原电池电解液中阴阳离子移动方向的探究实验.docx
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原电池电解液中阴阳离子移动方向的探究实验
探究原电池电解液中阴阳离子移动方向的实验报告
一、课题背景、意义及介绍
1.背景说明
普通高中课程标准实验教科书·化学(人教版,必修2),关于的原电池现象的演示实验,按照教材中方法,可以很好地观察到正极的现象和电流表指针的偏转。
但是实验本身消耗的酸多,同时也无法直观地观察到电解质溶液中离子移动,从而使内电路中阴阳离子移动方向的问题变成了纯理论的问题,只可思考不可观测。
2.课题的意义
实验理论比较简单,操作方便,现象明显,体现了实验探究的思想,在提高学生探究能力的同时,注重了学生创新思维能力的培养。
3.课题介绍原电池原理在高中化学教学中是—个很重要的知识点,而原电池电解液中离子移动方向的问题在教学实践中一般当作纯理论知识处理。
纯理论知识直观地体验,如果能够演示原电池电解液中离子移动的方向性问题,就能够提高学生探究思维能力,发挥化学学科实验教学的优势。
本文介绍了—种简单原电池演示仪器的制作方法,主要是通过有色离子来示踪离子移动,来达到演示原电池内电路中离子移动方向的目的。
二、主要的研究方法:
资料研究法、观察记录法、实验探究法
三、研究的目标与内容
1.研究目标:
原电池
2.研究内容:
电解液中离子移动的方向
四、理论依据
《化学:
必修2》、《化学:
选修4》
五、研究的预期成果及其表现形式
1.在原电池内电路中阴离子向负极移动,阳离子向正极移动
2.设计出电解液中离子移动可以观察的原电池
3.部分调查结果制作成PPT并在全班交流
六、研究性学习的阶段设计
第一阶段:
动员和培训
初步认识研究性学习,理解研究性学习的研究方法,学生查找相应的资料,找出自己感兴趣且与化学有关的课题。
第二阶段:
课题准备阶段
1.提出和选择课题—实验探究原电池电解液中离子移动的方向
2.成立课题组:
根据学生的专长和个性成立学习小组,任命方浩为组长。
任务分工:
查阅原电池原理有关资料(全组成员);
求助老师和实验室实验员(全组成员);
实验探究(全组成员);
文字、表格记录人:
王江拍照:
夏雨
3.形成小组实施方案:
设计探究实验,并通过小组讨论,从理论上论证课题的可研性。
准备好有关原电池的书籍和调查设备。
第三阶段:
课题实施阶段
课题小组通过可研性理论论证以后设计出一下实验,下面是具体的实验实施过程。
实验一:
1.准备实验
实验目的:
探究原电池电解液中离子移动方向的问题
实验器材:
空矿泉水瓶2只、医用注射器1只(配针头2个)、橡皮塞1个、医用点滴装置1套
实验试剂:
2mol/L高锰酸钾溶液500mL、1mol/L硫酸1L
实验原理:
电解质溶液中阴离子向负极移动,而高锰酸根离子在溶液中显紫色,因此可以看到有紫色的细线状溶液向盛有锌片的矿泉水瓶中移动
实验装置:
见图1
图1
2.实验步骤
步骤一,在2只空矿泉水瓶下端分别开一个小口,并在小口的下边剪开一个长长的裂口(小口便于加入硫酸,细长的裂口用于安放铜片和锌片)俯视图如图2:
图2
步骤二,将医用注射器内活塞拔出,塞上橡皮塞(橡皮塞提前由内向外插一根注射器针头)如图2
步骤三,连接空矿泉水瓶和注射器,并与医用点滴装置(里面已盛满2mol/L高锰酸钾溶液)相连,并用两个铁架台固定两个矿泉水瓶使整个装置稳定
步骤四,用玻璃棒向矿泉水瓶下端小口里注满1mol/L硫酸溶液
步骤五,向2只矿泉水瓶细长的裂口中分别安放铜片和锌片,用导线连接它们
步骤六,打开医用点滴装置下端开关,放出高锰酸钾溶液,至溶液浸没针管两端的针头,将点滴装置软管中液体的流速调小,约4-5秒1滴
3.实验现象
看到插锌片的矿泉水瓶一侧的针头出口处有细长的紫红色液体斜向上漂移,而另一侧针头处则无此现象。
锌片上有大量气泡产生,铜片上有少量很小的气泡附着在上面。
