电解池

概念教师准备学生实验方案
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来源：美国马里兰州约翰斯·霍普金斯大学 Smaa Koraym

  1. 电解池

    在本实验中，您将组装一个电解池以进行电镀。电解池包含由电源连接的阳极和阴极，电源驱动池内非自发的氧化还原反应。当阳极材料被氧化时，离子迁移至阴极，在阴极处被还原并沉积成镀层。

    在本实验中，电解池包含一个铜阳极和一个黄铜钥匙作为阴极。阳极发生氧化反应生成铜(2+)离子，这些离子随后在黄铜钥匙表面被还原，形成一层薄薄的固态铜镀层。

    • 戴上手套、安全护目镜和实验服，且必须全程穿戴。
    • 获取一个10欧姆电阻、一个铜片电极、一根铜线和一张砂纸。
    • 使用砂纸打磨黄铜钥匙和铜片。用清水冲洗钥匙和铜电极。黄铜钥匙将作为阴极，铜片将作为阳极。
    • 取一个50 mL烧杯和一块表面皿，前往教师通风橱处，取约20 mL丙酮。将表面皿盖在烧杯上以防止挥发，然后带回实验台。
    • 将另一个50 mL烧杯标记为“有机废液”。
    • 使用一次性移液管用丙酮冲洗铜电极和钥匙，废液收集至废液烧杯中。将钥匙和铜电极置于纸巾上晾干。
    • 测量钥匙和铜电极的初始质量，并将数值记录在实验记录本中。

      表1：转移的铜的摩尔数

      关键的质量（g） 质量变化（g） 镀铜的摩尔数 铜电极质量（g） 质量变化（g） 失去的铜摩尔数
      0 分钟
      5 分钟
      1st 30 min
      2nd 30 min
      点击此处下载表1
    • 组装电解池。使用一根带鳄鱼夹的导线将电池的负极与电流探头连接。将10欧姆电阻缠绕在电流探头的另一端。
    • 使用另一根导线将电池的正极与铜电极相连。
    • 将铜线缠绕在黄铜钥匙上，并使用导线将电流探头上的电阻器与黄铜钥匙上的铜线连接。
    • 取约 200 mL 浓硫酸铜溶液于 250 mL 烧杯中。体积无需精确。将烧杯带回实验台并置于搅拌器上。小心地将磁力搅拌子放入烧杯中，然后将搅拌速度调至高速。
    • 将数据采集系统连接至电流探头，并使数据采集系统识别探头。系统应返回以安培为单位的读数。将采样速率设置为每分钟2次扫描，持续时间为5分钟。
    • 将黄铜钥匙放入烧杯中，悬挂在烧杯边缘，使钥匙几乎完全浸入液体中，但不接触磁力搅拌子。 注意： 铜丝不应浸入溶液中。
    • 将铜电极放入烧杯中，弯曲电极使其悬挂在烧杯边缘。确保电极不接触搅拌子或黄铜钥匙。
    • 开始扫描并持续收集数据5分钟。这将作为测试运行，以确保镀层在黄铜钥匙上形成。
    • 扫描结束后，取下钥匙和铜电极。黄铜钥匙表面应可见明显的铜镀层。若镀层不可见，请检查电路，确保电池已正确连接。
    • 完成一次成功的5分钟电镀后，断开钥匙和铜电极的导线连接。将铜丝从钥匙上取下，用清水冲洗钥匙和铜电极，再用丙酮冲洗。将其放置在纸巾上晾干。
    • 测量钥匙和铜电极的质量，并将数据记录在实验记录本中。
    • 重新连接钥匙和铜电极，并将其放回溶液中，如同之前一样。在数据采集系统上重新启动运行，确保扫描速率设置为每分钟两次。将运行时间设为30分钟，持续进行电镀过程。
    • 扫描完成后，将电极和钥匙从溶液中取出，断开与导线的连接，依次用水和丙酮冲洗。将其放在纸巾上晾干，然后称重，并在实验记录本中记录质量。
    • 重新组装装置，并进行第二次30分钟的电镀实验。扫描完成后，取出钥匙和铜电极，按之前的方法冲洗，并记录其质量。
    • 将记录的数据保存为U盘中的文本文件。
    • 清理时，关闭搅拌设置，并用镊子将搅拌子从溶液中取出。将丙酮倒入指导教师提供的有机废液容器中处理。硫酸铜溶液可重复用于后续实验，因此将浓缩的硫酸铜溶液倒回原储液瓶中。
    • 用清水冲洗所有玻璃器皿，并将其归还给指导教师。
  2. 结果
    • 首先，计算不同实验过程中流经系统的总电荷量 Q。1 库仑表示 1 安培电流在 1 秒内通过导线的电量，因此 Q = I × t。
    • 检查前5分钟电镀试验的当前探针数据。 注意： 如果在试验结束时电流降至0或接近0，则说明电子已停止从铜电极流向钥匙。仅使用电流下降之前记录的数值。如果在电镀过程早期电流即降至0，应重复该次试验。
    • 电流随时间变化，因此需计算平均电流 I。

      表2：转移的电子摩尔数

      试验时间（s） 当前平均值 （A） 总电荷（C） 痣（e?）
      5 分钟
      1st 30 min
      2nd 30 分钟
      总计
      单击此处下载表 2
    • 使用整个时间段内的平均电流来确定电镀过程中转移的总电荷量 Q。在5分钟的试验中，转移的电荷量约为20库仑；在每次30分钟的试验中，转移的电荷量介于110至120库仑之间。在整个65分钟的电镀过程中，转移的总电荷量约为250库仑。
    • 利用转移的总电荷量计算每次试验中沉积的电子摩尔数。沉积的电子摩尔数等于转移的总电荷量除以法拉第常数。法拉第常数表示每摩尔电子所携带的电荷量，其数值由电子电荷与阿伏伽德罗常数相乘得到。
    • 确定5分钟和30分钟试验中转移的电子摩尔数。
    • 计算每次试验后沉积在钥匙上的铜的物质的量。同样，确定从铜片电极上损失的铜的物质的量。
    • 比较从电极上损失的铜的物质的量与沉积到黄铜钥匙上的铜的物质的量，这两个数值应接近。
    • 检查这些数值是否与根据所转移电子摩尔数预期的结果相符。1 摩尔铜(2+) 离子的还原需要 2 摩尔电子，以生成 1 摩尔固态铜。