銅電極電解飽和食鹽水

1、課題：銅電極電解飽和食鹽水、燃料電池的制作 姓名： 王思氬 學號： 日期： 2013年12月12日 學生實驗報告冊 銅電極電解飽和食鹽水、燃料電池1. 銅電極電解飽和食鹽水用銅作為電極，跟電池正極相連接的陽極(Cu)要溶解,跟電池負極相連接的陰極(cu)附近有氣泡并有大量橙黃色CuOH沉淀生成。電極反應(yīng)過程如下:陽極：2Cu2e-+2Cl-=2CuCl(氧化反應(yīng))陰極：2H2O+2e-=2OH-+H2(還原反應(yīng)) CuCl+OH-=CuOH+Cl-2. 燃料電池（1）燃料電池是一種化學電池，它利用物質(zhì)發(fā)生化學反應(yīng)時釋出的能量，直接將其變換為電能。具體地說，燃料電池是利用水的電解的逆反應(yīng)的&qu

2、ot;發(fā)電機"。它由正極、負極和夾在正負極中間的電解質(zhì)板所組成。工作時向負極供給燃料（氫），向正極供給氧化劑（空氣，起作用的成分為氧氣）。氫在負極分解成正離子H+和電子e-。當氫離子進入電解液中，而電子就沿外部電路移向正極。用電的負載就接在外部電路中。在正極上，空氣中的氧同電解液中的氫離子吸收抵達正極上的電子形成水。這正是水的電解反應(yīng)的逆過程。（2）燃料電池的電極材料一般為惰性電極，具有很強的催化活性，如鉑電極、活性碳電極等。利用這個原理，燃料電池便可在工作時源源不斷地向外部輸電，所以也可稱它為一種"發(fā)電機"。（3）氫氧燃料電池有酸式和堿式兩種：在酸溶液中：負極反

3、應(yīng)式為：2H2-4e-=4H+ 正極為：O2 + 4H+ +4e= 2H2O;在堿、鹽溶液中：負極：2H2 + 4OH-4e= 4H20 正極為：O2 + 2H2O + 4e= 4OH一、 實驗原理二、 知識回顧聯(lián)想在不用銅電極時，用石墨電極電解食鹽水時：在食鹽水里氯化鈉完全電離，水分子是微弱電離的，因而存在著Na+、H+、Cl-、OH-四種離子。NaCl=Na+Cl-H2O =H+OH-當接通直流電源后，帶負電的OH-和Cl-移向陽極，帶正電的Na+和H+移向陰極。在這樣的電解條件下，在陽極，Cl-比OH-容易失去電子被氧化成氯原子，氯原子兩兩結(jié)合成氯分子放出氯氣。2Cl-2e=Cl2(氧化

4、反應(yīng))在陰極，H+比Na+容易得到電子，因而H+不斷從陰極獲得電子被還原為氫原子，氫原子兩兩結(jié)合成氫分子從陰極放出氫氣。2H+2e=H2 (還原反應(yīng))由于H+在陰極上不斷得到電子而生成氫氣放出，破壞了附近的水的電離平衡，水分子繼續(xù)電離成H+和OH-，H+又不斷得到電子，結(jié)果溶液里OH-的數(shù)目相對地增多了。因而陰極附近形成了氫氧化鈉的溶液。電解飽和食鹽水的總的化學方程式可以表示如下：2NaCl+2H2O=通電=2NaOH+H2+Cl2三、 實驗步驟（一）銅電極電解飽和食鹽水實驗步驟實驗現(xiàn)象1.配置飽和食鹽水 查閱資料得知，在20攝氏度下，氯化鈉的溶解度為35.8g/100g。加入約38克氯化鈉1