4.实验结论
在溶液中紫色的高锰酸根离子向锌片一端移动,即在内电路中阴离向负极移动。
5.故障排除的方法
当注射器两端的针头都有紫色液体流出时,说明高锰酸钾溶液流速太快导致注射器内部压强大,原电池产生的电压引起离子移动的因素不能很好地显现,解决问题的方法是减小注射器的压强,即关闭导入高锰酸钾溶液的阀门,待两端针头中的液体停止流动时再慢慢开启阀门,并控制流速缓慢;当注射器两端的针头都没有液体流出时说明两端针头中可能有空气柱,可以暂时分开矿泉水瓶与针管,用注射器中配有的活塞苏通针头,赶走空气柱。
为了避免这些情况的出现,在准备实验阶段应让两个针头预先充满水,这样的一个简单操作可以让实验较为顺利地进行。
6.结论分析
这个原电池反应的总反应式为Zn+2H+=Zn2++H2↑
负极:
Zn-2e-=Zn2+锌片作负极
正极:
2H++2e-=H2↑因此高锰酸根离子向锌片一端移动
锌片上有气泡是因为锌片有杂质不纯,自身可以形成原电池。
铜片上有气泡是因为与锌片形成了原电池。
究竟是那种现象明显,是由两种影响因素相互竞争的结果。
从实验的现象分析,锌片上有大量气泡,而铜片上只有很少很小的气泡附着,说明锌片与铜片构成的原电池比锌片与自身杂质形成的原电池影响小。
相关公式R=ρι/A
κ=1/ρ
G=κA/ι
电阻R(resistance)电阻率ρ(resistivity)长度ι(linearmeasure)截面积A(sectionalarea)电导率κ(electrolyticconductivitysectionalarea)电导G(electricconductance)
从电导的公式得知,电解质溶液的电导G小的主要原因是针孔的截面积A小,铜片与锌片的距离远,即长度ι大,这也就导致了铜片上只有很少很小的气泡附着。
7.总结
通过以上的实验和理论分析,为了确保实验的成功应注意以下几点:
一、为了方便观察以及离子有足够的移动距离,竟量减小铜片与锌片间的距离。
二、实验顺序要注意先向两矿泉水瓶中加硫酸再向注射器中加高锰酸钾溶液,顺序颠倒会导致注射器中高锰酸钾溶液流入矿泉水瓶中,影响实验的观察。
三、针头应先充满水,防止针头中出现气泡,不能形成闭合回路。
四、向注射器中加高锰钾溶液时应先快速后来要将速度减慢,开始快是为了将注射器注满液体,形成闭合回路。
待液体快注满时要使液体的流速变得很小,这样就不会因为水压的原因干扰电压对离子移动的影响。
图1配制稀硫酸
图2自制实验装置
图4自制实验装置
图5向装置中加稀硫酸
图6向注射器中加高锰酸钾溶液
图7约10S后的负极
图8约15S后的正极
图9约30S后的负极
图10约60S后
实验二:
1.问题的提出
普通高中课程标准实验教科书·化学(人教版,必修2),关于的原电池现象的演示实验,按照教材中方法,可以很好地观察到正极的现象和电流表指针的偏转。
但是实验本身消耗的酸多,同时也无法直观地观察到电解质溶液中离子移动,从而使内电路中阴阳离子移动方向的问题变成了纯理论的问题。
鉴于以上几点,对该实验作了适当改进。
改进的装置比较简单,操作方便,现象明显,体现了实验探究的思想,在提高学生探究能力的同时,注重了学生创新思维能力的培养。
本实验不同与胶体的电泳,其一,是因为胶体电泳与胶体粒子带电有关,而本实验是离子导电。
其二,胶体是在外接电源的作用下,而本实验是原电池。
2.实验设计原理
2.1实验目的
通过电解质溶液中增加有色离子来示踪原电池内电路中离子移动的方向
2.2实验原理
在原电池内电路中阳离子向正极移动,阴离子向负极移动
2.3仪器与试剂
小U型管(U型管规格如图1,单位:
mm)、脱脂棉、导线若干、胶头滴管2支、饱和硫酸铜溶液、硫酸铜晶体、稀硫酸、锌棒、碳棒、两根竹签。
U型管规格图1实验装置图图2实验前图3-1实验后图4-1
2.4实验步骤
2.4.1向U型管中注入饱和硫酸铜溶液使U型管两端的液面高度约为U型管高度的1∕3。
