化学教室活动：利用化学平板探索电解 – I？

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实验介绍

在此教室活动中，你将使用老师事先製作完成的化学平板（ChemPad），进行有趣的电解实验。化学平板包含一个电解平板及两支电解笔（不鏽钢线和铜线）。电解平板的设计，外观是一个相框，材质是木製或不锈钢，底面是一块金属板（不鏽钢和铝板），上面铺上一张湿润的水彩纸（或不织布），一个电池及电流切换开关嵌入相框的背面。利用化学平板，及不同材质的电解笔，于水彩纸（或不织布）上，喷上电解液和酸硷指示剂，即可在课堂上进行一系列的氧化还原反应、酸硷中和及错合反应等典型的化学实验。化学平板可多次重複使用、药品减量达95%以上，符合绿色环保的原则。两款不同材质的化学平板的示意图，如图一所示。本活动你将使用不锈钢製作的化学平板进行电解实验，图二为利用不锈钢盘製作化学平板的背面组装零件。

图一 不锈钢製化学平板（上）和木製化学平板（下）的示意图

药品与器材

1. 化学平板（ChemPad）? 1台／组
2. 酚酞指示剂（Phenolphthain indicator）? 100 mL／班
3. 广用指示剂（Universal indicator）? 100 mL／班
4. 水彩纸（或不织布厚度小于2 mm，与平板合适大小）? 1张／组
5. 0.5 M硫酸钠水溶液（Sodium sulfate, NaSO₄, solution）? 500 mL／班
6. 0.5 M碘化钾水溶液（Potassium iodide, KI, solution）? 500 mL／班
7. 0.1 M黄血盐水溶液（Potassium ferrocyanide, K₄Fe(CN)_6, solution）? 500 mL／班
8. 0.1 M柳酸水溶液（Salicylic acid, C₆H₄(OH)(COOH), solution）? 500 mL／班
9. 喷雾罐（容量50 mL）? 4个／组
10. 1% 维他命C（ascorbic acid）水溶液? 100 mL／班
11. 原子章? 1个／组

实验步骤

1. 以50 mL的喷雾罐分别盛装四种溶液（0.5 M硫酸钠水溶液、0.5 M碘化钾水溶液、0.1 M黄血盐水溶液、0.1 M柳酸水溶液），备用。
2. 先取一张适当大小的水彩纸，平铺在化学平板内侧，再以硫酸钠水溶液喷在水彩纸上，保持湿润状态即可。然后喷上少量的广用指示剂，电解笔的材质使用不锈钢铁线。在未写字或画图之前，切换开关的摇桿保持在中间位置（off）。
3. 开始之时，切换开关的摇桿先往左边切，然后以电解笔在纸面上写字或画图；接着摇桿切换切至右边，同样地以电解笔，在纸面上空白处书写或画图，仔细观察水彩纸的颜色有何变化？请尝试由广用指示剂的颜色变化，推测摇桿的左右两端哪一端是正极？哪一端是负极？哪一端发生氧化反应？哪一端发生还原反应？并藉此观察结果，写出阴极和阳极的反应式。
4. 承步骤2，喷上的广用指示剂改为酚酞指示剂，切换摇桿于左右两端，观察酚酞指示剂的颜色变化。
5. 承步骤4，喷上指示剂后，再喷入0.5 M碘化钾水溶液，然后以铜製电解笔，在湿润的水彩纸上写字或画图。切换开关的摇桿往左右两边切换时，观察书写的前后水彩纸的颜色变化；并藉由此观察结果，以反应式说明阴极和阳极发生的变化。
6. 承步骤5，用事先填入维他命C水溶液的原子章，来回擦拭上述的字迹或画图，观察颜色的变化；并藉由观察结果，以反应式说明其变化。
7. 承步骤5，电解笔的材质由铜线取代不锈钢铁线，在事先以硫酸钠水溶液浸湿的水彩纸上，喷上酚酞指示剂和0.1 M黄血盐溶液。切换开关的摇桿往左右两边切换时，观察水彩纸的颜色变化；并藉由此观察结果，以反应式说明阴极和阳极发生的变化。
8. 承步骤7，喷上的黄血盐溶液改成柳酸溶液。切换开关的摇桿往左右两边切换时，观察水彩纸的颜色变化；并藉由此观察结果，以反应式说明阴极和阳极发生的变化。

安全注意事项

• 酚酞指示剂以酒精当溶剂配製而成，使用喷雾罐喷洒时，宜在通风处进行，并严禁火苗，以策安全。做完实验后，双手以清洁剂清洗乾净。

废弃物处理

• 电解后的水彩纸可水洗后，丢弃于垃圾桶。

实验结果

• 请填入你的观察结果于下方表格内，并推测切换开关两端的反应式。

问题和讨论

1. 在步骤3中，电解笔的材质使用不锈钢铁线，电解液使用硫酸钠水溶液，喷上广用指示剂。电解时，哪一极发生氧化反应？哪一极发生还原反应？两极的反应式为何？全反应的平衡反应式为何？
2. 在步骤4中，电解笔的材质使用不锈钢铁线，电解液使用硫酸钠水溶液，喷上酚酞指示剂。电解时哪一极发生氧化反应？哪一极发生还原反应？两极的反应式为何？全反应的平衡反应式为何？
3. 在步骤5中，电解笔的材质使用不锈钢铁线，电解液使用碘化钾水溶液，喷上酚酞指示剂。电解时哪一极发生氧化反应？哪一极发生还原反应？两极的反应式为何？全反应的平衡反应式为何？
4. 在步骤6中，使用含维他命C水溶液的原子章，擦拭字迹或图画，其反应式为何？
5. 在步骤7中，电解笔的材质使用铜线，电解液使用硫酸钠水溶液，喷上酚酞指示剂和黄血盐溶液。电解时哪一极发生氧化反应？哪一极发生还原反应？两极的反应式为何？全反应的平衡反应式为何？
6. 在步骤8中，电解笔的材质使用铜线，电解液使用硫酸钠水溶液，喷上酚酞指示剂和柳酸溶液。电解时哪一极发生氧化反应？哪一极发生还原反应？两极的反应式为何？全反应的平衡反应式为何？

 

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