电解氯化铜溶液装置的改进与思考

吴小辉 伍俊文

摘要： 以教材中电解氯化铜溶液实验为原型，先后借助球型干燥管、注射器等改进电解装置，进行电解实验的探究。改进装置体现绿色化学设计理念，集简易、便携、环保、节能、高效等优点于一身。改进后实验现象非常明显，可操作性强，适用于教师演示实验或学生分组实验。通过反思，对“我与化学”活动提出了几点建议。

关键词： 电解; 氯化铜溶液; 装置改进; 实验探究

文章编号： 10056629（2018）10007204中图分类号： G633.8文献标识码： B

1选题背景

“我与化学”活动是广州地区全体中学生和中学化学教师共同参与、以展示“化学对我的影响、我心目中的化学”为主题的化学综合实践活动，具有浓郁的广州地域特色，是我市化学学科领域实施素质教育的主阵地之一。活动有效地提升了学生的科学素养，促进了学生综合素质的发展。我校师生积极参加了该活动。首先，高一学生迅速成立了研究性学习小组，然后选定研究课题。通常，选定课题是比较棘手的问题。

本研究性课题的由来纯属巧合——高一研究性学习小组去办公室找笔者商量探究的课题时，看到办公室准备台上摆放的干电池组、导线、装有蓝色溶液的U型管、淀粉碘化钾试纸等仪器和试剂，非常好奇也非常感兴趣： 这是要做什么实验？进一步了解得知，高二学长们正在学习电解池知识，电解氯化铜溶液是课堂教学的演示实验，“要不我们就探究这个”的想法油然而生。研究小组成员一致认为该探究活动一方面能培养他们的学科探究能力和实验操作技能，另一方面能更好地促进他们在高二学段对电解池的学习——因为电解氯化铜溶液的演示实验是认识和理解电解原理的启蒙性实验。于是，研究小组展开了对电解氯化铜溶液实验的探究。

对于电解氯化铜溶液实验，人教版化学选修4《化学反应原理》第四章第3节“电解池”第79页要求教师指导学生按教材实验装置进行实验。那么，研究小组可以探究什么，即亮点何在？怎么探究呢？首先，笔者指导学生利用关键词或主题词检索方法去网上查询相关资料并汇总信息，然后通过组内研讨方式熟悉反应原理和装置特点，并辩证地分析该装置的优缺点，最终高一研究性学习小组认为教材中的该实验存在以下缺点： （1）电解过程中产生的氯气有毒，随意飘散，影响师生健康，不符合绿色化学要求。（2）检验氯气的过程不环保且繁琐。（3）该装置不便于走动演示，如果不运用投影仪配合演示，就无法让每个学生清楚地观察到实验现象。（4）教材配套用的教學参考书建议6～12V为宜，约3分钟左右才能看到明显的现象。若采用干电池（1.5V）进行实验，则耗费电池较多，不利于分组实验。为了解决上述不足之处，研究小组展开探究性活动，期望获得绿色、简易、高效、节能的“电解氯化铜溶液实验”装置。

2研究目的和意义

（1） 学生通过对电解的电极反应分析，进一步巩固氯气的性质及检验方法。

（2） 学生通过对电解氯化铜溶液的原理分析和装置组装，能熟悉电解的基本原理和电解池模型，奠定学生对电解池的基础理论知识的认识基础，促进高二电化学相关知识的学习，并学会将电解池的理论知识与实践相结合。

