用铜作电解池阳极的教学分析

1、用铜作电解池阳极的教学分析1 从一个新情况提出的新问题 高中化学历来都有用 石墨碳棒作阳极电解 CuCI2、饱和食盐水溶液，用金属 Zn作阳 极电解 ZnCl2 溶液镀 Zn 2 种教学演示实验。前者所用的是惰性 阳极（石墨），电极不发生反应，后者用的是活动性阳极Zn，电极会发生简单的氧化反应（Zn-2e- f Zn2+）。大概在2000年前后，高中化学教学中普遍流行一道由Cu作阳极的练习题： CuI 是一种白色难溶于水的固体。以石墨作阴极， Cu作阳极，组成电解池。含酚酞和淀粉KI的溶液作电解液。电解开始一段时间阴极的溶液变红， 阳极区仍为无色。电解相当长 时间以后，阳极区才呈深蓝色。电解开

2、始阶段的电极反应为（）。A. 阳极：Cu-2e-=Cu2 +，阴极：Cu2+ +2e-=CuB. 阳极:2Cu+2I-2e-=2Cul ，阴极：2H+2e-=H2fC. 阳极：2l-2e-=12 ，阴极：2H+2e-=H2fD. 阳极:4OH-4e- =2H2O+O2，阴极：4H+4e=2H2f该练习题提供的答案是 B。我们姑且认为这个答案是正确的。据笔者所知，该题以及以该题为原型改编的多种练习题， 早 已广泛收录在高中化学和高中化学竞赛的各种教辅资料中得到 了广泛的传播。不过与此同时，对于该题以及由该题提供的答案 早已经引起了广泛的讨论。许多老师和学生几乎都不约而同地先 后提出过以下的讨论问

3、题：(1) Cu阳极是被氧化成 Cu+(Cu-e- f Cu+生成Cui ?还是 被氧化成 Cu2+( Cu-2e- f Cu2+)生成 CuI2 ?(2) Cu阳极被氧化，无疑。电解液(KI)会被氧化吗？如果 说电解液会被氧化，那答案B就没有被反映出来；如果说电解液 不会被氧化，那电解一段以后阳极区的淀粉液又何以会变蓝呢？(3) 倘若把答案B作如下的解读：首先，Cu电极失去电子生成 Cu+:2Cu-2e-f2Cu+然后，Cu+与电解液中的I-结合成Cui沉淀：2Cu+2I- f 2Cui J两式合并得答案 B:2Cu+2I-2e- =2CuIJ这样的解读是合理的吗?如果这样的解释是正确的，那

4、试题提供的信息一一“阳极区 呈深蓝色”跟答案的正确选择有什么联系呢?(4) 把Cu-e- f Cu+与 I-e- f 1/2I2的反应，视为在 Cu阳极 上同时发生的平行(氧化)反应，对吗?(5) I-是一种强还原剂，通电时I-首先移向Cu阳极失去电 子生成I2，然后I2与Cu阳极反应生成白色 CuI沉积在Cu阳极 上。这种解释有没有它的合理性呢?笔者以为，所有这些讨论问题都给当下的中学化学教学提出 了许多教研、教学中值得重视的新问题。2用Cu作电解池阳极的教学分析2.1 分析问题前的几个背景实验实验，试管里注入45 mL浓的CuCl2溶液，放进几段用 砂纸磨光了的 Al 条。几秒钟之后，置换

5、反应进行得非常激烈， 放出很多的气体（H2）和热量，温度上升得很高，试管发烫（小 心）。而且置换出的Cu还会进一步被CuCl2氧化生成CuCl溶解 在CuCl2溶液中，因形成CuCl-2、CuCl2-3等多种配离子，使反 应混合液呈深棕色（酱油色样）。这时迅即把混合液倒进盛有大 量清水的烧杯中，可见有大量不溶于水的白色CuCl沉淀析出，聚积在烧杯底部。2Al+3CuCl2=2AlCl3+3CuCu+CuCI2=2CuC0把一部分CuCl沉淀几经水洗至溶液接近呈中性时，CuCl会因水解生成橙黄色Cu2O沉淀：2CuCI+H2O=Cu2O+2HCI另一部分CuCl沉淀中加几滴NaOH溶液,溶液呈弱

6、碱性，CuCl 更是迅速水解转化成不溶性橙黄色 Cu2O。2CuCI+2NaOH=Cu2On2NaCI+H2O实验， 3支试管中分别注入浅棕色的碘水，溶有少量酒精 深棕色的碘水，溶有 KI的深棕色的碘水（KI3 ）。再分别放进一 块光亮的铜片，几分钟之后观察 ,铜片上会生成一层厚薄不一的 不溶性的白色 CuI 附着在铜片表面。实验， 3 个小烧杯中分别盛半烧杯饱和食盐水，其中 2 个用水按体积比1 ：1和1 ：5稀释。然后用Cu作阳极进行电解， 就会发现：盛饱和食盐水的烧杯里生成大量橙黄色的Cu2O沉淀;盛1 ：5的稀食盐水的烧杯里生成一些蓝色的Cu(OH)2沉淀；盛1 ：1的稀食盐水的烧杯里