注入饱和硫酸铜溶液前应先在U型管中放入硫酸铜晶体颗粒,确保铜离子向稀硫酸溶液扩散过程中铜离子的浓度不会明显减小,这样就可以一直很清楚地看到清晰的蓝色溶液。
U型管可以固定在铁架台上。
2.4.2向U型管两端加入脱脂棉,厚约1cm,松紧适中。
脱脂棉保证了锌棒不能与铜离子直接接触。
脱脂棉有吸附作用,可以阻碍铜离子向稀硫酸溶液中扩散,相当于色谱柱中的填料。
这个吸附作用是有限度的,对铜离子移动的影响比原电池形成的电压影响小。
换句话说,脱脂棉只是很大程度地延缓了铜离子的扩散,
2.4.3向U型管两端同时注入稀硫酸至U型管高度约4/5处,这样的高度可以确保当锌棒、碳棒插入U型管中以后,溶液接近注满,但又不会溢出。
向U型管两端注入稀硫酸时,必须是同时注入。
若一边的稀硫酸加入的多,则由于渗透压的原因导致铜离子在U型管的另一端向稀硫酸中大量渗透,脱脂棉无法有效地吸附阻碍铜离子的移动。
因此可以同时用胶头滴管滴加,不能用试剂瓶直接倾注稀硫酸溶液。
2.4.4向U型管两端加电极材料,一边加碳棒,另一边加锌棒,用导线连接它们。
如图5-8
废旧电池图5锌棒图6
电极材料图7碳棒图8
2.4.52分钟后撤出锌棒、碳棒,观察U型管两端蓝色溶液所在的位置变化情况。
如图3,4(左端加锌棒,右端加碳棒,用导线连接它们,电极材料和导线均已省略,阴影部分为蓝色溶液)
2.4.6作好实验记录
2.4.7拆除并清洗实验仪器
2.5实验装置(如图2)
2.6实验记录及其处理
2.6.1实验记录
碳棒一端无色溶液变成蓝色。
锌棒上有大量气泡产生,碳棒上有小的气泡附着。
2.6.2现象解释
锌棒不纯,导致锌棒上有大量气泡产生。
锌棒、碳棒、稀硫酸构成了原电池,碳棒作正极,氢离子容易在正极上得到电子产生氢气。
由于电流很微弱,因此碳棒上只有小的气泡附着。
铜离子在溶液中呈现蓝色,说明铜离子向碳棒一端移动。
2.6.3实验结论
在原电池内电路中阳离子向正极移动
3.实验设计的优点
一、本实验为原电池原理的探究教学提供了新思路,同时实验本身也验证了电解质溶液中离子移动方向的问题
二、该实验装置所用的仪器均为常规仪器,制作简单,操作方便,实验现象明显。
三、废旧电池的回收再利用,有利于环境保护。
四、本实验采用的小U型管,利用了微型实验的思想,有利于节约药品。
五、整套装置对于离子移动方向的探究,有利于学生创新思维能力的培养
图4-2实验后
图3-2实验中
实验三:
实验原理:
在原电池内电路中阳离子向正极移动,阴离子向负极移动
实验器材与试剂:
胶头滴管1支、镊子一把、合成纸1张、稀盐酸、锌棒、碳棒
实验步骤:
1.将纸对折,在纸中间产生一条折痕,再将纸摊平。
2.用胶头滴管向纸的折痕中滴一管稀盐酸,稀盐酸形成长条状。
3.在稀盐酸形成长条状的两端分别放锌棒和碳棒,并用导线连接
4.在稀盐酸形成的长条状溶液中间,用镊子夹若干粒高锰酸钾颗粒。
5.观察高锰酸钾颗粒的溶解和紫红色扩张的方向情况。
实验记录:
高锰酸钾颗粒很快溶解,紫红色范围在不断扩张,并向锌棒方向移动。
实验结论:
在原电池内电路中阴离子向负极移动
图1实验准备就绪
图2滴加稀硫酸
图3加高锰酸钾固体粉末(溶液上的黑点即是)
图4约5S后
图4约10S后
图5约20S后
图6约30S后
七、总结与反思
通过以上实验,在电解液中高锰酸根离子向锌棒一端移动,铜离子向碳棒一端移动,说明在原电池电解液中阴离子向负极附近移动,阳离子向正极附近移动。
在这次研究性学习中,学生主要采用了探究学习的思想,灵活运用了课本上的知识,所用到的知识来源于课本又不拘泥于课本。
既丰富了学生课余生活,又激发了学生思考创作的热情,还很好地提高了学生学习的积极性。
为构建学生未来的自学能力以及科研思维播下了希望的种子。
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- 关 键 词:
- 原电池 电解液 阴阳 离子 移动 方向 探究 实验