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铜电极_百度文库
发布时间:2020-10-20 08:46    文章作者:立博官网

  铜电极_理学_高等教育_教育专区。科目:化学教学教学论实验 实验名称:氢氧燃料电池的制备 姓名:王雅妮 学号: 日期:2013.12.10 前言:燃料电池是一种化学电池,它利用物质发生化学反应时释出的能量, 直

  科目:化学教学教学论实验 实验名称:氢氧燃料电池的制备 姓名:王雅妮 学号: 日期:2013.12.10 前言:燃料电池是一种化学电池,它利用物质发生化学反应时释出的能量, 直接将其变换为电能。从这一点看,它和其他化学电池如锌锰干电池、铅蓄电池 等是类似的。但是,它工作时需要连续地向其供给反应物质——燃料和氧化剂, 这又和其他普通化学电池不大一样。 由于它是把燃料通过化学反应释出的能量变 为电能输出,所以被称为燃料电池。 具体地说,燃料电池是利用水的电解的逆反应的发电机。它由正极、负极 和夹在正负极中间的电解质板所组成。工作时向负极供给燃料(氢),向正极供 给氧化剂(空气,起作用的成分为氧气)。氢在负极分解成正离子 H+和电子 e-。 当氢离子进入电解液中, 而电子就沿外部电路移向正极。用电的负载就接在外部 电路中。 在正极上, 空气中的氧同电解液中的氢离子吸收抵达正极上的电子形成 水。这正是水的电解反应的逆过程。此过程水可以得到重复利用,发电原理与可 夜间使用的太阳能电池有异曲同工之妙。 燃料电池是化学电池中重要的一章,作为教师,能够正确做好简易的氢氧电池 的制备,可以让学生更直观的理解氢氧电池 实验原理 水电解时,电解液如选 1mol/L 硫酸钠等作为电解液(硫酸钾、硝酸钠、 硝酸钾等均可),电解时两极发生如下反应: 阳极: 阴极: 2H2O → O2↑+4H++4e 4H2O+4e → 2H2↑+4OH- 在两极吸附满气体后,拆去外电源,使燃料电池放电,两极发生如下 反应: 正极: 负极: O2+4H++4e → 2H2O 2H2+4OH- → 4H2O+4e 其电压的理论计算值为 2.06 伏,实测电压约为 1.95 伏。该电压可使电 压为 1.7 伏的发光二极管发光。 实验装置 实验步骤 (1)两根炭棒(把普通炭棒置于高温火焰上灼烧到发红,立即投入冷水中使其 表面变得粗糙多孔,以利其在电解水时可吸附较多的氢、氧气体) (2)装好实验装置(如图) ,两碳棒分别接通电源的正、负极,约 15 秒-30 秒 后,两碳棒都会明显产生气泡。 (3)取下电源,将导线接通发光二极管,二极管即被点亮,灯亮时间可维持 约 2 分钟。 实验探究 1 为什么选择碳棒作为电极材料 碳棒是惰性电极, 在水的电解还有氢氧燃料电池的过程中都需要用惰性电极。在 碳棒的处理过程中。我们将碳棒在火上高温灼烧,然后迅速将碳棒深入水中,发 生如下反应 C+HO2=CO+H2..使碳棒表面形成疏松多孔的结构,使碳棒可以用以 吸附气体, 并作为氢氧燃料电池的储气材料。 使得电解水产生的气体可以被吸附, 并且形成了氢氧燃料电池 2 为什么选择电解硫酸钠溶液 用惰性电极电解硫酸钠溶液时,电极表面发生的电极反应为阳极: 2H2O → O2↑+4H++4e 阴极: 4H2O+4e → 2H2↑+4OH- 实质和电解水是一样的。 同时由于硫酸钠溶液中含有大量的可移动的电子,增加 了溶液的导电性。 实验的改进 实验中气体的负载及电解池和电池的转化装置还需要进一步的改进。 气体负载装 置可以在电极两处安装手机气体的装置, 如小的分液漏斗, 就可对气体进行收集, 也可更好观察电解水产生的气体。在转化装置时,我们可以采用单刀双掷开关对 实验装置进行转化。 实验的注意事项 发光二极管灯脚有正、负极之分,长脚为正极,短脚为负极。