离子在电场中运动的实验探究

王向坤 李跃春 耿淑玲

（湖南师范大学化学化工学院湖南长沙410081）

离子在电场中运动的实验探究

王向坤 李跃春 耿淑玲

（湖南师范大学化学化工学院湖南长沙410081）

该实验利用中学常见的仪器自制实验装置，生动形象地向学生展示离子在电场中的运动情况。实验装置简单，操作容易，既可用于课堂演示，也适合学生独立实验，更有利于学生对离子在电场中的运动规律的理解，提高学生对化学的学习兴趣。

离子；电场；运动；实验

一、问题的提出

在义务教育课程标准实验教科书《化学》九年级（上册）第四单元“物质构成的奥秘”一章中主要讲述的是原子的构成、元素、离子、化学式和化合价四个小节内容，对于学生来讲，掌握这部分内容十分重要，是他们今后学习其他知识的基础。但这章的内容非常抽象，远离学生的生活经验，且又无演示实验加以说明。另外，在普通高中课程标准实验教科书《化学》选修4第四章第三节“电解池”一节中也涉及了离子在电场中运动的相关知识点。因此，在教师讲解完这些内容后，可以增加课堂演示实验“离子在电场中运动”，加深学生对微观粒子的认识及运动规律的理解，为其今后的学习打好坚实的基础。通过上网搜索和查阅文献，目前有三篇关于该实验的研究，一种实验方法是在玻璃片上放上浸有硝酸钾的滤纸，两端平行放上石墨电极上，然后在两极中间用滴管滴上高锰酸钾溶液，或者划一条线，接通电源，观察离子的移动；第二种方法是在一支U形管中注入大半管硫酸钾溶液，U形管的两边插入电极，中间的长颈漏斗里注入饱和硫酸铜溶液与高锰酸钾溶液的混合液；还有一种方法是用铜丝将滤纸固定在试管上，浸有高锰酸钾的棉线放在滤纸中央，观察离子的运动。以上三种方法虽然可以初步揭示离子在电场中的运动情况，但是第一种方法，电极未固定，划线易使紫红色高锰酸钾溶液立即向四周扩散，难以使学生观察到清晰的实验现象；第二种方法的实验装置非中学常规实验仪器，操作不方便，且大量的电解质溶液会将蓝紫色的硫酸铜和高锰酸钾的混合溶液稀释，因而实验现象不明显；最后一种方法是用两根铜丝将滤纸固定在试管上，但是由于铜丝比较细，产生的电场作用力很小，不足以使高锰酸钾溶液离开棉线在滤纸上扩散，因此实验现象不明显，重现性差，不适用于课堂演示实验及学生独立实验。为了进一步完善以上三种实验操作，本文采用中学常见的实验仪器，自制实验装置，操作简单，实验现象明显。此外，教师也可以在课后指导学生亲手动手操作该实验，加深学生对离子在电场中的运动规律的理解，提高对化学的学习兴趣。

二、实验部分

1.实验目的

通过化学实验方法清晰地呈现出微观离子在电场中的运动现象，加深学生对离子在电场中的运动相关知识的理解。

2.实验原理

滤纸上的电解质溶液在通电时发生电解，阴离子在阳极发生氧化反应，阳离子在阴极发生还原反应；棉线上带负电荷的高锰酸根离子在电场力的作用下向阳极移动。

3.实验用品

烧杯（100mL），铁架台，玻璃棒，导线（2根），注射器，滤纸，试管（25mm×200mm），低压电源（J1201-1），高锰酸钾，硫酸钾，铜片（75mm×26mm，2个），棉线（若干），钥匙，电子天平，酒精灯，镊子，表面皿，三脚架，石棉网，火柴。

4.实验装置（如图1）5.实验步骤

（1）取一支带有橡胶塞的试管（25mm×

200mm）水平固定在铁架台上，然后将2个铜片（75mm×26mm）分别固定在两根导线上，连接好电路（如图1）。

（2）取一个100mL的小烧杯在电子天平上准确称取3.48g硫酸钾固体，加入10mL蒸馏水，，在酒精灯上加热至晶体溶解，即得2mol/L的K2SO4溶液。

图1 离子在电场中运动装置

图2 离子在电场中运动的装置实物图

图3 离子在电场中运动的实验结果放大图

（3）用注射器吸取适量上述2mol/L的K2SO4溶液，缓慢推动注射器将滤纸浸湿，然后小心的裹在已水平固定的试管上，注意滤纸和试管之间不要留有气泡。

（4）将已连接好的铜片弯曲成圆弧状，并在硫酸钾溶液中浸湿，然后使其恰好完全固定在滤纸的两端。

（5）取酒精灯芯的细棉线约20根左右，拧成一个长约10cm，内径约为0.5cm的棉线备用。

（6）将上述棉线置于表面皿上，滴入适量0.01mol/L的KMnO4使其恰好浸湿棉线，并小心平行地放在两铜片电极的中间。

（7）打开电源，接通12Ⅴ的电压，观察棉线上紫红色溶液的扩散情况（如图2、3）。

6.实验结果与分析

实验开始时，棉线上的紫红色溶液首先向两边略微扩散，然后紫红色溶液逐渐向阳极扩散，数秒钟后，可观察到大量的紫红色出现在阳极滤纸一边，而阴极滤纸一边只有刚开始扩散的少量紫红色。

上述实验现象表明：进入电场中，紫红色的高锰酸根离子，在硫酸钾电解质溶液（滤纸上）的作用下首先向两极扩散，然后由于高锰酸根离子带负电荷在电场中受电场力的作用，逐渐向阳极移动，因而在阳极滤纸上呈现出大片紫红色。

7.实验注意问题

（1）硫酸钾一定要完全浸湿滤纸，且滤纸裹在试管上不可以有气泡。

（2）浸有高锰酸钾的棉线一定要小心放置在两铜片中间，使两边等距，且放好后不可再移动棉线。

（3）为了增加高锰酸根离子的扩散速度，可在铜片两端用注射器滴加等量硫酸钾溶液。

（4）若因天气冷等原因导致高锰酸根离子的扩散速度变慢，可以再大试管中装入热水，以增加其扩散的速度。

（5）铜片的大小在70mm×20mm～80mm×30mm之间，太大太小都不利于实验的进行。

三、实验的优点

（1）此实验现象生动有趣，对比鲜明。

（2）用化学方法清晰地呈现出微观离子在电场中的运动现象，加深学生对离子在电场中的运动规律的理解。

（3）实验仪器均为中学常规仪器，装置简单，操作简便，易推广。

（4）此实验在教师的指导下，学生亲自动手操作，既培养了学生的实验动手能力，也激发了对化学的学习兴趣。

［1］倪正龙.介绍一种离子运动的演示实验的方法［J］.化学教学，1991，（6）：18-19

［2］课程教材研究所.义务教育课程标准实验教科书·化学（九年级上册）［M］.北京：人民教育出版社，2006：18-19

1008-0546（2013）06-0090-02

G633.8

B

10.3969/j.issn.1008-0546.2013.06.040