（3） 通过对电解氯化铜溶液的实验改进，能够获得绿色、简易、便携、节能、高效的实验装置。

（4） 通过活动培养学生的自主学习能力和探索精神，增强学生的实验技能与合作能力，在交流中学会展示和评议等。

（5） 该活动的成果将丰富实验课教学的内容。

3研究过程与分析

3.1实验原理

阳极反应式： 2Cl--2e-Cl2↑

阴极反应式： Cu2++2e-Cu

电解CuCl2溶液的总反应式： CuCl2通电Cu+Cl2↑

氯气检验： Cl2+2KII2+2KCl

氯气吸收： Cl2+2NaOHNaCl+NaClO+H2O

3.2实验仪器和药品

主要仪器： 管径12mm的U型管、碳棒2支、干电池若干、导线、球型干燥管[1]、脱脂棉、烧杯、玻璃棒、100mL注射器、导管、镊子

主要药品： 25%氯化铜溶液、淀粉碘化钾试纸、浓氢氧化钠溶液、石蜡

3.3实验结果与分析

3.3.1演示教材中的实验，自主体会电解氯化铜溶液过程（方案1）

实验步骤： 在U型管中注入25%氯化铜溶液，插入两根石墨电极，接通电源，反应开始（如图1所示）。把湿润的淀粉碘化钾试纸放置在与直流电源正极相接的碳棒电极（阳极）附近，观察U型管内的现象和试纸的颜色变化，并记录实验现象（电源电压由3V即2节干电池开始，然后逐步增加电压，观察电解的时间为3分钟）。

实验现象： 当电源电压增加至7.5V，即干电池五节，约3分钟可以近距离观察到较为明显的现象，如阳极碳棒附近有较多的小气泡产生，该气体接触湿润的淀粉碘化钾试纸，试纸逐渐变蓝色;阴极碳棒有些许红色固体析出并附着在碳棒的底部。

成果分析： （1）氯气未处理;（2）电解速率很慢;（3）需用2个铁架台和夹子固定U型管及2根碳棒的位置，且气体检验的操作也不方便。

3.3.2电解氯化铜溶液的装置微改进1： 环保先行（方案2）

设计说明： 参照教材方案一的实验，深感氯气有毒必须优先处理，否则会影响身体健康。结合氯气的性质，决定采用浓氢氧化钠溶液吸收之，同时又便于检验氯气的生成。微改进的具体步骤如下，改进后装置的简示图如图2所示。

实验步骤： （1）将导线内置于球型干燥管内，然后用镊子取蘸有浓氢氧化钠溶液的脱脂棉（浸湿程度以溶液不滴落下来为准）填充在干燥管球部，并将润湿的淀粉碘化钾试纸粘在干燥管内壁。（2）将上述改进的干燥管固定在U型管的一端。（3）连接好装置，向电解池另一端装入25%氯化铜溶液，接通7.5V的电源电压。反应开始，观察U型管内的现象和试纸的颜色变化，观察电解的时间为3分钟。

实验现象： 两个碳棒电极的实验现象与方案1的现象相同，不同之处同时也是优点的是阳极碳棒有较多的小气泡产生，该气体使紧贴上壁的湿润的淀粉碘化钾试纸逐渐变蓝，多余的氯气在干燥管球部的脱脂棉处被浓氢氧化钠溶液吸收。

成果分析： 尽管改进了氯气污染的问题，且只需一个铁架台和夹子固定U型管及1根碳棒的位置即可，但电解速率很慢仍亟需解决。

3.3.3电解氯化铜溶液的装置微改进2： 环保、节能、便携、高效并进（方案3）

设计说明： 电解速率慢，课堂演示时会占用较多的教学时间，因而影响课堂的教学效率。有资料表明缩短电极间距可以加快电解速率[2]，故本次设计要缩短两碳棒的距离。实验期间学生弄坏了U型管，可知玻璃仪器易碎是个问题。为解决该问题，学生查资料发现一次性滴管可以做电解池[3]，非常新颖，节约原料，气体量少，污染少。但研讨后认为该装置可能会漏液、不够环保、近距离才能观察到现象，因此否定了用一次性滴管。有学生提出可尝试用注射器作为电解池，故本次设计采用了注射器做电解池。改进的具体步骤如下，改进后装置的简示图如图3所示。

实验步骤：

（1）在管径12mm的注射器针筒顶端打2个小孔，用于安置2个碳棒电极，则电极间距由原来的4.5cm缩小至2cm。然后分别安插2个碳棒电极，在碳棒电极周边用石蜡作密封处理。（2）在注射器内装入同方案一等体积的25%氯化铜溶液，推压活塞至溶液浸没电极长度不超过2/3，把湿润的淀粉碘化钾试纸放在注射孔部位或者在注射孔部位连上导管，推压活塞也可以快速完成气体的检验。当试纸逐渐变色时立刻将导气管末端插入盛有浓氢氧化钠溶液的烧杯中。（3）接通电源，反应开始，观察注射器内的现象和试纸的颜色变化（电源电压由3V开始，观察电解的时间为3分钟）。（4）上下推拉活塞使液面下降或上升，反应可随时终止。

