铜电极电解饱和食盐水.docx

课题：铜电极电解饱和食盐水、燃料电池的制作 姓名： 王思氩 学号： 10111550105 日期： 2013年12月12日 学生实验报告册 铜电极电解饱和食盐水、燃料电池1. 铜电极电解饱和食盐水用铜作为电极，跟电池正极相连接的阳极(Cu)要溶解,跟电池负极相连接的阴极(cu)附近有气泡并有大量橙黄色CuOH沉淀生成。电极反应过程如下:阳极：2Cu2e-+2Cl-=2CuCl(氧化反应)阴极：2H2O+2e-=2OH-+H2(还原反应) CuCl+OH-=CuOH+Cl-2. 燃料电池（1）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。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。（2）燃料电池的电极材料一般为惰性电极，具有很强的催化活性，如铂电极、活性碳电极等。利用这个原理，燃料电池便可在工作时源源不断地向外部输电，所以也可称它为一种发电机。（3）氢氧燃料电池有酸式和碱式两种：在酸溶液中：负极反应式为：2H2-4e-=4H+ 正极为：O2 + 4H+ +4e= 2H2O;在碱、盐溶液中：负极：2H2 + 4OH-4e= 4H20 正极为：O2 + 2H2O + 4e= 4OH一、 实验原理二、 知识回顾联想在不用铜电极时，用石墨电极电解食盐水时：在食盐水里氯化钠完全电离，水分子是微弱电离的，因而存在着Na+、H+、Cl-、OH-四种离子。NaCl=Na+Cl-H2O =H+OH-当接通直流电源后，带负电的OH-和Cl-移向阳极，带正电的Na+和H+移向阴极。在这样的电解条件下，在阳极，Cl-比OH-容易失去电子被氧化成氯原子，氯原子两两结合成氯分子放出氯气。2Cl-2e=Cl2(氧化反应)在阴极，H+比Na+容易得到电子，因而H+不断从阴极获得电子被还原为氢原子，氢原子两两结合成氢分子从阴极放出氢气。2H+2e=H2 (还原反应)由于H+在阴极上不断得到电子而生成氢气放出，破坏了附近的水的电离平衡，水分子继续电离成H+和OH-，H+又不断得到电子，结果溶液里OH-的数目相对地增多了。因而阴极附近形成了氢氧化钠的溶液。电解饱和食盐水的总的化学方程式可以表示如下：2NaCl+2H2O=通电=2NaOH+H2+Cl2三、 实验步骤（一）铜电极电解饱和食盐水实验步骤实验现象1.配置饱和食盐水 查阅资料得知，在20摄氏度下，氯化钠的溶解度为35.8g/100g。加入约38克氯化钠100毫升蒸馏水，溶液为澄清透明无色。溶液底部看到不溶的白色晶体颗粒。2制作电极在U形管中加入饱和食盐水，用两根铜导线做电极 铜电极为砖红色有金属光泽3. 进行反应分别将两根导线的一段伸入饱和食盐水中，另一端与直流电源两极通电后： 正极负极立即产生白色沉淀 无明显现象白色加深 一段时间后，在U形管中部看到溶液变为浅绿色 继续电解一段时间后，在U形管中部出现一条橙黄色的沉淀线条。 一段时间后，靠近负极的U形管部位出现颜色稍浅的桔黄色沉淀。 再后来，整个负极的部位都出现黄色沉淀。4. 产物的检验 电解一段世界后，当橙黄色沉淀在阴极附近聚集较多时，把沉淀取出，分装在3支小试管里，分别做以下实验：（1） 滴入稀硫酸，观察实验现象（2） 滴入氨水，使沉淀溶解，放置一段时间，观察溶液发生的变化。用胶头滴管吸取沉淀集中部位的溶液，等量加入到三支试管当中：A试管滴加稀硫酸，振荡，橙黄色沉淀消失，变为无色液体B试管滴加氨水，沉淀先变为墨绿色，再变为蓝绿色，最后沉淀溶解变为蓝色溶液。C作为空白对照，为橙黄色浑浊液。 （二）燃料电池的制作实验步骤实验现象1.高温灼烧两根碳棒把普通碳棒置于高温火焰上灼烧到发红，立刻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、氧气体碳棒在煤气灯上进行灼烧，灼烧约7分钟，碳棒红热，碳棒底部有微弱火星。