化學教室活動：利用粉筆進行電解實驗（Electrolysis using Chalk）〔III〕

Posted on 2011/07/25 in 化學, 化學教育, 化學與社會 with 沒有迴響 7,513 views

化學教室活動：利用粉筆進行電解實驗（Electrolysis using Chalk）〔III〕
國立彰化女子高級中學化學科陳琬菁老師 / 國立彰化師範大學化學系楊水平副教授責任編輯

請按此連結，參閱「學生手冊之二」

教師手冊（Teacher’s Guide）

教學提示

● 上課時間：教師實驗解說：約15分鐘，學生粉筆鑽孔：約5分鐘，學生實驗操作和實驗紀錄約65分鐘。討論與分享：約15分鐘。

● 本實驗所用的粉筆為傳統的粉筆，其成分為硫酸鈣，這是因為此種粉筆的孔隙較大，容易吸附電解液，而且也容易鑽孔洞。粉筆鑽孔洞亦可用鑽孔器和尖銳的筆尖等，但不可施力過大而造成粉筆鑽孔的破裂。

● 以鉛筆的筆芯當作電極，電解硫酸銅溶液的反應十分緩慢。以銅線當作電極，反應較快，推測可能以銅為電極，陽極失去電子產生Cu²⁺，因此溶液中有較多Cu²⁺，以利於陰極得電子析出金屬銅。電解硫酸銅溶液不宜電解太久，易產生黑色氧化銅。

● 以鉛筆的筆芯當作電極，此筆芯可選用2B扁型筆芯，折取所需長度，十分方便且省時。

● 本實驗使用粉筆當作電解裝置取代傳統的U型電解裝置，有以下的優點：(1)粉筆極易取得又方便操作，整組裝置輕巧，可節省許多空間。(2)在藥品需求方面，粉筆體積小，只需少量的浸泡溶液，同時浸泡數支粉筆，可節省許多藥品，以及降低CuSO₄溶液等廢液回收的問題。(3)以電解碘化鉀溶液為例，負極可明顯觀察到粉筆呈現粉紅色；正極可清楚看到紫黑色的固體，以澱粉液檢驗，確認其為碘。電解後剖半粉筆，可觀察到於負極呈現的粉紅色（OH^－）及正極呈現的棕色（I₃^－）。

藥品配製

● 飽和硫酸銅水溶液：在一個燒杯中，裝約100 mL的蒸餾水，逐次地加入一匙的硫酸銅固體並且攪拌直到有些固體不溶解為止，上層的澄清溶液為飽和水溶液。

● 飽和碘化鉀水溶液：以碘化鉀固體取代硫酸銅固體，配製如上所述。碘化鉀對水的溶解度大，可配製接近飽和碘化鉀水溶液即可。

● 飽和硫酸鈉水溶液：以硫酸鈉固體取代硫酸銅固體，配製如上所述。

● 酚酞指示劑：取0.1 g的酚酞（phenolphthalein）粉末，置入一個塑膠瓶中，先加入約70 mL的藥用酒精，搖晃促使其溶解，然後加入30 mL的蒸餾水，搖晃促使其均勻混合。

● 廣用指示劑：購買現成。

● 澱粉指示液：在一個燒杯中，置入0.5 g的可溶性澱粉，加入50毫升的蒸餾水，煮沸並攪拌直到溶液幾乎呈現透明，冷卻此溶液。澱粉指示液不可放置多日使用。

實驗紀錄樣本

A. 電解硫酸銅水溶液

● 負極（陰極）產物的顏色：主要是紅棕色，另有少許黑色及淡藍色（如圖十所示）。
說明此顏色變化：紅棕色為金屬銅，黑色為銅氧化的產物：氧化銅，淡藍色為往負極移動的銅離子。

圖十電解硫酸銅溶液負極產物

B. 電解碘化鉀水溶液

● 正極（陽極）是否有氣泡發生：否（如圖十一的右方所示）。

● 正極（陽極）產物的顏色：中間紫黑色，外圍褐色（如圖十一的右方所示）。
說明此顏色變化：紫黑色：I₂(s)，褐色：I₃^－(aq)（碘溶於碘化鉀溶液：I₂(s) + I^－(aq) → I₃^－(aq)）

