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1、在凝胶中的趣味电解实验在凝胶中的趣味电解实验摘要 分别采用果冻和琼脂作为凝胶载体设计成微型电解实验，探究电解过程中两极发生现象的原理。关键词 凝胶 电解 微型化学实验凝胶是固-液或固-气所形成的一种分散系统1，其中分散相粒子通过氢键、疏水相互作用、范德华引力、离子桥接、缠结或共价键等相互作用连接而成的连续的三维网，网中充满了大量的连续液相，好似一块海绵，使得凝胶既具有固体性质，也具有液体性质。但它不像连续液体那样完全具有流动性，也不像有序固体具有明显的刚性，而是一种能保持一定形状、可显著抵抗外界应力作用，具有黏性液体某些特性的黏弹性半固体2。利用凝胶的特殊结构，可作为介质进行化学反应，它将大大
2、延缓反应的进程，因而可以得到大晶体，例如在硅凝胶体系中生长碳酸钙晶体3和KClO4晶体4、在琼脂凝胶体系中生长草酸钙晶体5；又因产物与反应物各固定相似一方而不混合，故可利用来研究化学反应之机理，硅酸凝胶、白明胶及碱式碳酸铜凝胶中的化学反应都是文献中的经典案例6。我们曾以一滴试液7和试纸8为载体分别设计一系列电解实验，在此基础上将电解的载体更换成了凝胶设计成适合中学生的探究实验，分别采用了生活化气息浓重的果冻和实验室常见的琼脂。为了让凝胶中的电解现象更加明显，需要通过指示剂的添加使两极的电解变化过程得以表现。我们的实验不仅表现凝胶类物质通电反应现象与普通电解质溶液通电现象类似，更以有趣、特别的现
3、象表现出电解原理。1 1 果冻中的电解实验果冻中的电解实验果冻是一种深受中学生喜爱的休闲食品，它是用水添加增稠剂、蔗糖、酸度调节剂、香料、山梨酸钾等加工而成。果冻之所以能从白糖水变成粘稠的冻状，主要得益于凝胶增稠剂的功劳，凝胶在食品中应用极为广泛，能够使食品的黏稠度提高，并兼有定型、均态等作用。我们采用了天然紫甘蓝汁液浸泡果冻，使其具备遇酸碱变色的能力，以表现凝胶中化学反应现象的特征，1.11.1 药品与材料：药品与材料：电池（9V） ，绝缘铜导线，鳄鱼夹，全活动铅笔专用笔芯（HB，0.7，截断为 2cm 长） ，烧杯， “喜之郎”果冻（条形） ，紫甘蓝，蒸馏水。实验前我们将紫甘蓝叶片捣烂、揉
4、搓，放入榨汁机或用布把汁液挤出来，得到了较高浓度紫甘蓝汁。将“喜之郎”长条形的果冻浸没于紫甘蓝汁中半小时，即可使果冻通体呈现紫色。1.21.2 实验过程与现象：实验过程与现象：用连接导线的鳄鱼夹各夹住一根铅笔芯电极，将电极一端插入果冻中，当导线分别与电池两极相连，片刻后即可见到现象，随着通电时间加长，记录现象如表 1 所列。表 1 紫甘蓝汁液浸泡过的果冻电解实验现象通电时间阳极现象阴极现象插入电极初始现象电极附近出现红色电极附近产生微小气泡1min 后红色面积扩大，并产生小气泡电极附近呈现绿色，面积与阳极红色大致相当30min 后红色呈现面积明显扩大绿色呈现面积明显扩大1h 后果冻两端完全变色
5、，阳极红色，阴极深绿色，而果冻中间为紫甘蓝汁原有的紫色，形成了有趣的“三色彩条”1.31.3 讨论与思考：讨论与思考：（1）果冻中水分较多，虽然凝胶中无对流存在，但依靠扩散仍然可以进行化学反应，与固相反应相比，凝胶中的化学反应更容易进行。笔者认为，既然果冻中含有酸（酸度调节剂） 、盐（如山梨酸钾、海藻酸钠）溶解在凝胶中的液相中，理应产生可以自由移动的离子。通过查阅文献2可知凝胶确实具有典型的电导和扩散作用，而且在低浓度凝胶中，电导值及扩散速度与同浓度溶液几乎相同，但两种性质都随凝胶浓度的增大而减小。（2）紫甘蓝汁能作为酸碱指示剂，遇酸变红、遇碱变绿，是中学师生熟知的信息。给果冻通电时，凝胶中的
6、水发生电解，在阳极发生氧化反应，失去电子，产生氧气(逸出)与氢离子(使阳极附近的水溶液呈现酸性)，所以阳极附近溶液变红，可以用反应式表示：2H2O4e O2+ 4H+，而在阴极发生还原反应。产生氢气(逸出)与氢氧根离子(使阴极附近的水溶液呈现碱性)如： 2H2O+2e H2+2OH。电解过程中可见阴极产生气泡速率始终快于阳极，这是和电解原理理论上单位时间里产生气体物质的量相符合；两极的红色与绿色逐渐向中间扩散，形象地说明了凝胶中的化学扩散；电解足够长时间后，果冻条中间稍微靠近阴极处仍然保持紫色，证明在凝胶中的运动，氢离子迁移速率相对氢氧根离子更快4，两极生成的氢离子与氢氧根离子数量基本相等，通