实验现象： 当电源电压为3V时，约1分钟就可以观察到同实验方案1和方案2一样的现象。且当加大电压至4.5V，观察到阳极碳棒表面析出相当多且较大的气泡，阴极碳棒越来越粗，析出的红色固体显著增多，甚至有些红色固体脱落下来。由于针孔出气很少且集中，淀粉碘化钾试纸直接放在针孔上面，约2分钟即可看到试纸变蓝;若是把

湿润的淀粉碘化钾试纸放在导管末端，则需要轻轻地推压活塞，

试纸即变蓝。往下拔拉活塞，可以更加清楚地观察到阴极碳棒上附着的红色固体;接上导管，再往上推活塞，将产生的多余氯气排放至浓氢氧化钠溶液中被吸收;往下拔拉活塞使溶液与电极分离，可以终止反应。

成果分析： （1）该装置简易轻便，可以走动演示，便于观察现象。（2）由于缩短了电极间距，降低了电阻[4]，从而加快了电解速率，耗费电量少，节约能源。（3）实验现象非常明显，高效完成实验。（4）余氯被浓氢氧化钠溶液吸收，具有环保性。

3.4实验小结

通过对教材中的电解氯化铜溶液的装置进行两次改进，结果表明，采用注射器作为电解池的改进效果是最好的，具有如下优点：

（1） 避免了采用易碎的U型管，巧用注射器作电解池，非常简易便携，可以走动演示，方便观察实验现象。

（2） 避免有害气体逸出，解决了对环境的污染问题，培养了学生的环保意识。

（3） 相比较U型管，电极间距明显缩短，电解电压为3.0～4.5V时，约1分钟左右就有相当明显的现象，不仅高效完成实验，而且节约了能源。

（4） 通过控制注射器活塞可以调节电解反应的开始或结束。

（5） 注射器等主要仪器可以重复使用。

（6） 该装置的可操作性强，适用于演示实验或分组实验。

（7） 实验过程中拍摄的微视频现象清晰，是极好的教学素材。

（8） 该装置还可以用于模拟电镀实验。

3.5实验注意事项

（1） 探究实验所用电压由小到大逐步增加，一般控制在3.0～4.5V之间，

若电压过大电解速率加快，阴极有大量红色固体产生并脱落，产生的氯气也较多。

（2） 湿润的淀粉碘化钾试纸变色后应立即拿开。

（3） 使用玻璃仪器如U型管等进行组装时，要注意轻拿轻放防止破碎。

（4） 给针筒一端打孔时要注意孔径大小和碳棒大小要匹配。

（5） 为了防止氯气泄露，阳极碳棒的一端要作密封处理并检查气密性。

4对“我与化学”活动的建议

参加“我与化学”活动的课题探究后我們深感收获颇丰，同时也进行了反思，并对“我与化学”活动提出如下的建议：

（1） “我与化学”活动研究性课题来源广泛。辩证地看待教材实验就能找到改进创新的思路，获取研究性课题。任何一次实验改进都会对实验课教学带来促进作用。

（2） 开展实验探究前，应先引导学生自主查阅相关资料和整理有用信息，培养学生文献检索和归纳整理能力。

（3） 当学生在查阅资料或者实验过程中提出问题时，指导教师应及时给予解答或分析，引导学生排查错误的研究方向。向前辈请教是一个解决问题的途径，可以降低因摸索而耗费的大量时间。

（4） 实验过程中应督促学生养成良好的实验习惯，如勤于记录、拍照、实验小结，方便后续实验报告的撰写或为教师辅助教学提供视频材料。

（5） 让学生在实践中学会学习、合作、交流、展示等活动能力，教师绝不能包办代替。

参考文献：

[1]符邹雯.电解氯化铜溶液实验的改进[J].中学化学教学参考， 2014，（11）： 58.

[2][4]陈达，庄华清.电解饱和食盐水实验的新改进[J].化学教学， 2012，（11）： 49～50.

[3]邹雪连，张邱.电解氯化铜溶液微型化实验改进[J].中学化学教学参考， 2016，（6）： 53.