充实验。该实验装置简洁，效果生动直观。

４　吸氧腐蚀实验的改进与设计

采用教材中该实验的装置做实验，实验效果不

）：／／１５年第３期　　　　　　　　　　　　　化　学　教　育（ｈｔｔｗｗｗ．ｈｘ．ｏｒ２０ｊｙｇｐ·７１·

太理想。原因如下：铁钉量少，与氧气接触面积少；试管体积小，容纳的空气量少；水柱无色，不易观察；由于是封闭体系，水柱中的液面在初期很难调整到与试管中的液面齐平。

另外，教材中关于铁的吸氧腐蚀原理，只有文字介绍没有实验佐证。教材中的上述实验只是用于验证铁钉置于潮湿空气中有气体被消耗。

鉴于以上原因，对该实验进行了改进，另外还设计了一种简单、有效的实验方法来验证铁的吸氧腐蚀原理。

４．１　吸氧腐蚀现象实验改进

．１　实验用品４．１

铁粉，碳粉，饱和食盐水，品红溶液，锥形瓶，自制回形管装置等。．２　实验方法及效果４．１

装置如图４左侧所示。将铁粉与微量碳粉的混合物装入锥形瓶中，用饱和食盐水润湿，并在瓶壁内尽量展开；瓶口塞上自制回形管装置（加有品红，挤压瓶塞上的带玻璃珠胶管，使品红液面溶液）

调至水平位置，然后静置观察。

片刻后，回形管内品红液面出现明显落差，显示锥形瓶内有气体被消耗。．３　实验说明４．１

，其中橡皮塞自制回形管装置（见图４左侧）

，一个上有２个孔，一个插入玻璃回形管（自制）插入玻璃管（上面套有带玻璃珠的乳胶管、玻璃尖。嘴）

使用铁粉可增加反应面积，提高反应速率。使用锥形瓶可扩大气体容量，增加反应量，也便于放置在桌面。使用品红溶液更易观察。使用自制回形管，是利用Ｕ形液面有升、有降，使液面的落差

更明显，操作更简便。加装带玻璃珠胶管，是因为塞上橡皮塞后Ｕ形液面会形成落差，通过挤压其中的玻璃珠可将品红液面调至水平位置。４．２　验证铁的吸氧腐蚀原理实验设计

．１　实验用品４．２

铁片，碳棒，铜片，饱和食盐水（或饱和ＫＣｌ（，酚酞试液，Ｋ溶液）ＦｅＣＮ）３［６］溶液，培养皿，滤纸等。

）详见表１和图４

．２　实验方法及现象（４．２

图４　验证铁的吸氧腐蚀原理实验

表１　铁的吸氧腐蚀原理验证实验方法及现象

步骤１

方法１，用１张浸有饱和食盐水的滤纸包住１块铁片和１支碳棒，碳棒与铁片要直接接触

方法２，将铜片压在１块铁片上，用饱和食盐水润湿，上面再覆盖１层滤纸

步骤２

（在铁片处滴加１滴ＫＦｅＣＮ）３［６］溶液，在碳棒（或铜片）处滴加１滴酚酞试液

实验现象

，滤纸相应位置出现明显的红色大约３ｍｎｉ和蓝色。实验效果见图４

４．２．３　注意事项

注意碳棒、铁片、铜片要洁净，无氧化性和酸性杂质。尤其是旧的碳棒吸附了一些未知杂质，又不易清洗干净，所以实验的重现性不好，而用新碳棒或铜片则重现性很好。铁片上应无铁锈，铜片上应无黑色氧化铜等。

使用的饱和食盐水应用分析纯的Ｎｌ配制，ａＣ或直接用饱和ＫＣｌ溶液代替，因为市售食盐中加入了微量ＫＩＯ３，会干扰溶解氧参与电极反应。

注意酚酞试液中以酒精（非电解质）成分为主，初期滴加量过多会妨碍铁的吸氧腐蚀。．４　实验说明４．２

采用滤纸浸润饱和食盐水，可以使电解质溶液

既充分展开接触氧气，又能富集产物便于检验，还能作为白底衬托出蓝色和红色。

５　验证牺牲阳极的阴极保护法实验方法

改进

教材中该实验的装置图中有电压表，可用于判断电子是否转移，但持续串接在电路中进行实验时，会因电压表的电阻（３～１２ｋΩ）太大而阻碍阳极电子的输出，从而降低阳极对阴极的防护效果。本实验需做对照实验，才能达成该实验的目的。

一般来说，在同一电解质溶液中，金属腐蚀的快慢规律如下：

电解腐蚀＞电化学腐蚀＞化学腐蚀＞有防腐

·７２·：／／）化　学　教　育（ｔｗｗｗ．ｈｘ．ｏｒ０１５年第３期ｈｔ　　　　　　　　　　　　　２ｐｊｙｇ

措施的腐蚀（外接电源的阴极保护法＞牺牲阳极的阴极保护法）

由于铁电极本身就处在酸化的食盐水中，所以

２＋化学腐蚀无论是否连接锌片都会发生，产生Ｆｅ２＋（。所以本实验要达到ｅ＋Ｈ２↑）Ｆｅ＋２Ｈ＋＝Ｆ

验证的目的，关键在于与对照实验比较，能有明显

ｎ内，独立铁片上ｉ　　实验效果如图５所示，１ｍ

很快出现蓝色，而与锌片相连的铁片上无蓝色出现

。

的颜色区别。

本实验电解质溶液的酸化程度需控制好，酸度太高，２者的实验现象都为变蓝；酸度太小，对照实验中蓝色出现较慢。考虑到以上因素，探寻并设计了如下实验方法。

５．１　实验用品

／Ｌ盐铁片，锌片，饱和Ｎｌ溶液，１ｍｏｌａＣ

（酸，ＫＦｅＣＮ）３［６］溶液，滤纸，培养皿等。５．２　实验方法及现象

／Ｌ盐在１Ｌ饱和ＮａＣｌ溶液中滴加５滴１ｍｏｌ００ｍ酸备用；将１块铁片与锌片压在一起放入一个培养皿中（，另１块铁片放入另一个培养皿中，再分别铁片朝上）

倒入上述经酸化的饱和Ｎｌ溶液润湿，并盖上１片ａＣ白色滤纸；在滤纸上分别滴加２滴ＫＦｅ（ＣＮ）３［６］

溶液，观察现象。

图５　先用酸化的食盐水润湿　覆盖滤纸后滴加铁氰化钾溶液

５．３　实验说明

倒入食盐水的量应尽量少，刚好润湿铁片即

２＋

。加盖白色滤纸可可，这样可以富集产生的Ｆｅ

便于观察出现的蓝色。

参　考　文　献

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北京：人民教育出版社，２２：７０－８７０１

）：５［］　郑晓红．中国现代教育装备，２２（２２２２０１

［］　郑晓红．简易氢氧燃料电池∥第六届全国自制教具获奖作３

品项目汇编．北京：教育科学出版社，２９：１１５００

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［］　项云，钱海滨，蒋金虎．化学教育，２）：５５１，３２（６９０１［］　罗仁达．化学教育，２）：８６４，３５（３０－８１０１

［］　王建民，章新阳，李文清．化学教育，２）：５７４，３５（７９０１