微型实验与手持技术

实验六 微型实验与手持技术 实验6-1 利用微型实验仪器电解水实验 【实验目的】 ①理解在不同电解质溶液环境中电解水的原理规律； ②探究微型实验仪器电解水过程中电极变化原因。 【实验原理】 用大头针作电极电解水、稀硫酸、氢氧化钠和硫酸钠的原理实际上均是电解水的原理。电极不参与反应时电解水的电极反应方程式如下： 碱性 阴极： 阳极： 酸性 阴极： 阳极： 实验装置图： 【实验仪器与试剂】 仪器：多用滴管、井穴板、低压电源、大头针、肥皂水、火柴； 试剂：去离子水、Na2SO4溶液（0.3mol/L）、NaOH溶液（2mol/L）、H2SO4溶液（1mol/L） 【实验步骤】 ①在多用滴管中吸取纯水，插入两根大头针作为电极，连接低压电源，设置低压电源电压，观察实验现象； ②当多用滴管中产生较多气泡时，将滴管尖嘴插入井穴板中盛放的肥皂水中，用火柴点燃吹起的肥皂泡，观察实验现象； ③在多用滴管中依次换取Na2SO4溶液、NaOH溶液和硫酸溶液，接通电源，设置电解电压，点燃肥皂泡，观察实验现象； ④实验一段时间后，观察电极（大头针）的变化，解释其变化原因，说明该如何解决问题。 【实验现象与解释】 所用溶液 电解电压 实验现象 实验解释 电极 溶液 肥皂泡 纯水 20v 正负极均产生少量气泡 溶液透明—浅黄绿色—变浅—澄清，溶液上层有绿色混浊 无肥皂泡产生 阴极的反应： 阳极的反应： Fe2+ + H+ + O2 Fe3+ +H2O 产生的氢气少，不能吹起肥皂泡。 溶液现象是由于大头针被腐蚀，铁单质参与了电极反应。 稀硫酸 1mol/L 5v 两极都有大量气泡产生 溶液始终透明。 有肥皂泡产生，点燃发出尖锐的爆鸣声。 阴极的反应： 阳极的反应： 产生氢气较多能吹起肥皂泡，肥皂泡里面的氢气不纯，点燃有尖锐爆鸣声 氢氧化钠 2mol/L 5v 两极都有大量气泡产生 溶液没有明显变化 有肥皂泡产生，点燃发出尖锐的爆鸣声 阴极的反应： 阳极的反应： 产生氢气较多能吹起肥皂泡，肥皂泡里面的氢气不纯，点燃有尖锐爆鸣声 硫酸钠 0.3mol/L 10v 两极都有大量气泡产生，阳极大头针处有淡黄色沉淀产生 无色溶液变为淡黄色 有肥皂泡产生，点燃发出尖锐的爆鸣声。 阴极的反应： 阳极的反应： 沉淀本应为红褐色，但由于量很少，所以为淡黄色。             【实验分析】 1、电解过程中产生氢气与氧气，因此能吹起肥皂泡，并由于氢气不纯，所以点燃肥皂泡会发生清脆响亮的爆鸣声。 2、电解去离子水，由于其中可自由移动的离子数量少，因此速率很慢，看不到明显有肥皂泡产生现象。 3、加入稀硫酸、硫酸钠、氢氧化钠等强电解质溶液，溶液导电性大大增强，有明显的电解现象。此时溶液中放电的离子仍是H+、OH-，电解的物质仍然是水。 4、在我们实验中，由于使用的某些大头针镀层破损，铁与电解液直接接触，在电解水过程中铁质大头针在阳极被氧化为亚铁离子，在碱性或中性条件下，被空气继续氧化成三价铁离子，并结合氢氧根离子，最终变成氢氧化铁红褐色沉淀，由于量较少，故呈淡黄色。 【实验拓展】 （1）多用滴管 实验利用多用滴管作为反应容器，多用滴管用途很多。 多用滴管的液滴体积经过标定后，便是小量液体的计量器。通过计量滴加液滴的滴数，就得知滴加试剂的体积。因此，已知液滴体积的多用滴管，便是一支简易的滴定管。使用者经过练习，掌握了从多用滴管连续滴出体积均匀的液滴的操作后，就可进行简易的微型滴定实验。决定滴管液滴体积的主要因素之一是滴管出口的大小，手工拉细的毛细管滴管管壁薄，温度变化对毛细管口径的影响颇大，液滴体积要经常标定，比较麻烦。在多用滴管径管出口处，紧套上一个市售医用塑料微量吸液头（简称微量滴头）就组成一个液滴体积约为0.02mL的滴液滴管。此时，液滴体积不易变化。将同一微量滴头逐一套到盛有不同试剂的滴管上，可得到液滴体积划一的不同试剂液滴。这时，液滴滴数之比即所滴加试剂的体积比。采用微量滴头使滴定操作、反应级数、配合物配位数测定等实验的精确度提高，操作。 多用滴管，径管朝上，放入离心机中可进行离心操作。