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中学生自主探究电解硫酸铜实验 作者:新余四中 刘趁桢
一.引言:同学们总是在为课本上的实验兴叹
的同时,也想自己尝试,但当发现手头上的材料不够时,总想着去买,其实不用大功率的直流电源了,你只需要三节电池和下述相关材料就可以了。——当然,收获知识才是最重要的。自己动手实验对初三升入高中的同学进一步学习电化学是有帮助的.下面我从实验开始介绍,再提供例题供学电化学的同学参考.
二.实验目的:明确电解池中使用惰性电极c电解硫酸
铜溶液制硫酸的实质。
实验器材:4.5v电源,(0.2A直流电),电流表(0~3A)CuSO45H2O晶体,200ML蒸馏水,碳(石墨)棒(市场上的圆规铅笔芯2b可替代),PH试纸广泛1~14,导线若干(带鳄鱼夹)。开关。托盘天平。(100g最大称量MAX),量筒100ML.
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CuSO4溶液
通电
一.实验原理:1.总反应 CuSO4+2H2O
= 2 Cu(阴极)
+2H2SO4+O2↑
2.电解池(烧杯)中的反应分析离子方程式:碳棒属于溶液中的cu2+与 OH-分别得失电子,由于(放电能力)cu2+>H+,OH->SO42-,因此阴极上的Cu2+放电生成Cu,阳极上的OH-放电生成O2,电极反应如下:
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阴极(与电源负极相连)2Cu
2+ +4e - = 2Cu
- 4 e - =O2 ↑+2H2O
阳极: (与电源正极相连)4OH-
三.实验步骤。根据硫酸铜(五水合晶体)在三十摄氏度的溶解度为37.8g 使用托盘天平(100gMAX)称量75.6g五水合硫酸铜晶体用纸倒入烧杯中,并用玻璃棒转移晶体,量桶分两次量取100ML蒸馏水,倒入烧杯中(BOMEX,250ML),用玻璃棒搅拌充分溶解,制得其浓溶液。将两根石墨电极棒分别用鳄鱼夹夹住位于烧杯的两侧如图,后闭合开关,检查电流表视数是否过大或过小,过大则说明短路,过小则可能是接触不良或电池电压过小,建议在电源两端并联一个(0~15v)的电压表 (用来检测路端电压)。检查完毕后即可开始电解工作。如图所示。
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四.实验现象:开始电解15min后,阳极有少量气泡出现,阴极有少量红色物质生成。具体如下。
实验
现象 进行 日期
PH阴值极
阳极
总体现象
6.5
4~5
出现极少量红色物质附着
有极少量的气泡产生
碳棒断裂,原阳极位置液面上漂浮着少量气泡更换新碳棒
无明显现象 液面有所下降,下降了约15ML
6.10 4~3
出现较少红色物质
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6.15 3~2
碳棒表面附着一层红色物质,易剥落(疑似有氢气产生)
碳棒断裂,更新碳棒,有较多气泡匀速从极上浮
碳棒断裂,更新碳棒,更新电池后,电流表示数增大,单位时间气泡数增多
液面下降至160ML
6.19 1
碳棒上有较多红色物质,取出后5h暴露在富含co2的湿润环境下,表面附着一层翠绿色的物质 Cu2(OH)2CO3
液面降至140ML 酸性较强
碱式碳酸铜
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反应后
反思:1为什么阳极碳棒易断裂:由于阳极生成的气体以小
气泡的形式溢出,易使石墨沿片层之间断裂(石墨片层间主要是以分子间作用力维系)2.为什么会有蓝绿色物质生成:由于房间湿气重,CO2浓度高,易生成铜锈(碱式碳酸铜)Cu2(OH)2CO3眼镜框上鼻托上的绿点就是它在作怪.
拓展:1.若想使电解质恢复原状态,
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遵循“缺什么补什么”的原则,一般加入阴极产物(Cu)与阳极产物(O2)两物质中元素组成的化合物,可加入CuO,CuCO3,但不可加Cu(OH)2,Cu2(OH)2CO3,这些
物质会使溶液中的水增多,到溶质质量分数偏小。
2.当硫
酸铜中的铜离子全部放电析出时时,要考虑恢复原状态时,可用Cu(OH),因为接下来是电解硫酸溶液,将会有水消耗,要保持【Cu2+】(浓度 )不变,可考虑用此,或加了 CuO后加一定量的水,亦或是加碱式碳酸铜。
3.电解顺序是先电解硫酸铜,再电解硫酸.
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举个例子:如图电解一定量的硫酸铜溶液的实验装置如图①,电解的实验数据如图②,横坐标表示电解过程中转移电子的物质的量,纵坐标表示电解过程中产生气体的总体积(标准状况).则下列说法正确的是:A.开始时b电极有红色物质析出,而后有气泡产生
B.a电极上的电子经溶液流向b极再流入直流电源
C.曲线P~Q段表示产生H2和O2的体积比为1:2
D.从开始到Q点收集到的混合气体中有0.1mol氧气
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根据电子流向知,a为阴极、b为阳极,开
始时,阴极上铜离子放电、阳极上氢氧根离子放电,所以电池反应式为2Cu2++2H2O=电解Cu+O2↑+4H+,当铜离子完全放电后,再继续电解相当于电解水,电池反应式为2H2O电解 2H2↑+O2↑,所以从O到P点,生成的气体为氧气,从P到Q点生成的气体是氧气和氢气, P点收集到n(O2)=1.12Lx2.4L/mol=0.05mol,从P到Q收集到气体体积=4.48L-1.12L=3.36L,其物质的量=3.36Lx22.4l/mol=0.15mol,根据2H2O电解=2H2↑+O2↑,从P到Q收集的氢气和氧气物质的量之比为2:1,则从P到Q点收集到的氢气物质的量是0.1mol、氧气的物质的量是0.05mol,
. A.b为阳极,阳极上电极反应式为2H2O-4e-=4H++O2↑,所以b电极上只有无色气泡生成,故A错误;
B.电子不进入电解质溶液,电解质溶液中阴阳离子定向移动形成电流,故B错误;
C.曲线P~Q段实质上是电解水,所以表示产生H2和O2的体积比为2:1,故C错误; D.从开始到Q点收集到的混合气体中氧气的物质的量=0.05mol×2=0.1mol,故D正确;
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