圖十一電解碘化鉀溶液的外觀（上）和剖面圖（中）
負極（陰極）在左方，正極（陽極）在右方
（下圖為另一次實驗的結果，正極的中間呈紫黑色，外圍呈褐色）

● 正極（陽極）產物加到碘化鉀溶液的顏色變化：由透明無色變為褐色；
加到藥用酒精的顏色變化：由透明無色變為淡褐色；
加到蒸餾水的顏色變化：變成淡褐色（如圖十二所示）。
說明此顏色變化：I₂(s)溶於KI溶液或酒精中，呈褐色（碘溶於碘化鉀溶液：I₂(s) + I^－(aq) → I₃^－(aq)）。I₂(s)溶不於水中，I₂(s)為非極性分子且水為極性分子，但是粉筆沾有KI溶液，而碘溶於碘化鉀溶液。

圖十二正極產物加到碘化鉀溶液（左）、酒精（中）和水（右）的顏色

再加入澱粉指示液之顏色變化：在碘化鉀溶液、藥用酒精和水的試管中皆藍黑色（其中對藥用酒精的試管需要多加澱粉指示液）（如圖十三所示）。
說明此顏色變化：藍黑色為碘分子與澱粉形成錯合物。

圖十三正極產物加到碘化鉀溶液（左）、酒精（中）和水（右）

● 負極（陰極）是否產生氣泡：是（有氣泡堵住氣孔）（如圖十一的上圖所示）。
說明產生此氣泡：氣泡為氫氣，此還原半反應為2H₂O + 2e^－ → H₂(g) + 2OH^－(aq)。

負極（陰極）的顏色：粉紅（如圖十一的上圖和下圖所示）。
說明此顏色變化：鹼性，此還原半反應為2H₂O + 2e^－ → H₂(g) + 2OH^－(aq) 。

C. 電解硫酸鈉水溶液

● 正極（陽極）是否產生氣泡：是（有氣泡堵住氣孔）（如圖十四的右邊所示）。
說明產生此氣泡：氣泡為氧氣，此氧化半反應為2H₂O → 4H⁺ + O₂ + 4e^－。

正極（陽極）的顏色：黃色，此產物酸鹼性為：酸性（如圖十四的右邊所示）。
說明此顏色變化：酸性含H⁺，此氧化半反應為2H₂O → 4H⁺ + O₂ + 4e^－。

圖十四電解硫酸鈉水溶液的結果
負極（陰極）在左邊，正極（陽極）在右邊
（下圖為另一次實驗的結果，正極有明顯的黃色）

● 負極（陰極）是否產生氣泡：是（有氣泡堵住氣孔）（如圖十四的左邊所示）。
說明產生此氣泡：氣泡為氫氣，此還原半反應為2H₂O + 2e^－ → H₂(g) + 2OH^－(aq)。

負極（陰極）的顏色：藍色，此產物酸鹼性為：鹼性（如圖十五的左邊所示）。
說明此顏色變化：鹼性，此還原半反應為2H₂O + 2e^－ → H₂(g) + 2OH^－(aq) 。

參考答案

1. (1)在電解硫酸銅溶液中，以銅為電極：
   正極（陽極）：Cu(s) → Cu²⁺(aq) + 2e^－
   負極（陰極）：Cu²⁺(aq) + 2e^－ → Cu(s)
(2)在電解硫酸銅溶液中，以碳棒為電極：
   正極（陽極）：2H₂O(l) → 4H⁺(aq) + O₂(g) + 4e^－
   負極（陰極）：Cu²⁺(aq) + 2e^－ → Cu(s)

2. (1)電解氯化銅水溶液，以銅為電極：
   正極（陽極）：Cu(s) → Cu²⁺(aq) + 2e^－
負極（陰極）：Cu²⁺(aq) + 2e^－ → Cu(s)
(2)電解氯化銅水溶液，以碳棒為電極：
   正極（陽極）：Cl^－(aq) → Cl₂(g) + 2e^－
負極（陰極）：2H₂O(l) + 2e^－ → H₂(g) + 2OH^－(aq)
由於正極（陽極）含有KI(aq)，因此Cl₂(g) + 2I^－(aq) → I₂(s) + 2e^－（有碘分子生成）。
   然後，I₂(s) + I^－(aq) → I₃^－(aq)（有褐色的I₃^－生成）。