立即将碳棒投入水中，碳棒急速冷却，产生大量水雾一段时间后将碳棒取出，碳棒的的表面变得十分粗糙，有很多凸起和空隙。2.安装实验装置两碳棒分别接通电源的正、负极，通电一段时间后，两碳棒都会明显产生气泡开始接通电源，碳棒并无明显现象。通电十五秒后，在碳棒两极产生少量气泡继续通电，碳棒两极上的气泡量增多。3. 燃料电池反应取下电源，接通发光二极管（长脚正），二极管即被点亮，记录亮灯时间。接通电源后，二极管立即发出绿色的光，进行计时，随着时间的进行计时，随着时间的延长，二极管的光线变弱。二极管不亮时，计时结束，总共亮的时间为2分37秒。四、 实验思考：思考提问1. 思考比较用铜电极电解水比用石墨做电极电解水有什么优点？答：用石墨做电极电解饱和食盐水,跟用Cu做电极(阳极)电解饱和食盐水有着本质的区别。（1）从原理上可以看出，石墨做电极在电解条件下，在阳极，Cl-比OH-容易失去电子被氧化成氯原子，氯原子两两结合成氯分子放出氯气。2Cl-2e=Cl2(氧化反应)在阴极，H+比Na+容易得到电子，因而H+不断从阴极获得电子被还原为氢原子，氢原子两两结合成氢分子从阴极放出氢气。2H+2e=H2 (还原反应) （2）从化学与环境的角度上说，在演示实验中，常规实验药品，用石墨做电极会产生的2 ，尾气处理的操作烦琐;2污染大，操作不便利。氯气有剧毒,对人体有强烈刺激性,若检验时有部分氯气泄漏在空气中,将危害人体健康,污染环境,这与绿色化学的理念不符合。2. 思考为什么在铜电极电解饱和食盐水的实验中，沉淀会悬浮在U形管中而不沉入底部？答：在实验中采用的是饱和食盐水，溶液中的密度大，开始生成的沉淀量并不多。由于饱和食盐水的密度较大，所以,生成的橙黄色沉淀聚集在液面上。3 在铜电极电解饱和食盐水的实验中，可以用氯化钠稀溶液代替氯化钠饱和溶液吗？答：（1）通过查阅资料得知,分别对不同浓度的氯化钠溶液进行电解来对比探究：氯化钠溶液浓度较大,反应速度(产生气泡)快,生成橙黄色沉淀;试管中的氯化钠浓度较小,反应速度较慢,生成黄绿色沉淀;当氯化钠溶液中的浓度更小时，反应速度更慢,生成蓝色沉淀Cu (OH)2 （2）从反应实质上说，当用Cu做电极电解氯化钠稀溶液的过程,电极反应过程如下:阳极：Cu一2e=Cu2+(氧化反应)阴极：O2 + 2H2O + 4e= 4OHCu2+ +OH- = Cu(OH)2 (蓝色沉淀)所以电解稀的氯化钠溶液时NaCI在电解过程中没有起实质性变化。（3）当氯化钠的浓度大时，发生如下反应：阳极：Cu一2e + 2CL- = 2CuCL (氧化反应)阴极：H2O + 2e= 2OH + H2 (还原反应)所以，两个反应的本质是不同的，不能采用氯化钠的稀溶液代替饱和的氯化钠溶液。4、解释铜电极电解饱和食盐水中产物的检验过程产生现象的原因。答：（1）用稀盐酸酸化：CuCl经稀HCl酸化，沉淀溶解。 （2）用氨水检验：氯化亚铜溶于氨水，生成不稳定的无色配合物Cu(NH3)2+ , Cu(NH3)2+在空气中很快氧化成绛蓝色的Cu(NH3)42+ 5、在两个实验中，如何能够更好地看出阴极的变化？答： （1）在铜电极电解饱和食盐水的反应中，阴极的反应为：H2O + 2e= 2OH + H2 (还原反应) ，为了能够更好得验证氢氧根，可以在阴极滴入一滴酚酞试液。当看到溶液的颜色变化，即可判断氢氧根的生成情况。即：饱和食盐水中先滴入酚酞试液，能清晰准确地观察阴极附近溶液变红，直观地判断出阴极有碱生成（2）同理，在燃料电池的制作实验中，如果在电解液(Na2SO4溶液)中预先滴加指示剂,电解时电极附近溶液的颜色有明显变化,可表明发生的是水的电解反应;电池放电后颜色虽大(因化学能并不能完全转化为电能),但溶液经过搅拌后,颜色又恢复到电解前的状态,表明其中是氢气、氧气发生了电极反应。