5、00毫升蒸餾水，溶液為澄清透明無色。溶液底部看到不溶的白色晶體顆粒。2制作電極在U形管中加入飽和食鹽水，用兩根銅導線做電極 銅電極為磚紅色有金屬光澤3. 進行反應(yīng)分別將兩根導線的一段伸入飽和食鹽水中，另一端與直流電源兩極通電后： 正極負極立即產(chǎn)生白色沉淀 無明顯現(xiàn)象白色加深 一段時間后，在U形管中部看到溶液變?yōu)闇\綠色 繼續(xù)電解一段時間后，在U形管中部出現(xiàn)一條橙黃色的沉淀線條。 一段時間后，靠近負極的U形管部位出現(xiàn)顏色稍淺的桔黃色沉淀。 再后來，整個負極的部位都出現(xiàn)黃色沉淀。4. 產(chǎn)物的檢驗 電解一段世界后，當橙黃色沉淀在陰極附近聚集較多時，把沉淀取出，分裝在3支小試管里，分別做以下實驗：（1）

6、 滴入稀硫酸，觀察實驗現(xiàn)象（2） 滴入氨水，使沉淀溶解，放置一段時間，觀察溶液發(fā)生的變化。用膠頭滴管吸取沉淀集中部位的溶液，等量加入到三支試管當中：A試管滴加稀硫酸，振蕩，橙黃色沉淀消失，變?yōu)闊o色液體B試管滴加氨水，沉淀先變?yōu)槟G色，再變?yōu)樗{綠色，最后沉淀溶解變?yōu)樗{色溶液。C作為空白對照，為橙黃色渾濁液。 （二）燃料電池的制作實驗步驟實驗現(xiàn)象1.高溫灼燒兩根碳棒把普通碳棒置于高溫火焰上灼燒到發(fā)紅，立刻投入冷水中使其表面變得粗糙多孔，以利其在電解水時可吸附較多的氫、氧氣體碳棒在煤氣燈上進行灼燒，灼燒約7分鐘，碳棒紅熱，碳棒底部有微弱火星。立即將碳棒投入水中，碳棒急速冷卻，產(chǎn)生大量水霧一段時間后將

7、碳棒取出，碳棒的的表面變得十分粗糙，有很多凸起和空隙。2.安裝實驗裝置兩碳棒分別接通電源的正、負極，通電一段時間后，兩碳棒都會明顯產(chǎn)生氣泡開始接通電源，碳棒并無明顯現(xiàn)象。通電十五秒后，在碳棒兩極產(chǎn)生少量氣泡繼續(xù)通電，碳棒兩極上的氣泡量增多。3. 燃料電池反應(yīng)取下電源，接通發(fā)光二極管（長腳正），二極管即被點亮，記錄亮燈時間。接通電源后，二極管立即發(fā)出綠色的光，進行計時，隨著時間的進行計時，隨著時間的延長，二極管的光線變?nèi)?。二極管不亮時，計時結(jié)束，總共亮的時間為2分37秒。四、 實驗思考：思考提問1. 思考比較用銅電極電解水比用石墨做電極電解水有什么優(yōu)點？答：用石墨做電極電解飽和食鹽水,跟用Cu做

8、電極(陽極)電解飽和食鹽水有著本質(zhì)的區(qū)別。（1）從原理上可以看出，石墨做電極在電解條件下，在陽極，Cl-比OH-容易失去電子被氧化成氯原子，氯原子兩兩結(jié)合成氯分子放出氯氣。2Cl-2e=Cl2(氧化反應(yīng))在陰極，H+比Na+容易得到電子，因而H+不斷從陰極獲得電子被還原為氫原子，氫原子兩兩結(jié)合成氫分子從陰極放出氫氣。2H+2e=H2 (還原反應(yīng)) （2）從化學與環(huán)境的角度上說，在演示實驗中，常規(guī)實驗藥品，用石墨做電極會產(chǎn)生的2 ，尾氣處理的操作煩瑣;2污染大，操作不便利。氯氣有劇毒,對人體有強烈刺激性,若檢驗時有部分氯氣泄漏在空氣中,將危害人體健康,污染環(huán)境,這與綠色化學的理念不符合。2. 思

