一套多功能的电解装置

2016-05-23刘小云

化学教学 2016年4期

刘小云

摘要：“电解法制备氢氧化亚铁”与“污水处理——电浮选凝聚法”两个实验都借助了电解原理发生了相似的反应。尝试将两个实验进行改进，整合在同一套装置中进行，并利用实验中产生的氢气与氧气完成“氢氧混合气爆鸣”的实验，使一套电解装置能够完成多个实验，节约药品，富有创意。

关键词：电解法；制备Fe（OH）2；污水处理；电浮选凝聚法；多功能电解装置

文章编号：1005–6629（2016）4–0072–03 中图分类号：G633.8 文献标识码：B

Fe（OH）2是过渡元素代表“铁”的重要化合物，有关Fe（OH）2的知识在高中重现率较高，Fe（OH）2的制备是很多学生和教师所遇到的棘手问题。Fe（OH）2还原性强，极易被氧化成红褐色的Fe（OH）3，而得不到纯净的Fe（OH）2，所以制备实验成功的关键是使生成的Fe（OH）2与O2隔绝。用Fe做阳极，石墨或其他金属做阴极，然后电解NaOH或Na2SO4溶液最终能够得到Fe（OH）2以及H2。

人教版高中《实验化学》教材中“污水处理——电浮选凝聚法”实验也是利用Fe做阳极，Al做阴极电解含有Na2SO4的污水产生Fe（OH）3、 H2达到净水的目的[1]。

笔者根据这两个实验的共性，将它们整合到同一套装置中进行，并做了些改进，不仅成功完成了以上两个实验，同时还做了“氢氧混合气爆鸣”的实验，一举多得。具有节约药品、污染小、操作方便、实验现象明显等优点，体现了化学应用于生产生活实际的思想和绿色化学的理念。

1 实验原理

1.1 电解法制备Fe（OH）2的原理

在10V的直流电压下，以铁片为阳极，石墨为阴极，电解4mol/L NaCl和1mol/L NaOH的混合溶液（已加热煮沸，且在混合液上方再加一层乙酸乙酯），5分钟之内，就可以在铁片上看到大量白色沉淀，且能保存较长时间而不变色（如图1所示）[2]。实验的基本原理是：

阳极：Fe-2e-=Fe2+

阴极：2H2O+2e-=H2↑+2OH-

总反应：Fe+2H2O=Fe（OH）2↓+H2↑

1.2 污水处理——电浮选凝聚法的原理

电浮选凝聚法是工业上采用的一种污水处理方法。接通直流电源后，与直流电源正极相连的阳极铁失去电子生成Fe2+，进一步被氧化，并生成Fe（OH）3沉淀，Fe（OH）3有吸附性，可吸附污物而沉积下来，具有净化的作用；与直流电源负极相连的阴极产生H2，气泡把污水中悬浮物带到水面形成浮渣层，积累到一定厚度时刮去（或撇掉）浮渣层，即起到了浮选净化的作用[3]。其电极反应为：

阳极：Fe-2e-=Fe2+

2H2O-4e-=O2↑+4H+

4Fe2++10H2O+O2=4Fe（OH）3↓+8H+

阴极：2H++2e-=H2↑

该实验较好地体现了化学应用于生产生活实际的思想和绿色化学的理念，在实际生产中电浮选凝聚法处理污水也是常用的方法之一[4]。但我们在实验探究时发现，该实验的效果并不十分理想，主要存在下列问题：

（1）电解所需直流电压大，中学如果不具备直流稳压电源一般无法进行实验。

（2）电解产生的Fe（OH）2只有少量转化成Fe（OH）3胶体，凝聚效果不理想。

以铁片为阳极电浮选凝聚法处理生活污水的基本原理是通过电解使铁转化为离子进入溶液，随着电解过程中H2的析出，溶液的pH上升，Fe2+转化成Fe（OH）2，Fe（OH）2进一步转化为Fe（OH）3胶体，从而达到电浮选凝聚净水的目的。