因此,加入适当的指示剂有利于显示实验过程中发生的相关电极反应。6、在燃料电池的制作，为什么要先将石墨电极进行灼烧？答：（1）因为电解水装置在切断电源后,其对外供电能力与电极的表面状况有关。如碳棒、保险丝等表面较粗糙易吸附气体的电极,其装置在切断电源后,对外供电能力较大,持续的时间也较长。而对于铂()、铁钉等表面较光滑的电极的装置,其输出电压较小。 所以要对电极进行灼烧再骤冷，使其表面变得更加粗糙，增加其供电能力。 （2）从原理上讲，电极的内表面积越大,制成的电池电能越大。说明吸附在电极上的气体量越多,越有利于形成高能量电池。7、为什么在燃料电池制作的实验中要用硫酸钠溶液代替水？采用不同的溶液对电池的对外供电能力有影响吗？答：（1）为增强实验效果,常在水中加入一定浓度的硫酸(24)或氢氧化钠()。当电解水装置中收集到一定体积的氢气(2)和氧气(2)时,该装置实际上已形成能对外供电的氢氧燃料电池。（2）无论采用何种材料做电极,电解水在进行一段时间后,切断电源,其装置对外供电能力输出电压大小,下同)与进行电解时外加电压的大小无关。（3）通过查阅资料，用2%或2%24作电解液,在电解一段时间后,切断电源,其装置对外供电的能力无明显差别。8、在铜电极电解饱和食盐水的实验中，影响电解速率的因素有哪些？答：实验装置中影响电解饱和食盐水速率的条件有电压高低和电极间距等：（1）在电解电压保持不变的情况下，电解时间会随着两电极间的距离变化而变化，表现为当增大两电极间的距离时，需要的电解时间增大，电解速率变慢。（2）在其他条件不变的情况下，改变电解电压时，会发现电压与电解时间呈线性关系，并且随着电压的上升，电解所需要的时间减少，电解速率变快。这就为通过以改变电源电压的方式来提高电解效率提供了一定的理论依据，然而，由于实验中提供的直流电源具有一定额定电压，不可能无限制的改变电解电压，所以通过以改变电极间距离的方式来提高电解效率仍然具有一定应用价值。9、在燃料电池的制作实验中，能否采用饱和溶液代替一般的电解质？答：不能。（1）因为若用饱和硫酸钠溶液作电解液，通电时间较长会因水减少而凝固（2）若用饱和食盐水或稀盐酸作电解液形成氢氯燃料电池，二极管在短期内也能发光，但会因为氯气的产生而造成污染。并且通电时间较短。10.为什么在铜电极电解饱和食盐水中沉淀的颜色会深浅不一，出现橙红和黄色？为什么阳极的白色会逐渐变为浅蓝色？答：（1）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:2Cu2e-+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1.210-6和1.210-14),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（2）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 3CuOCuCl23H2O+2HCl五、 教学小拓展：1、血糖燃料电池美国麻省理工学院的工程师最新研制一种微型电池原型，从人体自然血糖分子中产生电能。这种电池将用于驱动治疗癫痫、瘫痪以及帕金森氏症患者的大脑植入器。据悉，当前植入人体的装置通常是由锂电池提供动力，但是这种电池使用时间非常有限，必须进行更换。再次进入人体组织更换电池并不是医生所喜欢做的事情，如果更换大脑植入器的电池就变得更加棘手了。美国麻省理工学院电子工程和计算机科学副教授拉胡尔-萨尔皮什尔(Rahul Sarpeshkar)带领一支研究小组负责这项研究，他们使用铂催化剂放置在末端，一层碳纳米管在另一端来建造这个电池，它们放置在一个硅片上，从而将电流连接至大脑植入器上。当大脑组织中的血糖分子流经铂催化剂，伴随其氧化过程，电子和氢离子将分离开来。在电池另一端，当氧分子与单壁碳纳米管接触时，与氢离子混合形成水，该电池