多用滴管还可作滴液漏斗，它穿过塞子与具支试管组合成气体发生器。总之，多用滴管的用途确实很多，掌握了它的材料与结构特点、基本功能与操作要领，开动脑筋，勇于实践，在不同的实验中它还能有不少新的用途。 （2）微型实验技术的发展 早在1989年我国高等学校化学教育研究中心把微型化学实验课题列入科研计划，由华东师范大学和杭州师范学院牵头成立微型化学实验研究课题组。杭州师院承担了原国家教委下达的微型化学实验玻璃仪器和塑料系列仪器等新产品的研制任务；华东师大与厂家合作研制初中微型化学实验箱。经过近两年的努力，前两项新产品通过了国家教委的鉴定，初中微型化学实验箱通过了北京市教委的鉴定，均已投放市场。在实践中，又开发出多种实验配件和成套仪器，为微型化学在中国的发展打下了坚实的基础。 无机化学、普通化学实验的微型化带动了有机化学和中学化学实验的微型化。目前扩展到分析化学、物理化学、医用化学和高分子化学实验的微型化探索并取得了可喜的成果，形成了中国开展微型化学实验工作的特点：微型仪器配套比较完整且价格低廉，在国际上具有竞争力。 微型化学实验与常规实验相比，具有明显的绿色环保、节约药品和节省时间的特点。微型化学实验的优势已经在教学中呈现出来，受到了广大师生的欢迎。目前，国内已有800余所大、中院校开始采用微型化学实验。 1992年，我国自编的第一本《微型化学实验》出版。此后，浙江大学李明馨教授主编的《普通化学实验》及周宁怀教授主编的《微型化学实验》、《微型无机化学实验》和《微型有机化学实验》也相继问世。上世纪90年代以来《化学通报》和《大学化学》等杂志发表微型化学实验方面的论文近50篇。在《化学教育》、《化学教学》和《中学化学教学参考》上发表论文100余篇。 另外，有关微型化学实验的网站也相继出现，如：中国微型化学实验中心（网址：http：//www.cmlc.gxnu.edu.cn/index.asp），它是专业的微型化学实验研究的网站。湛江师范学院微型化学实验网（http：//202.192.128.41/wxhxsy/），湛江师范学院微型化学实验网是专业的微型化学实验研究的网站。主要包括了微型化学实验、微型仪器、教学课件、资源中心、实验手册、化学论坛等栏目。 实验6-2 手持技术在实验教学中的应用研究 【实验目的】 学习利用手持技术分析酸滴定碱的PH变化规律。 【实验原理】 酸碱中和滴定的全过程均在溶液中进行，溶液中pH的变化随着滴定过程的进行而发生变化，因此，溶液的pH可以表征溶液中离子的浓度。在滴定过程中，滴定剂与溶液中的被测离子反应生成水使溶液的pH发生变化。因此，可通过滴定曲线上的突跃点来确定滴定终点。 本次实验采用手持技术仪器(主要包括数据采集器与pH传感器)，通过计算机处理数据，为学生深刻理解中和滴定提供了技术条件。 【实验仪器与试剂】 数据采集器、PH传感器、磁力搅拌器、磁力搅拌子、酸式滴定管、100mL烧杯； 0.1mol/L盐酸溶液、0.1mol/L氢氧化钠溶液。 实验设备： 【实验内容】 量取20mL氢氧化钠溶液（0.1mol/L）于100mL烧杯中； 酸式滴定管用0.1mol/L盐酸润洗，装液，调零； 打开磁力搅拌器，设置软件，设置数据采集器：采样速率为10m/s，采样样本总数为持续； 开始数据的同时打开酸式滴定管活塞，控制滴加速度稳定； 待数据采集完毕，停止数据记录，关闭酸式滴定管活塞、磁力搅拌器，拆除并清洗仪器。 实验操作完毕，读取所消耗的盐酸体积。观察软件中的图像，并分析图像拐点。 【实验数据收集与记录】 【实验结果分析与讨论】 如图所示，在第500秒左右pH发生了突跃，从11降至3，图示曲线平滑，突跃明显，说明实验很成功。 本次实验通过pH传感器，利用手持技术，不仅操作方便简单，在学生保持对实验的感性认识的同时，还可以让学生观察到溶液在整个滴定过程中具体pH数值的变化情况，让学生对化学计量点附近的突跃进行理性认识。 【参考文献】 ［1］钱扬义，手持技术在理科实验中的应用研究，北京，高等教育出版社． ［2］肖常磊 钱扬义，中学化学实验教学论，华南师范大学化学实验教学中心，化学工业出版社。