电解氯化铜溶液实验教学的探究

郑晓影 徐森林

（泰州市第二中学 江苏泰州 225300）

电解CuCl2溶液的实验，在现行人教版的教材上只提及了简单的实验步骤和现象，对具体的如何进行实验操作则没有作明确的说明。而对“电解原理的重要应用”中的电解精炼铜和电镀原理等知识，在现行教材也只花了很少的篇幅来讲解，并且相关的实验很少，这给学生理解电解的原理增加了较大的难度。为此，我们对电解CuCl2溶液实验装置作了一定的改进，并将实验的内容进行必要的延伸和拓展，取得了较好的教学效果，对化学实验课的有效教学具有一定的参考价值。

下面，将我们关于电解氯化铜溶液实验教学的探究过程作一个简述。

1．电解CuCl2溶液

实验材料：0.8mol/L CuCl2溶液、淀粉碘化钾试纸、U形管、石墨电极、导线、直流电源、烧杯、玻璃棒、铁架台、铁夹。

实验过程：

将0.8 mol/L CuCl2溶液转移到U形管中，充满U形管的2/3容积，使两臂管上面各空2cm左右。将U形管固定在铁架台的铁夹上。将两支石墨电极放入U形管两臂管中。连接电路，接通直流电源，电压在4到6V之间为宜（图1）。一段时间后可顺利观察到两极发生的现象：(1)阳极有气泡，以润湿的淀粉碘化钾试纸检验，可见到试纸变蓝。(2)阴极棒上有铜析出，可看到红色的铜附在石墨四周。

通过对实验的观察、产物的鉴别以及讨论，学生逐步学会分析：阴、阳离子在外电场的作用下在溶液中的定向迁移，两极发生反应的过程（电极方程式），电解池的总反应方程式，并由此归纳出阴、阳离子的放电顺序并延伸为以下规律，阴极：Ag+＞Hg+＞Fe3+＞Cu2+＞H+＞Pb2+＞Sn2+＞Fe2+＞Zn2+＞（H2O）＞Al3+＞Mg2+＞Na+＞Ca2+＞K+（注：将H+和H2O的放电顺序分开表示，有利于学生接下来对镀Zn及活泼金属在非水条件下进行电解制备原理的理解）； 阳极：S2-＞I-＞Br-＞Cl-＞OH-＞含氧酸根离子（＞等）＞F-。

2．延伸改进一

为引导学生研究电极材料在电解过程中的作用，对刚才的实验作如下的改进展开教学：将原阳极石墨棒换成纯铜板，补充一定的CuCl2溶液，使U形管的两臂管上面各空1cm，左右两电极反接（图2），持续电解一段时间，发现现阳极石墨棒上原来析出的铜逐渐溶解直至消失，这时可看到阴极纯铜板上又有红色的铜析出。

前后实验现象的强烈反差，会引发学生的好奇心，激起探究欲望，从而为此做出了种种大胆的猜测。学生经过小组讨论，就能顺利地得出：此时阴极发生的电极反应是Cu2++2e-=Cu，阳极发生的电极反应是Cu－2e-=Cu2+。这时，教师可以说明一下，当用在金属活动性顺序表中银及其以前的金属作阳极时，一般优先于溶液中的阴离子而失电子，即金属首先被腐蚀，为活泼阳极。同时，也可以为学生进一步理解电解精炼铜的原理提供积极的引导，有助于学生理解：用粗铜作阳极，纯铜作阴极，并用铜盐溶液（CuCl2溶液等）作电解液，可以实现铜的电解精炼。

同时，教师还可以用温度计引导学生去发现一个“意外”的现象：U形管两端的温度出现了明显的差异，石墨电极一侧温度高，而Cu电极一侧，温度变化不大。

分析及结论：这种现象与电极材料的导电性能有关，即Q=I2Rt，电极材料导电性能优劣决定了电解过程中电能损耗的多少（转变为热能）。这就能为解释在电解饱和食盐水时用金属材料做阴极奠定了基础。这样，运用物理学知识来解决化学中的问题，有利于促进相关学科的知识在学习过程中的相互渗透，能够提高学生的综合素质和学习能力。在学生有序地解决各种具体问题并设计出该反应装置的过程中，对物质变化过程中的各种影响因素及其相互关系的认识，又上升到一个新的高度。

3．延伸改进二

将“延伸改进一”实验中的石墨棒换成纯锌板，用4到6V的电压持续电解（图3），会发现阳极纯锌板表面逐渐变得粗糙（溶解），溶液的蓝色逐渐褪去，阴极纯铜板上一开始有红色的铜析出，然后有气泡放出。

学生通过观察记录和小组讨论后，不难得出阳极发生的反应应该是Zn－2e-=Zn2+，阴极开始发生的反应应该首先是Cu2++2e-=Cu，然后是2H++2e-=H2↑（开始时电解液中各离子浓度Cu2+＞H+＞Zn2+）,从而进一步提高学生对电解时溶液中阳离子的放电顺序的认识。

拓展研究：如果按照图3所示的实验装置，经过足够长的时间后，还可以观察到阴极上停止产生气泡，并逐渐析出一层灰白色的物质。从而引导学生分析讨论：随着阳极发生的反应Zn－2e-=Zn2+不断进行，溶液中c(Zn2+)逐渐增大，达到一定浓度时，Zn2+可先于H+放电，在阴极发生如下反应：Zn2++2e-=Zn，因而铜板表面会析出金属锌。这就为讲解电镀的原理作了铺垫。此外，教师可以引导学生讨论，认识“放电顺序不是绝对化的，除与离子氧化还原性有关外，还与溶液浓度，电解电压及电极材料等因素有关”。教师可以补充说明一下：+2价的铅锡铁锌几种离子，在氢离子浓度大时应后于氢离子放电；当氢离子浓度较小，而+2价的铅锡铁锌几种离子的浓度足够大时则先于氢离子放电。这样，有利于学生形成“量变引起质变”的辩证唯物主义世界观，进而达成教学的三维目标。

通过以上循序渐进的实验装置的改进和实验教学内容拓展，逐层深入地揭示了电解池的原理、电解精炼铜和电镀的基本方法、原理及其特点。实践证明，两个改进实验随着学生研究视点的有序转移，要求他们运用所学的知识，突破原有的思维模式，变换思维的角度，分析解决实际问题，从而就有了全新的收获，也极大地调动了学生的学习积极性，使电解的有关原理和知识在学生的脑海中形成了一个较为完整的知识体系。同时，也为以后学习氯碱工业的生产原理、活泼金属的冶炼等电解原理的具体应用打下了坚实的基础，使学生在学习相关知识时有一种亲切感，因而学习起来得心应手，从而可以取得较好的教学效果。

［1］ 王祖浩．普通高中课程标准实验教科书．化学与技术（选修）［M］．南京：江苏教育出版社，2006：26－30

［2］ 武汉大学化学与分子科学学院实验中心编．无机化学实验［M］．武汉：武汉大学出版社， 2002

［3］ 努丽燕娜，王保峰．实验电化学［M］．北京：化学工业出版社，2007．3