7、过扩散在此处相遇反应，可恰好中和。（3）我们还在紫甘蓝汁中分别添加酸和碱，使液体变成相应的红色和绿色，再分别将果冻浸入其中“染色”。给红色的“甘蓝果冻”电解时，可发现阴极附近颜色由红到紫，再逐渐转变为黄绿色，阳极没有明显现象。而给绿色的“甘蓝果冻”电解时，发现阳极附近先产生蓝紫色色带，面积逐渐扩大，并在靠近电极处先产生了红色区域，应该是阳极附近产生大量的氢离子中和了原有的氢氧根离子；阴极附近呈现黄绿色环状色带，并最终呈现大面积的黄色，说明碱性逐渐增强。这些实验都能很好的体现电解过程中的酸碱性变化，而且两极出现的环状色带类似于著名的“里斯根环”现象，体现了凝胶中的化学反应多为离子扩散发生的，而离
8、子浓度存在着明显的波动现象，即离子浓度在扩散过程中出现了一定有规律的大小变化9。凝胶中的扩散与化学反应联系的机理还没有得到真正理论上的解决，还有待于进一步研究。2 2 琼脂中的电解实验琼脂中的电解实验2.12.1 药品与材料：药品与材料：电池（9V） ，绝缘铜导线，鳄鱼夹，铁钉（无锈，约 3cm） ，培养皿，玻璃棒，烧杯，琼脂，铁氰化钾，酚酞试液，蒸馏水。2.22.2 实验过程与现象：实验过程与现象：取 0.8g 琼脂加入 100mL 热水中，一边加热一边搅拌至琼脂完全溶解，趁热倒入培养皿中，滴加 5mL 铁氰化钾溶液（0.1molL1） ，再滴加 3mL 酚酞试液，用玻璃棒搅拌均匀，静待 5
9、 分钟以使其冷却凝结，得到一大块圆形黄绿色半透明凝胶。用连接导线的鳄鱼夹各夹住一根铁钉，将电极一端插入琼脂凝胶中，两极插入位置大致在沿培养皿直径的一条直线上。当导线分别与电池两极相连，片刻后即可见到现象，随着通电时间加长，记录现象如下：表 2 琼脂电解实验现象通电时间阳极现象阴极现象插入电极初始现象无明显现象电极附近凝胶产生一点红色1 分钟后银白色铁钉上出现少量蓝绿色附着物电极附近红色逐渐扩大1 小时后凝胶中铁钉周围有蓝色物质增多，但拓展面积不大；出现蓝色的凝胶开始出现坍塌、融化。以铁钉为中心，红色拓展为半径 1.5cm 的圆形，显示为一个同心圆，内圆半径为 1cm 左右，颜色较深，外圈呈现浅
10、红色3 小时后铁钉周围蓝色凝胶大片坍塌红色区域沿着培养皿边缘拓展成一个半圆形，但始终无法越过阳极所在的半圆区域，形成笔直的红绿分解线。2.32.3 讨论与思考：讨论与思考：（1）琼脂中的铁氰化钾与水分形成电解质溶液，当通电时，阳极铁钉发生氧化反应 FeFe2+ + 2e-，随即生成的亚铁离子与凝胶体系中Fe(CN)63-相遇反应，生成蓝色沉淀铁氰化亚铁Fe3Fe(CN)62，即为腾氏蓝，这是用来鉴定亚铁离子的反应10；阴极则发生还原反应产生 OH使酚酞变红。（2）我们在添加有酚酞的铁氰化钾的混合溶液进行电解，做对比实验进一步探究，发现出现类似现象。只是在溶液中，阴极附近的红色扩散更快，随着电解
11、的进行，红色溶液不断涌向阳极，形象地说明带负电荷的 OH在外加电场中的迁移方向。但红色的溶液靠近阴极约 0.5cm 处时，似乎被一种无形的“手”阻挡而向后方扩散，说明阳极产生的 Fe2+、H+正向阴极迁移时，消耗了 OH。（3）当在琼脂凝胶中电解时，阳极附近酸性逐渐增强，降低了凝胶的稳定性2，又由于产生的 Fe2+不断形成腾氏蓝沉淀，既破坏了周围琼脂，也造成扩散速度减缓；而凝胶内部特殊结构能阻止两极产生的有色物质快速混合11，也让阳极产生的红色类似“里斯根环”般，得以有规律地扩散。参考文献参考文献1 傅献彩，沈文霞，姚天扬等物理化学（下册）.第 5 版，北京：高等教育出版社，2006：92 江
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