如不能识别,可直 接用燃料电池接试,如不发光,说明接反了,交换一下电极即可。 科目:化学教学教学论实验 实验名称:铜电极电解饱和氯化钠实验 姓名:王雅妮 学号: 实验目的: 1 研究铜做电极电解食盐水的条件; 2 学会电解实验的操作; 3 学会燃料电池的制作技术。 实验药品: 氯化钠(食盐) 、蒸馏水、1mol/L 硫酸钠溶液、稀盐酸、稀硫酸、稀氨水 实验器具: 学生(直流稳压)电源 1 个发光二极管 (1.7 伏,0.6 毫安) 1 个 100 毫升烧杯 铜导线 根 双芯导线 电流计 洗瓶 电压表 药匙 1个 实验过程和现象 一、铜电极电解食盐水 实验步骤 (1)实验装置 100ml 烧杯里盛放约一半体积的饱和食盐水,用两根铜导线做电极。分别将两根 导线的一端伸入饱和食盐水中,另一端与直流电源两极相连。 往 U 形管中注入饱和食盐水,将两边的铜丝分别与学生电源的正、负极相 连,可依次观察到如下现象。 (1)开始时,阳极附近出现白色浑浊,阴极有无色气体放出。 (2)一段时间后,阳极白色浑浊逐渐增多、下沉,在 U 形管底部与阴极的溶 液接触,接触部分逐渐变为橙黄色沉淀,其余部分仍为白色浑浊,可持续很长时 间。 (3)约 15 分钟时,阴极一侧逐渐变浅蓝色。 (4)将阴极的铜丝往下插至接近底部, 或用滴管取阳极的白色浑浊滴入阴极一 侧,可以看到有大量的橙黄沉淀生成,并混杂有砖红沉淀生成,沉积在 U 管底 部。 2.2 结论和解释 用铜电极电解饱和食盐水时,两极发生的电极反应分别为。 阳极:2Cu –2e- + 2Cl- = 2CuCl (氧化反应) 阴极:2H2O + 2e- = 2OH- +H2↑ (还原反应) CuCl 为白色沉淀,当在 U 形管底部与阴极电解生成的 OH-离子相遇时,生 成更难溶的橙黄色沉淀 CuOH(CuCl、CuOH 的溶度积分别为 1.2×10-6 和 1.2× 10-14),反应方程式如下。 CuCl+ OH- = CuOH + Cl随后,CuOH 部分分解成红色的 Cu2O,得到 CuOH、Cu2O 的混合物。 2CuOH(橙黄)=Cu2O(红色)+H2O 阳极一侧白色浑浊逐渐变为浅蓝色是由于 CuCl 被氧化的结果。 4CuCl+O2+4H2O == 3CuO〃Cu Cl2〃3 H2O + 2HCl [2] 3 沉淀物与酸反应的探究 3.1 沉淀物溶于酸的实验 用长滴管吸取 U 形管底部的沉淀,置于两支试管中,分别用稀盐酸和稀硫 酸进行溶解,实验现象如下表。 实验 1 实验操作 逐滴加入 0.2mol/L 的盐 酸至过量 实验现象 橙黄色沉淀消失,变为 白色浑浊,后变为无色溶 液。 2 逐滴加入 0.2mol/L 的硫 酸至过量 橙黄色沉淀消失,变为 白色浑浊。 结论 CuOH、 Cu2O 没有发 生歧化反应。 可以看到, 实验中没有出现刘怀乐老师所叙述的蓝色溶液和红色沉淀,说明 并没有发生歧化反应 Cu2O+2H+ == Cu2+ + Cu +H2O 。 3.2 沉淀物溶于酸反应的假设 通过查阅资料[3],我们对实验 1 和实验 2 提出了如下假设。由于吸取的沉淀 中含有一定浓度的 Cl-离子,滴加盐酸时,溶液中 Cl-离子浓度更大, OH-离子浓 度减小,平衡 CuCl+ OH- ==CuOH + Cl-向左移动,重新生成了 CuCl。 继续滴加盐酸时,Cl-离子浓度增大,CuCl 和 Cl-离子反应生成配合物[CuCl2] - ,白色浑浊变为无色溶液。 3.3 验证假设 为了验证上面的假设是否正确,我们设计了 4 个实验,下表是实验现象和结 论。 实 验 3 往实验 1 和实验 2 反应 后的溶液中滴加 NaOH 溶 液。 4 用蒸馏水洗涤电解所得 的黄色沉淀 2-3 次。