9、考為什么在銅電極電解飽和食鹽水的實驗中，沉淀會懸浮在U形管中而不沉入底部？答：在實驗中采用的是飽和食鹽水，溶液中的密度大，開始生成的沉淀量并不多。由于飽和食鹽水的密度較大，所以,生成的橙黃色沉淀聚集在液面上。3 在銅電極電解飽和食鹽水的實驗中，可以用氯化鈉稀溶液代替氯化鈉飽和溶液嗎？答：（1）通過查閱資料得知,分別對不同濃度的氯化鈉溶液進行電解來對比探究：氯化鈉溶液濃度較大,反應(yīng)速度(產(chǎn)生氣泡)快,生成橙黃色沉淀;試管中的氯化鈉濃度較小,反應(yīng)速度較慢,生成黃綠色沉淀;當氯化鈉溶液中的濃度更小時，反應(yīng)速度更慢,生成藍色沉淀Cu (OH)2 （2）從反應(yīng)實質(zhì)上說，當用Cu做電極電解氯化鈉稀溶液的過

10、程,電極反應(yīng)過程如下:陽極：Cu一2e=Cu2+(氧化反應(yīng))陰極：O2 + 2H2O + 4e= 4OHCu2+ +OH- = Cu(OH)2 (藍色沉淀)所以電解稀的氯化鈉溶液時NaCI在電解過程中沒有起實質(zhì)性變化。（3）當氯化鈉的濃度大時，發(fā)生如下反應(yīng)：陽極：Cu一2e + 2CL- = 2CuCL (氧化反應(yīng))陰極：H2O + 2e= 2OH + H2 (還原反應(yīng))所以，兩個反應(yīng)的本質(zhì)是不同的，不能采用氯化鈉的稀溶液代替飽和的氯化鈉溶液。4、解釋銅電極電解飽和食鹽水中產(chǎn)物的檢驗過程產(chǎn)生現(xiàn)象的原因。答：（1）用稀鹽酸酸化：CuCl經(jīng)稀HCl酸化，沉淀溶解。 （2）用氨水檢驗：氯化亞銅溶于氨

11、水，生成不穩(wěn)定的無色配合物Cu(NH3)2+ , Cu(NH3)2+在空氣中很快氧化成絳藍色的Cu(NH3)42+ 5、在兩個實驗中，如何能夠更好地看出陰極的變化？答： （1）在銅電極電解飽和食鹽水的反應(yīng)中，陰極的反應(yīng)為：H2O + 2e= 2OH + H2 (還原反應(yīng)) ，為了能夠更好得驗證氫氧根，可以在陰極滴入一滴酚酞試液。當看到溶液的顏色變化，即可判斷氫氧根的生成情況。即：飽和食鹽水中先滴入酚酞試液，能清晰準確地觀察陰極附近溶液變紅，直觀地判斷出陰極有堿生成（2）同理，在燃料電池的制作實驗中，如果在電解液(Na2SO4溶液)中預先滴加指示劑,電解時電極附近溶液的顏色有明顯變化,可表明發(fā)生

12、的是水的電解反應(yīng);電池放電后顏色雖大(因化學能并不能完全轉(zhuǎn)化為電能),但溶液經(jīng)過攪拌后,顏色又恢復到電解前的狀態(tài),表明其中是氫氣、氧氣發(fā)生了電極反應(yīng)。因此,加入適當?shù)闹甘緞┯欣陲@示實驗過程中發(fā)生的相關(guān)電極反應(yīng)。6、在燃料電池的制作，為什么要先將石墨電極進行灼燒？答：（1）因為電解水裝置在切斷電源后,其對外供電能力與電極的表面狀況有關(guān)。如碳棒、保險絲等表面較粗糙易吸附氣體的電極,其裝置在切斷電源后,對外供電能力較大,持續(xù)的時間也較長。而對于鉑()、鐵釘?shù)缺砻孑^光滑的電極的裝置,其輸出電壓較小。 所以要對電極進行灼燒再驟冷，使其表面變得更加粗糙，增加其供電能力。 （2）從原理上講，電極的內(nèi)表面積

