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铜棒电解食盐水异常现象的研究

2009-01-06 09:03阅读：

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铜棒电解食盐水异常现象的研究
杨泱、陶雨涛
（浙江省桐乡市高级中学高二（2）班）
【引言】
在高中化学练习中经常会出现这样的问题：“用铜作电极，电解食盐水所生成的产物是什么？”很显然依照高中教材电解反应的原理，根据阴阳离子放电顺序：阳极的铜被氧化，阴极上产生氢气，所得的产物应该是Cu(OH)2蓝色沉淀和H2。很多的参考资料和习题答案都作如是答。但是在一个偶然的机会里，我在做电解实验时，发现了异常现象：在溶液中阳极附近产生了棕黄色的粉末状沉淀，并向阴极移动，整个过程根本不出现蓝色物质。带着对实验现象的疑惑和课本教材的无法解释，我课题组对铜电极电解饱和食盐水实验中产生物质的鉴定与电解原理展开研究。
【一.成分鉴定】
要分析所得的固体粉末的成分不妨先提出假设：
从正极铜溶解和滤液成无色可以推断所得的固体沉淀中一定含有Cu，这种物质应该是一种Cu的化合物，则其可能为①Cu的氯化物。②Cu氢氧化物（或氧化物）。③Cu的碱式盐。④铜的配位化合物。于是我采用排除法进行鉴定。
实验：
取少量沉淀溶于稀硫酸，发现棕黄色沉淀立刻溶解；所得的溶液现蓝色，静置一段时间在试管底部还出现了少量粉末状沉淀。如果用稀硝酸来溶解沉淀，则可以看到溶液变蓝色，但是无红色粉末析出。因此我推断所得棕黄色沉淀是一种含低价Cu的化合物。
综上所述，我所得的棕黄色沉淀应该是氢氧化亚铜（CuOH）。但是，根据大学教材《无机化学》：CuOH是一种极不稳定的物质，在水溶液中马上会分解成Cu2O和H2O（2CuOH==Cu2O+H2O）。而Cu2O是一种不溶于水且由于颗粒大小不同可以显现黄、橘黄、鲜红、棕黄色或红褐色等颜色的固体。而且Cu+在水溶液中极不稳定，会歧化成Cu2+和Cu单质(2Cu+ Cu+Cu2+)其电势图为：Cu2++0.158
Cu++0.522 Cu（参考《无机化学》），可见Cu+变成Cu和Cu2+的歧化趋势很大。在293K时，此歧化反应的平衡常数为K=[Cu2+]/[Cu+]2=1.4*106。因此Cu2O溶于稀硫酸的反应式为Cu2O+ H2SO4==CuSO4+Cu。书本理论与我的实验现象完全相同，所以就可以得出，我所得到的棕黄色物质是Cu2O。
【二.原理分析】
根据高中化学的一般原理，用Cu作阳极电解时阳极的Cu一般转化成Cu2+进入溶液。而为什么会得到Cu+呢？我查阅许多化学书籍都不得其解，于是我自己试图通过实验探究其反应原理。“实验是检验真理的最高法庭”——戴安邦。
于是，我运用控制变量法进行实验。
(1)、不同浓度的NaCl电解液电解实验
实验方法：配置不同浓度的NaCl溶液进行电解，对相同时间内阳极溶解的Cu的质量进行称量和对产生的沉淀的颜色进行观察。（见表一）
表一．不同浓度的NaCl作电解液电解数据表

NaCl溶液浓度（mol/l）
 电解时间
（min）
 电解电压
（V）
 阳极Cu的溶解量 （g）
 所产生的沉淀的颜色
4.5（饱和）
 10
 5~6
 0.50
 棕红色
3
 10
 5~6
 0.24
 红褐色
2
 10
 5~6
 0.14
 红褐色
1
 10
 5~6
 0.05
 橘黄色
0.5
 10
 5~6
 0.01
 深黄色
极稀
 ——
 5~6
 ——
 浅蓝色