7、，则生成既有 Cu2O又有Cu (OH 2 呈黄绿色样的沉淀。2. 2电解池(槽)Cu阳极化学反应电解池(槽)用Cu作阳极的电极反应主要从 2个方面去讨 论：一是活动电极 Cu如何反应，二是电解质溶液如何反应。现 以Cu作阳极电解KI溶液为例来讨论。2. 2. 1 Cu 阳极本身的反应根据Cu的电子层结构是3d104s1，它有Cu+和Cu2+种氧化 态。文献1指出：Cu和4种卤素形成Cu(l )化合物，而和 F、Cl、Br 3 种卤素形成稳定的 Cu( II )化合物。Cu( l )卤化物除氟化铜( l )是红色外，其余都是白色，它 们都不溶或几乎不溶于水。另一方面， Cu( ll )卤化物会

8、溶于水 (CuF2 微溶) 而形成有蓝色的水合物。至于碘化铜( ll )至今没 有被分离出来，它的存在还不能肯定。电解KI溶液，Cu电极(阳极)上生成的白色沉淀物是 Cul, 可以说明Cu阳极本身发生了如下反应：2Cu-2e- f 2Cu+ (氧化反应)鉴于 CuI2 的不存在，问题 (1) 可以顺利得解。值得注意的是，Cu阳极附近的溶液呈棕黄色，淀粉液变蓝 证明12的存在，说明Cu阳极上发生了 2I-2e- -12的氧化反应。 这种新生成的I2会跟处于被电源激活的 Cu阳极反应有生成CuI 的可能性， 完全可以从实验的事实和现象得到证实。 因此我们 有理由说，用Cu作电解池阳极电解 KI溶液

9、时，在Cu阳极上生 成的白色CuI，既有Cu阳极电极氧化生成的 CuI，也有I2与Cu 阳极的化学氧化生成的 CuI 。在整个电解K I溶液的过程中，溶液不见有蓝绿色沉淀 物生成。尽管电解池内石墨阴极上发生了还原反应(2H + +2e- H 2 T),阴极区溶液呈碱性，也不见有蓝绿色Cu(0H)2沉淀生成，证明C u- 2 e- C u2+的反应不曾在这里发生，即C u2+不存在于电解过程的电解质溶液中。再以Fe作阳极电解KI溶液为例。Fe的电子层结构是3d64s 2。Fe阳极发生的反应是 Fe- 2 e- Fe2+, Fe以Fe2+的形式 进入溶液。随着电解过程的进行，Fe2+与石墨阴极区扩

10、散来的OH -相遇，生成灰绿色的 Fe(0H)2沉淀。实验表明，用C u、Fe等变价金属作电解池阳极电解某种电 解质溶液，电极材料(Cu、Fe)本身是以氧化成低氧化态为主。情况当然也不尽然。 实验的情况很值得实验者注意。 电解 中性的饱和食盐水2,C u阳极氧化生成的C u+生成C uC l。 随着电解过程的进行，溶液的碱性逐渐增强，CuCl的水解迅速发生：2C uC l +H 2O = C U2OJ + 2HC lCuCl+NaOH=CuOH+NaCl2C uC l +2N aOH=C u2Oj + 2N a C l +H 2 O 于是出现大量桔黄色 CuOH和C u2O沉淀。当电解N aC

11、 l的稀溶液时，C u电极氧化成的C u+,很快会 被阳极生成的C l2氧化成Cu2+，同时阳极生成的C l2也会氧 化Cu阳极本身生成C u2 +。所以用C u作阳极电解N aC l的稀 溶液时，随着电解过程的进行，C u阳极因电极氧化生成的C u +和化学氧化生成的C u2+，都会与阴极的碱性溶液一起，生成 CuOH（Cu2O和C u（OH）2的混合物而使沉淀显黄绿色。3几点认识（1）化学反应是复杂的。无论是普通的化学反应，还是在溶 液中进行的电极反应， 那种简单而又单一的化学反应是很少很少 的。而实际情况是既有同一条件（如温度、浓度）下的先后反应 和平行反应， 也有不同条件下的不同反应和

12、平行反应， 甚至还有 某些反应进行的后续反应。从这些角度讲，问题（4）有它的合 理性，而问题（3）、（5 ）就有它的片面性。比如，我们不能把I2与Cu直接化合生成CuI的反应视为电极反应。（2）作为试题的答案，应当跟试题提供的信息（如淀粉溶液变蓝）有联系。从答案的简约性原则来讲，答案只出示Cu阳极的主反应（2Cu-2e- 2Cu+，而略去副反应（2I-2e- T2 ）似 乎是可以理解的。 如果作为教学示例来分析， 从充分利用试题而言，应当说明阳极区淀粉溶液变蓝，也是I-在Cu阳极上发生氧化反应的结果。从这个角度讲，如果把Cu阳极上的2种氧化反应整合成2Cu+4l-2e- =2CulJ + 12，尽管美中不足，但也比答 案 B 要好。(3) 有必要在分析问题时给学生提出：鉴于高价金属的氧化 性和低价金属的还原