逐滴加 橙黄色沉淀溶解,得到蓝 一价铜发生了歧化反 橙黄褐色沉淀生成 溶液中的铜元素为+1 价。 实验操作 实验现象 结论 色溶液,试管底部有红色粉 应。 入 0.2mol/L 硫酸至过量、 静 末生成。 置。 5 用蒸馏水洗涤电解所得 的黄色沉淀 2-3 次。逐滴加 橙黄色沉淀消失,变为 白色浑浊,后变为无色溶 CuOH + Cl- == CuCl + OHCuCl + Cl-== [CuCl2]- 入 0.2mol/L 盐酸至过量、 静 液。 置。 6 往实验 4 反应后的试管 红色粉末溶解,蓝色溶 Cu2+ + Cu + 2Cl-2CuCl CuCl + Cl-== [CuCl2] - 中滴加饱和食盐水至过量, 液变为白色浑浊,后变为无 振荡。 3.4 理论分析 查阅资料可得溶液中铜元素的电极电势和 CuCl 的溶度积常数[4]。 色溶液。 φ 1257;A /V Cu2+ 0.158 Cu+ 0.522 Cu φ 1257;Cu2+/CuCl = 0.538V,φ 1257; CuCl / Cu= 0.137V Ksp(CuCl) = 1.2×10-6 根据上述数据,可求反应 2Cu+ ==Cu2+ + Cu 的平衡常数 E1257; = 0.522-0.158= 0.364V lgK= n E1257; / 0.0592 = 0.364/0.0592 = 6.15 K= 10 6.15 = 1.4×106 同理可以计算出反应 Cu2+ + Cu + 2Cl-==2CuCl 的平衡常数 E1257; =φ 1257;Cu2+/CuCl -φ 1257; CuCl / Cu = 0.538 - 0.137 = 0.4 V lgK = 0.4/0.0592 = 6.76 K= 5.76×106 通过计算,从理论上证明了当 Cu2O、 CuOH 沉淀用稀硫酸溶解时,会发生 歧化反应,生成 Cu 和 Cu2+;当加入稀盐酸时,由于生成了稳定的 CuCl,不会发 生歧化反应。继续滴加盐酸,CuCl 和 Cl-反应生成更稳定的[CuCl2]-而变澄清, CuCl + Cl-== [CuCl2]-的平衡常数为 K 稳 1257; =3.16×105[5]。 同理, 向加稀硫酸已经歧化了的试管中加入饱和食盐水, 由于发生反应 Cu2+ + Cu + 2Cl-==2CuCl, CuCl + Cl- ==CuCl2]-, 沉淀转化为白色浑浊并继而溶解。 4.几点说明 (1)用蒸馏水洗涤 CuOH 、Cu2O 沉淀时,一定要洗涤干净,否则加入稀硫酸 时仍会生成白色浑浊,这是由于溶液中 Cl-离子浓度较小时就可以生成 CuCl。 (2)往黄色沉淀中加入的稀盐酸浓度要小, 要逐滴加入, 才能观察到黄色沉淀 转化为白色浑浊,继而溶解得澄清溶液的现象。如果使用的盐酸浓度较大,则会 直接变为澄清溶液。 (3)将电解后的溶液放置 12 小时以上,整个溶液会变成蓝色溶液,这是由于 Cu+全部被氧化,再往溶液中加入 NaOH 溶液,则会生成蓝色沉淀,无黄色沉淀 现象。 (4)铜电极电解饱和食盐水的实验也可改用有盐桥的电解池装置, 可观察到阳 极的白色浑浊不会转化为橙黄色沉淀,且阳极溶液变蓝的现象更明显。 参考文献: [1]刘怀乐, 蒯世定.电解饱和食盐水的趣味实验.教学仪器与实验, 2002, : (3) 42 [2]、 [3]刘新锦, 朱亚先, 高飞.无机元素化学 北京: 科学出版社, 2005: 196-198 [4]印永嘉.大学化学手册. 济南:山东科学技术出版社,1985:878-879 [5]傅洵, 许泳吉, 解从霞. 基础化学教程. 北京: 科学出版社, 2007: 442-443


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