注：由于当浓度小于1mol/l时反应进行十分缓慢，物理天平感量只有0.02g，故只能用估值或根本无法测出其质量变化。上表中极稀的浓度由于无法准确配得所以无法给出数据，而且由于电解缓慢所以反应时间也只有加长。
通过对上述表中数据的分析我可以得出初步结果：1.阳极Cu的溶解速度与NaCl的浓度有关，溶解速度随NaCl浓度的增加而加快。2.反应产物也与NaCl的浓度有关，特别是当浓度极稀的时候电解产物为蓝色的氢氧化铜。
对此现象，我认为：阳极的Cu在反应很慢时电解出的是Cu2+，而当电解速度很大是Cu失电子很快，以至于来不及失去第2个电子就变成了Cu+进入溶液。
那么不同的离子会不会对产生Cu2O沉淀也有影响呢？
(2)、不同电解质溶液电解实验
实验方法：配制等浓度（浓度适当）的Na2SO4，NaNO3，H2SO4，HCl
溶液在 电解槽中进行电解。观察溶液的颜色变化和产生沉淀的颜色。（见表二）
表二 . 不同电解质溶液电解实验的现象

Na2SO4
 NaNO3
 H2SO4
 HCl
蓝色絮状沉淀
 蓝色絮状沉淀
 蓝色溶液
 淡黄色溶液

通过比较NaCl和Na2SO4，NaNO3的实验象可以考察Cl—对实验的影响；通过比较以HCl和NaCl的实验现象可以考察电解产生另一中阴离子——OH—对实验的影响；比较Na2SO4和H2SO4也是为了达到上一个目的。
综合上诉实验结果：只有在溶液中存在Cl—时才会有一价Cu生成。电解液的碱性只是使一价Cu转化为棕黄色沉淀，而对一价Cu的生成不起作用。所以，不难想到，是Cl—的配位性影响了实验。
但是反应的原理并没有完全弄清：Cl—如何与Cu作用的；一价Cu在溶液中是以什么形似存在的；能不能够稳定存在；为什么有最后转化为Cu2O沉淀？
要弄清楚这几个问题，对实验控制的要求就更高了。必须控制两个条件：
1 反应速度不能太快，否则无法研究反应的各个阶段。
2 反应生成的离子不能马上转化为沉淀，否则无法断定离子的具体存在形式。
为了解决这两个问题，我创造性地改进了实验装置——U型管实验
铜棒电解食盐水异常现象的研究
图一 。反应装置示意图
U形管中液体对流能力差，不仅使反应速度减慢，还使阳极产生的Cu离子与阴极产生OH—的就会分布在U形管的两端，一定时间内难以相互接触发生反应。有利于我提取刚溶入溶液中的离子进行检验。
实验方法：用Cu电极在U形管中电解NaCl的饱和溶液，在刚开始电解时还未出现沉淀时在阳极附近取出一滴管溶液液，在其中加碱或酸观察其颜色变化。
结果：在取出的澄清溶液中加碱则发现溶液中立刻出现棕黄色沉淀，加入酸（非强氧化性酸）则无变化。
分析：从加碱的实验现象看溶液中确实存在一价的铜离子，但是并非是Cu+简单离子，否则会在酸性条件下发生歧化反映，故溶液中存在的一定是Cl与Cu的复杂离子，查资料得可能为[CuCl2]—、[CuCl3]2—、[CuCl4]3—复杂离子。
【三.最终结论】
① 用铜电极电解饱和食盐水所得到的棕黄色沉淀的物质成分是Cu2O。
② 产生一价Cu的原因是因为Cl—的强配位性：可以与一价铜离子形成[CuCl2]—、[CuCl3]2—、[CuCl4]3—复杂离子，使溶液中Cu+浓度降到到非常小，反歧化电势升高到0以上。故反而易生成较低价态的一价Cu。
③ 生成沉淀是因为Cu+与OH—的沉淀反应破坏了Cl与Cu的配位平衡。而生成的CuOH是一种极不稳定的物质，在水中马上分解成棕黄色沉淀——Cu2O。

参考文献资料：
1、《无机化学》 第三版 下册北京师范大学、华南师范大学、南京师范大学、无机化学教研室 编 高等教育出版社出版
2、《无机化学》2001年9月 第一版华南理工大学无机化学教研室 化学工业出版社出版
3、《化工词典》1992年6月 第三版 王箴主编 化学工业出版社出版

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