13、越大,制成的電池電能越大。說明吸附在電極上的氣體量越多,越有利于形成高能量電池。7、為什么在燃料電池制作的實驗中要用硫酸鈉溶液代替水？采用不同的溶液對電池的對外供電能力有影響嗎？答：（1）為增強實驗效果,常在水中加入一定濃度的硫酸(24)或氫氧化鈉()。當電解水裝置中收集到一定體積的氫氣(2)和氧氣(2)時,該裝置實際上已形成能對外供電的氫氧燃料電池。（2）無論采用何種材料做電極,電解水在進行一段時間后,切斷電源,其裝置對外供電能力輸出電壓大小,下同)與進行電解時外加電壓的大小無關(guān)。（3）通過查閱資料，用2%或2%24作電解液,在電解一段時間后,切斷電源,其裝置對外供電的能力無明顯差別。8、在

14、銅電極電解飽和食鹽水的實驗中，影響電解速率的因素有哪些？答：實驗裝置中影響電解飽和食鹽水速率的條件有電壓高低和電極間距等：（1）在電解電壓保持不變的情況下，電解時間會隨著兩電極間的距離變化而變化，表現(xiàn)為當增大兩電極間的距離時，需要的電解時間增大，電解速率變慢。（2）在其他條件不變的情況下，改變電解電壓時，會發(fā)現(xiàn)電壓與電解時間呈線性關(guān)系，并且隨著電壓的上升，電解所需要的時間減少，電解速率變快。這就為通過以改變電源電壓的方式來提高電解效率提供了一定的理論依據(jù)，然而，由于實驗中提供的直流電源具有一定額定電壓，不可能無限制的改變電解電壓，所以通過以改變電極間距離的方式來提高電解效率仍然具有一定應(yīng)用價值

15、。9、在燃料電池的制作實驗中，能否采用飽和溶液代替一般的電解質(zhì)？答：不能。（1）因為若用飽和硫酸鈉溶液作電解液，通電時間較長會因水減少而凝固（2）若用飽和食鹽水或稀鹽酸作電解液形成氫氯燃料電池，二極管在短期內(nèi)也能發(fā)光，但會因為氯氣的產(chǎn)生而造成污染。并且通電時間較短。10.為什么在銅電極電解飽和食鹽水中沉淀的顏色會深淺不一，出現(xiàn)橙紅和黃色？為什么陽極的白色會逐漸變?yōu)闇\藍色？答：（1）用銅電極電解飽和食鹽水時,兩極發(fā)生的電極反應(yīng)分別為:陽極:2Cu2e-+2Cl-=2CuCl(氧化反應(yīng))陰極:2H2O+2e-=2OH-+H2(還原反應(yīng))CuCl為白色沉淀,當在U形管底部與陰極電解生成的OH-離子相

16、遇時,生成更難溶的橙黃色沉淀CuOH(CuCl、CuOH的溶度積分別為1.2×10-6和1.2×10-14),反應(yīng)方程式如下:CuCl+OH-=CuOH+Cl-隨后,CuOH部分分解成紅色的Cu2O,得到CuOH、Cu2O的混合物。2CuOH(橙黃)=Cu2O(紅色)+H2O（2）陽極一側(cè)白色渾濁逐漸變?yōu)闇\藍色是由于CuCl被氧化的結(jié)果。4CuCl+O2+4H2O 3CuO·CuCl2·3H2O+2HCl五、 教學小拓展：1、血糖燃料電池美國麻省理工學院的工程師最新研制一種微型電池原型，從人體自然血糖分子中產(chǎn)生電能。這種電池將用于驅(qū)動治療癲癇、癱瘓以及帕金森氏癥患者的大腦植入器。據(jù)悉，當前植入人體的裝置通常是由鋰電池提供動力，但是這種電池使用時間非常有限，必須進行更換。再次進入人體組織更換電池并不是醫(yī)生所喜歡做的事情，如果更換大腦植入器的電池就變得更加棘手了。美國麻省理工學院電子工程和計算機科學副教授拉胡爾-薩爾皮什爾(Rahul Sarpeshkar)帶領(lǐng)一支研究小組負責這項研究，他們使用鉑催化劑放置在末端，一層碳納米管在另一端來建造這個電池，它們放置在一個硅片上，從而將電流連接至大腦植入器上。當大腦組織中的血糖分子流經(jīng)鉑催化劑，伴隨其氧化過程，電子和氫離子將分離開來。在電池另一端，當氧分子與單壁碳納米管接觸時，與氫離子混合形成水，該