微量化學實驗:電解的微量實驗 / 陸冠輝

星期二 , 5, 七月 2016 Leave a comment

微量化學實驗:電解的微量實驗

陸冠輝

國立臺中高級工業職業學校
luhgh@tcivs.tc.edu.tw

n  前言

化學的英文是Chemistry,如果將它拆解成Chem is try,那麼我們可以了解到化學就是一門實驗的科學,而訓練學生在科學的教學活動中獲得實作的技能是必要的。實作的過程是可以輔助學生在學習化學時更為生動化、活潑化,並且有助於知識的靈活應用。實驗課程的目的在於學生能從動手操作實驗中印證科學的原理並探索科學的問題,但是,由於化學實驗常常需要耗費大量的時間,並且老師在事前準備實驗所需的器材與藥品也經常耗費大量的體力,因此製作簡單、隨手容易取得材料且價格便宜的實驗方案,在教學上是有其必要的實質意義。

作者企圖開發電解的微量化學實驗,利用生活中容易取得的材料,且價格便宜的日常用品,做出既簡易又省時、省錢並且容易操作的電解裝置,主要在定性觀察實驗,提供給國中自然科、高中化學科及高工化工科教師的教學參考之用,讓學生有動手做實驗的機會。

n  原理和概念

電解是一種非自發性的氧化還原反應,是藉由外加電壓所產生的直流電,迫使物質發生分解反應的現象,也就是說,電解是將電能轉換成化學能的過程。電解所發生的半反應可能有很多種,以半反應電位來決定何者最可能發生。在陽極反應中,各種物質相互競爭放出電子,應考慮電極的種類、水分子及陰離子的放出電子能力,以氧化電位較高者發生失去電子(即發生氧化反應);在陰極反應中,各種物質相互競爭爭奪電子,應考慮水分子及陽離子的獲得電子能力,以還原電位較高者發生獲得電子(即還原氧化反應)。

若以隋性電極石墨棒來電解硫酸銅水溶液(CuSO4(aq)),則溶液中含有水分子(H2O)、銅離子(Cu2)、硫酸根離子(SO42─)。

在陽極(正極)半反應中,有石墨、水分子及硫酸根離子相互競爭放出電子,石墨為隋性電極不參與反應,而水分子和硫酸根離子的氧化電位分別如式[1][2]所示:

陽極(正極):H2O(l) → 1/2O2(g) + 2e + 2H(aq)    Eox0 = 1.229 V    [1]

陽極(正極):2SO42─(aq) → 2e + S2O82─(aq)    Eox0 = 2.010 V    [2]

因此,陽極就由溶液中的水分子釋放電子,進行氧化反應而產生氧氣。

在陰極(負極)半反應中,有水分子和銅離子相互競爭獲取電子,水分子和銅離子的還原電位分別如式[3][4]所示:

陰極(負極):2H2O(l) + 2e → H2(g) + 2OH(aq)    Ered0 = 0.827 V    [3]

陰極(負極):Cu2(aq) + 2e → Cu(s)     Ered0 = 0.342 V    [4]

因此,陰極就由溶液中的銅離子獲取電子,進行還原反應產生紅色的金屬銅,而附著於陰極的石墨棒上。

然而,如果以活性電極銅棒來電解硫酸銅水溶液(CuSO4(aq)),那麼在陽極(正極)半反應中,需要再考慮電極銅棒的氧化電位如[5]所示:

陽極(正極):Cu(s) → Cu2(aq) + 2e    Ered= 0.342 V    [5]

比較式[1][2][5]的氧化電位,陽極就會由電極金屬銅發生氧化反應,以致電極銅金屬會被浸蝕而重量減輕。

總之,若以隋性電極碳棒電解硫酸銅水溶液,則其全反應為式[1]加上式[4],得到全反應如[6]所示:

全反應:2H2O(l) + 2Cu2(aq) → O2(g) + 2Cu(s) + 4H+(aq)    [6]

若以活性電極銅棒電解硫酸銅水溶液,則其全反應為式[5]加式[4],得到全反應如[7]所示:

全反應:Cu(陽極電極) → Cu(陰極電極)    [7]

n  過去實驗設計與本次微量設計構想

一、   過去的實驗設計

一般傳統的電解實驗通常使用燒杯作為容器、石墨棒、金屬銅或鉑棒作為電極,所使用的電解液體積為50~100毫升。在國民中學的自然科、高中化學科及高職化工科的課程中,電解是氧化還原單元一定會涉及的課程內容。在國中自然與生活科技課程中,電解的實驗內容以電解硫酸銅溶液和電解水為主,電解水時,通常在水中添加少量的氫氧化鈉以增加導電性,其電解裝置如圖一所示。在高中化學課程中,電解的實驗內容以電解碘化鉀水溶液為主,其電解裝置如圖二所示。

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圖一:一般的電解水裝置(左);電解硫酸銅溶液裝置(中);電解碘化鉀溶液裝置(右)

(圖片來源:http://goo.gl/m3wjaa(左)https://goo.gl/LHZJrP(右))

二、   本次微量實驗設計構想

作者企圖設計合乎使用藥品減量、器材大小縮小、經費花費更少、實驗操作簡易以及操作時間花費更少的微量電解實驗裝置。本微量實驗採用透明吸管替代U形管或燒杯、迴紋針或鉛筆筆芯作為電極,來進行碘化鉀(KI)水溶液、硫酸銅(CuSO4)水溶液及水的電解實驗,所需要使用的電解液用量在1~2 mL之內即可完成電解實驗的觀察與檢驗。

n  微量電解裝置的製作和操作

一、   器材和工具

透明吸管(長度約20公分) 1支、剪刀 1支、迴紋針 2個、鱷魚夾導線 2條(紅、黑色各1條,方便區分陰陽極)、膠帶 1個、鉛筆筆芯 2支、電池(9伏特) 1個、衛生紙(亦可用面紙或綿花替代) 1張。

二、   製作微量電解裝置

1.        取一支透明吸管,用剪刀剪出約8公分長度的吸管,如圖二所示。

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圖二:剪一小段透明的吸管

2.        在剪下的透明吸管中間外圍,用膠帶纏繞2圈,如圖三左所示;並將一小片衛生紙輕揉成團狀,放入透明吸管的中間位置,如圖三右所示。

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圖三:用膠帶纏繞2圈(左);放入一小團衛生紙(右)

3.        將透明吸管從中間對折,使其形成V字形狀,並用一小片膠帶將左右兩管黏著使其固定,即可完成電解槽裝置,如圖四所示。(注意:折點位置兩邊是否均有衛生紙)

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圖四:對折透明吸管,用膠帶固定左右兩管

4.        2支迴紋針,將它們的一端彎成直角,並且放入透明吸管的兩端,即可完成電極的安裝,如圖五所示。

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圖五:安裝迴紋針電極

5.        將兩條鱷魚夾導線的一端接在迴紋針上,紅色導線的另一端接在9伏特電池的正極上,黑色導線的另一端接在9伏特電池的負極上,如圖六所示,即可完成簡易電解實驗裝置的製作。

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圖六:接上鱷魚夾導線及電池

n  電解實驗步驟

一、  水的電解

(一)      藥品與器材

自製簡易電解實驗裝置 1滴管 2礦泉水 1 mL廣用指示劑 少許。

(二)      水的電解觀察

1.        使用滴管吸取礦泉水,滴入簡易電解實驗裝置的透明吸管中,使其兩邊大約八分滿。

2.        接通9 V的電源,使其開始進行電解,時間持續5分鐘。

3.        觀察兩邊透明吸管中電極表面及電解液的變化。(若電極表面沒有明顯的變化或不易觀察時,則可添加1~2顆食鹽幫助導電。)

