在液体薄膜中进行高锰酸根离子电迁移的研究

2017-11-14林娜吴民生

化学教学 2017年10期

林娜+吴民生

摘要：高锰酸根离子因其紫红色常作为离子迁移实验的试剂，但用滤纸或琼脂作为载体的实验中有严重的变色或褪色现象。使用生物盖玻片可以制作厚度约0.15 mm的液体导电薄膜，在该膜层中进行高锰酸根离子电迁移实验，有效排除了液体流动性和其他实验载体对实验的干扰，实验现象明显，且无变色现象。研究发现使用石墨作电极、0.5% KNO3溶液作导电液、较高电压（30V）和较大电流（5A）条件下离子迁移速度较快。解释了滤纸作为载体时出现褐色色块的原因。

关键词：高锰酸根；离子电迁移；液体薄膜；超薄生物盖玻片；实验探究

文章编号：1005–6629（2017）10–0069–03 中图分类号：G633.8 文献标识码：B

上海市高级中学课本《化学》（高中一年级第二学期试用本）“电解质在通电条件下的变化”中描述，电解质在接通直流电后，带正电荷的离子向阴极运动，带负电荷的离子向阳极运动。演示离子在电场中作定向运动的理想试剂是紫红色的MnO4-离子，我们采用倪正龙[1]和王向坤[2]等介绍的方法进行实验的过程中发现用滤纸作为实验载体时，通电一段时间后，白色的滤纸上出现两种颜色的离子迁移块，前面一小块是紫红色，且随实验时间的延长而变小；其后是褐色（边缘带绿色）的色块，目测结果显示两色块运动速度有明显差异，褐色色块的速度约为紫红色色块的二分之一（如图1所示）。停止通电几分钟后所有紫红色色块都变为褐色。

1 实验部分

1.1 实验用品及制作

150×150mm玻璃片1块；24×50mm（每100盖玻片厚13～16mm）生物盖玻片2块；生物载玻片（裁制成35mm长备用）；UTP3315TFL经济型直流稳压电源（0～30V，0～5A）；KNO3溶液、KMnO4固体、凡士林

石墨电极座的制作：在一块30×60×3mm的有机玻璃板上开两个直径4mm的圆孔，孔距45mm，取两根φ4mm长80mm的石墨棒插入圆孔中，一端伸出有机玻璃板10mm，用玻璃胶固定，伸出的部分用于连接电源导线。如图3所示。

1.2 组装实验装置

将150×150mm的玻璃片平放在实验台上，取2块24×50mm的生物盖玻片，在一面涂少许凡士林，涂凡士林的一面朝下放在玻璃片上，轻压，两块盖玻片相距5mm平行放置，如图4所示。在两块盖玻片形成的5mm间隔两端涂少许凡士林，起阻隔溶液防止流出的作用。

在两块盖玻片之间形成的5mm宽的区域中间滴加2滴KNO3溶液，将预先裁制的长35mm生物载玻片小心地盖在两组盖玻片中间，载玻片下不能有气泡，小心压实。将制作好的石墨电极座放在玻璃片上，使石墨电极正好接触溶液，如图5所示。

1.3 实验操作

取少许高锰酸钾固体洒在干燥的滤纸上，取一张滤纸，用剪刀剪成锐角很尖的长三角形（如图6所示），尖端用水湿润，将湿润的滤纸尖端靠近细小的高锰酸钾颗粒，吸住一小粒高锰酸钾固体颗粒，小心放在阴极区石墨棒内侧（见图5），连接导线，打开直流电源，观察实验现象。

1.4 实验现象

接通电源后，紫红色的高锰酸根离子向阳极运动，约3分钟后，紫红色色块的运动距离约20mm，紫红色鲜艳均匀，不变色。

2 问题讨论

2.1 液体薄膜导电层的优势

我们利用超薄的生物盖玻片（每100片13～16mm厚）作为隔层，制作出厚度约为0.15mm的液体薄膜作为导电层，使MnO4-离子在薄膜层中运动，排除了液体流动性对实验的干扰，不会出现用滤纸作实验载体时的变色现象。同时，离子的迁移速度与电流密度成正比，在电流强度一定的条件下，截面积非常小的液体薄膜层，能有效地增大电流密度，加快离子迁移速度。制作过程中使用凡士林的作用有二：其一，增强玻璃之间的粘合作用，防止实验过程中盖玻片移位；其二，利用其疏水性，抑制导电液溢出而影响实验。将两电极放在载玻片的两端并露置在薄膜导电层外，其优点是通电过程中电极上产生的气体不会使薄膜层内的液体出现流动现象。采用直接添加固体样品而不采用滴加液体样品的原因是滴加液体样品会使薄层两端液面出现高度差，层内液体产生流动现象，且流动方向正好与离子迁移方向相同，严重干扰离子的运动。

2.2 使用滤纸作为实验载体时出现的变色问题

2.4 导电介质浓度对迁移速度的影响

我们选择不同浓度的KNO3溶液作为导电介质进行实验，发现浓度对高锰酸根离子迁移速度有较大影响。分别选用0.1%、0.5%、1%、5%、10%、饱和溶液等六组不同浓度的KNO3溶液，在相同条件下进行实验，发现浓度过大或过小，离子迁移速度都变慢，KNO3浓度在0.5%～1%时，离子迁移速度相对较快。

2.5 电流强度和电压高低对迁移速度的影响

为验证电流强度和电压高低对高锰酸根离子迁移速度的影响，我们选择可调稳压恒流直流电源进行实验，实验结果见表1。不难看出，在其他条件相同时，增强电流强度和增大电压均可加快离子迁移速度，其中电压对离子迁移速度影响相对更大。我们使用30V电压和电流强度为5A进行实验时，离子迁移速度较快。使用更高电流强度进行实验时，导电液有發热现象，因而不建议选用更大电流强度进行实验。