为使实验效果更为理想，对该实验做如下改进[5]：

（1）在污水中加入适量的氯化钠或硫酸钠以提高污水的导电能力。

（2）采用“三电极”电解装置（铝片为阴极，石墨和铁片同时为阳极，见图2），使电解时产生氧气，提高Fe（OH）2进一步转化为Fe（OH）3胶体的效率，从而提高净化污水的效果。

（3）外加氧化剂（如H2O2等），促使Fe2+转化为Fe3+，提高凝聚效果[6]。

2 实验用品

Na2SO4溶液、NaCl溶液、盐酸、硫酸、NaOH溶液、H2O2溶液、品红溶液、乙酸乙酯、洗涤剂

铁片、铝片、石墨电极、直流电（含电压、电流表）、导线、烧杯、玻璃棒、四颈圆底烧瓶、量筒、橡胶塞、pH试纸、酒精灯、石棉网、火柴

3 实验过程

3.1 电解法制备Fe（OH）2

（1）制作电极：将导线穿过橡胶塞与铁片相连，旋入四颈圆底烧瓶的一个口径内，与直流电源正极相连，作阳极；用另一根导线与石墨相连，旋入四颈圆底烧瓶的另一个口径内，与直流电源的负极相连，作阴极。如图1所示。

（2）连接好实验装置，在四颈圆底烧瓶中加入150mL 4mol/L的NaCl和1mol/L的NaOH的混合溶液。

（3）加热煮沸混合液，待冷却至接近室温时，再在混合液上方加一层乙酸乙酯隔绝空气。

（4）接通电源，在10V的直流电压下电解一段时间。

（5）观察并记录实验现象：在10V的直流电压下，5分钟左右，就可以在铁片上看到大量白色沉淀，且能保存较长时间而不变色。

3.2 污水处理——电浮选凝聚法

人教版高中《实验化学》教材中“污水处理——电浮选凝聚法”实验操作步骤如下：在100mL烧杯中加入80mL污水，调节pH至5～6，平行悬置2个电极（铝片作阴极，铁片作阳极）接通直流电源（电压6～9V），调节电流，使电极上有气泡持续生成。电解一段时间后，污水表面逐渐形成一层浮渣，而在烧杯底部也积聚一层沉渣，中间层则为澄清的水。

3.3 两个实验的整合设计

按照教材中的方法只能单独完成“污水处理——电浮选凝聚法”一个实验，笔者将前面的“电解法制备Fe（OH）2”实验与该实验整合在同一套装置中进行，故作如下改进：

（1）制作“三电极”：将导线穿过橡胶塞与铝片相连，旋入四颈圆底烧瓶的一个口径内，与直流电源负极相连，作阴极；将“电解法制备Fe（OH）2”实验中的两个电极同时做阳极（如图2所示）。

（2）接通电源，在10V的直流电压下电解，观察Fe（OH）2被阳极生成的O2氧化成Fe（OH）3的颜色变化。

（3）当观察到白色沉淀转化为红褐色之后[Fe（OH）2转化成Fe（OH）3的实验已完成]，切断电源。

（4）向四颈圆底烧瓶中加入80mL污水，利用硫酸调节pH至5～6，滴加几滴品红溶液对污水着色，以颜色是否消失来判断对污水的净化效果。

（5）将带导管的胶塞插入四颈圆底烧瓶第四个口径内，导管另一段浸没在盛水的小烧杯中（烧杯中已加入少量洗涤剂）。

（6）接通电源，在10V的直流电压下电解一段时间。

（7）观察四颈圆底烧瓶中出现的以下现象：污水表面逐渐形成一层浮渣，而在烧杯底部也积聚一层沉渣，中间层则为澄清的水，品红溶液颜色基本消失。

（8）当电解过程中产生的H2与O2使烧杯中滴有洗涤剂的水面布满气泡时，用点着的火柴靠近气泡，能听到爆鸣声，即完成“氢氧混合气爆鸣”的实验（如图3所示）。

4 结语

用电解原理制取白色Fe（OH）2，电浮选凝聚法处理污水的实验条件探究及改进方面虽已有相关研究报道。但本课题的研究特点是：