(三)      水的電解結果檢驗

1.        分別吸取陰陽兩極透明吸管內的電解液,滴1滴在白色的衛生紙上。

2.        在衛生紙上再各滴1滴的廣用指示劑,測定兩極電解液的酸鹼性。

二、  電解碘化鉀水溶液

(一)   藥品與器材

1.        自製簡易電解實驗裝置 1滴管 20.5 M碘化鉀 20 mL澱粉液少許。

2.        配製0.5 M碘化鉀:1.66克碘化鉀固體,加水至總體積20毫升。此量足以10組使用】

3.        配製澱粉液:2克澱粉固體,加水20毫升,加熱至溶液澄清後,靜置冷却。

(二)   電解碘化鉀的觀察

1.        使用滴管吸取碘化鉀水溶液,滴入簡易電解實驗裝置的透明吸管中,使其兩邊大約八分滿。

2.        接通電源,使其開始進行電解,時間持續10分鐘。

3.        觀察兩邊透明吸管中電極表面及電解液的變化。

(三)   電解碘化鉀的產物檢驗

1.        吸取陽極(紅色導線端)透明吸管內的電解液,滴1滴在白色的衛生紙上,再滴上1滴澱粉液,觀察其顏色。

2.        吸取陰極(黑色導線端)透明吸管內的電解液,滴1滴在白色的衛生紙上,再滴上1滴酚酞指示劑,觀察其顏色。

三、  電解硫酸銅水溶液

()  藥品與器材

1.        自製簡易電解實驗裝置 1滴管 2礦泉水 1 mL銅棒 2石墨棒 2支。

2.        銅棒取自銅導線,以美工刀去除塑膠外皮,如圖七所示。石墨棒取自鉛筆的硬度大的筆芯。

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圖七:剝去銅導線的塑膠外皮,取得銅棒

3.        配製0.5 M硫酸銅:取得2.5克的碘化鉀固體,加水至總體積20 mL此量足以10組使用】

()  電解硫酸銅的觀察

1.    將簡易電解實驗裝置中的迴紋針換成銅線。

2.    使用滴管吸取硫酸銅水溶液,滴入簡易電解實驗裝置的透明吸管中,使其兩邊大約八分滿。

3.    接通電源,使其開始進行電解,時間持續10分鐘。

4.    觀察兩邊透明吸管中電極表面及電解液的變化。

5.    將簡易電解實驗裝置中的迴紋針換成石墨棒,重複上敘步驟1~4

()  電解硫酸銅的產物檢驗

1.        當用銅線電極電解硫酸銅水溶液時,觀察陰極和陽極兩管內硫酸銅的顏色變化,且將銅線電極取出,觀察銅線電極表面有何變化。

2.        當以石墨棒電極電解硫酸銅水溶液時,觀察陰極和陽極兩管內硫酸銅的顏色有何變化,且將銅線電極取出,觀察銅線電極表面有何變化。

n  結果與討論

一、水的電解

1.        水的電解時,陽極由溶液中的水分子進行氧化反應產生氧氣(O2),陰極也是由溶液中的水分子進行還原反應產生氧氣(H2),因此可以觀察到冒泡的情形。

2.        將電解後兩極的水溶液各吸取1滴,滴在白色衛生紙上,然後再滴上1滴的廣用指示劑,可觀察到陽極的電解液呈現橙紅色,陰極的電解液呈現藍紫色,如圖八所示。

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圖八:水的電解,陽極電解液呈酸性(左);陰極電解液呈鹼性(右)

3.        由陽極和陰極的電解液分別呈現橙紅色和藍紫色得知,陽極和陰極分別產生酸性和鹼性的產物,進而得知陽極和陰極發生的半反應如式[1][3]所示,其全反應如式[8]所示:

陽極(正極):H2O(l) → 1/2O2(g) + 2e + 2H(aq)    clip_image002 = 1.229 V    [1]

陰極(負極):2H2O(l) + 2e → H2(g) + 2OH(aq)    clip_image004 = 0.827 V    [3]

全反應:H2O(l) → H2(g) + O2(g)    clip_image029 = 2.056 V    [8]

二、碘化鉀水溶液的電解

1.        當電解碘化鉀水溶液時,陽極由溶液中的碘離子(I)進行氧化反應產生碘分子(I2),所產生的碘分子會與溶液中的碘離子形成三碘離子(I3),其顏色為棕色。陰極由溶液中的水分子(H2O)進行還原反應產生氫氣(H2),因此可以觀察到有冒泡的情形發生。如圖九所示。

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圖九:左管為陽極生成的棕色三碘離子,右管產生氫氣冒泡

2.        電解後,若吸取陽極的電解液,滴在衛生紙上,然後再滴入澱粉試液,則可呈現微微的藍黑色錯合變化;若吸取陰極的電解液,滴在衛生紙上,然後再滴入酚酞指示劑,則可呈現紅色,也就是說,陰極的電解液呈鹼性,如圖十所示。

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圖十:陽極的三碘離子與澱粉液呈現藍黑色(左);陰極的鹼液使酚酞呈現紅色

3.        由陽極和陰極的電解液分別呈現棕色(加澱粉液呈現藍黑色)和紅色得知,陽極和陰極分別產生碘分子和鹼性的產物,進而得知陽極和陰極發生的半反應如式[9][3]所示,其全反應如式[10]所示:

陽極(正極):2I(aq) →I2(s) + 2e    clip_image002 = 0.54 V    [9]

陰極(負極):2H2O(l) + 2e → H2(g) + 2OH(aq)    clip_image004 = 0.827 V    [3]

全反應:2I(aq) + 2H2O → I2(s) + H2(g) + 2OH(aq)   clip_image029 = 1.37 V    [10]

三、硫酸銅水溶液的電解

1.        當用銅棒為電極來電解硫酸銅水溶液時,陽極的銅棒發生氧化反應產生銅離子,因此電極表面露出金屬光澤;陰極的銅離子發生還原形成金屬銅而附著於陰極的銅棒上,因此電極表面呈現暗紅,如圖十一所示。其兩極發生的半反應和全反應及其氧化還原電位請詳見「原理和概念」一節。

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圖十一:電極的銅金屬被侵蝕而呈現光亮(左);陰極的銅金屬被附著而呈現暗紅(右)

2.        用石墨棒為電極來電解硫酸銅水溶液時,陽極的水分子會氧化產生氧氣(O2),因此電極表面可觀察到冒泡的情形,如圖十二左所示;陰極的銅離子會還原形成金屬銅而附著於陰極的石墨棒上,因此石墨棒表面呈現暗紅,如圖十二右所示。其兩極發生的半反應和全反應及其氧化還原電位請詳見「原理和概念」一節。

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圖十二:左管(陽極)冒泡氧氣(左);右邊石墨棒(陰極)上附著紅色金屬銅(右)

n  廢棄物處理和安全注意事項

l  在電解後的溶液體積很小,因此可以用衛生紙將它擦乾後直接丟棄。

l  以透明吸管當作電解裝置,在電解後可以直接丟棄到垃圾桶中。

l  以鉛筆的筆芯(石墨棒)可用清水清洗後妥善保存,可以重複使用。

l  銅導線可用砂紙將表面磨亮後妥善保存,可以重複使用。

n  教學提示

l  製作電解槽的透明吸管在彎折處容易有破裂的現象,因此利用膠帶將它纏繞兩圈,使其增加厚度及韌性。

l  進行微量電解時,由於透明吸管的彎折處為整個電流通路中阻力最大的地方,因此會有發熱的現象,藉此可以讓學生體驗電解時熱量的變化。

n  比較一般電解與微量電解

l  在藥品用量方面:一般電解所用的電解液體積大約100 mL,而微量電解所用的電解液體積大約2 mL。微量電解的使用藥品量約為一般電解的1/50倍而已。

l  在器材大小方面:使用微量電解的器材比一般滴定小很多,因此收拾方便,儲存空間小。

l  在經費花費方面:微量電解可以使用日常生活中回收的吸管來作為容器,可以達到環保再利的目的,而一般電解所用的燒杯或U型管,容易有破裂或割傷的危險。微量電解的成本低於一般電解甚多,且較安全。

l  在實驗操作方面:微量電解所用的迴紋針電極,通常在表面會鍍上一層鎳金屬,因此電解可能會有一些不可預期的反應發生。

n  結語

國中自然科的電解硫酸銅實驗、高中化學的電解電鍍及高職化工科的電解碘化鉀實驗,不僅使用量多,且反應後會產生含重屬銅與含碘的有毒廢液。本實驗透過微型化的實驗設計與改良,達到減量、減廢、符合綠色化學原則,達到永續地球的目標。

本微量電解裝置適用於國中自然與生活科技、高中化學的電解電鍍及高職化工科的實驗室教學。目前國中和高中教師普遍感到化學教學時間不足,而且玻璃器材易被打破又擔心學生操作實驗的危險,以致帶領學生進入化學實驗室的意願不高。本微量電解實驗不需準備大量的玻璃器皿,學生又可以自製簡易的電解裝置並親自操作實驗,提高學生體驗動手做的樂趣,提升學生的實驗操作技術並增強對實驗原理的理解。

n  參考資料

1.          Electrolysis, https://en.wikipedia.org/wiki/Electrolysis.

2.          Electrolysis of potassium iodide, https://www.flinnsci.com/media/620463/91208.pdf.

3.          C2.7 Electrolysis, https://goo.gl/zDD3zf.

4.        Standard electrode potential (data page), https://en.wikipedia.org/wiki/Standard_electrode_potential_(data_page).

n  學生實驗手冊

下載本微量實驗的學生實驗手冊—「電解的微量實驗

 

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