羅云譯，鄧薇，張正豪，王銳，王東林

昭通學(xué)院化學(xué)化工學(xué)院，云南 昭通 657000

現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)發(fā)展迅速，老百姓在享受到科技帶來便利的同時(shí)，對(duì)科技知識(shí)的學(xué)習(xí)需求也越來越強(qiáng)烈?？破展ぷ饕环矫嫣岣吡巳窨萍妓仞B(yǎng)，另一方面也拉近科學(xué)研究與民眾的距離，對(duì)青少年的影響尤其深遠(yuǎn)，可以大大提高青少年的綜合素質(zhì)，強(qiáng)化青少年學(xué)科學(xué)、愛科學(xué)、用科學(xué)的興趣，培育科學(xué)精神，激發(fā)其探索科學(xué)奧秘的熱情?？破諏?shí)驗(yàn)中，化學(xué)類的實(shí)驗(yàn)相對(duì)較少，主要是因?yàn)榇蟛糠只瘜W(xué)實(shí)驗(yàn)周期較長、成本偏高、場(chǎng)地要求較嚴(yán)等原因。錫是傳統(tǒng)的“五金”——金、銀、銅、鐵、錫之一，人類使用錫的歷史可以追溯到遠(yuǎn)古時(shí)代，在現(xiàn)代社會(huì)錫金屬制品也常出現(xiàn)在我們的日常生活中，比如各種錫器和錫箔紙。錫在教學(xué)實(shí)驗(yàn)中也有一定運(yùn)用，陳紅軍等[1]用錫代替污染性強(qiáng)的鉛，將“鉛樹”生長實(shí)驗(yàn)改進(jìn)為“錫樹”生長實(shí)驗(yàn)?？紤]到錫的安全性，本小組選擇了電解錫這一簡單快捷并且現(xiàn)象突出的實(shí)驗(yàn)作為科普載體，并在此基礎(chǔ)上做了部分巧妙創(chuàng)新：第一，在實(shí)驗(yàn)裝置中加入電流方向切換裝置，通過電流方向切換開關(guān)快速轉(zhuǎn)換電流方向，讓參與者能輕松體會(huì)到電流方向與錫晶體析出方向，電流方向與陽極析出氣體及電解液pH變化的關(guān)系，便于理解化學(xué)科學(xué)中的電解原理；第二，增加普通光學(xué)顯微鏡及放大鏡，讓參與者能夠觀察到生成的錫晶體在微觀尺度上的美麗圖景；第三，增加塑封步驟，讓參與者可以動(dòng)手操作，將生成的錫晶體用AB膠塑封成產(chǎn)品留作紀(jì)念。這些巧妙的創(chuàng)新大大提升了實(shí)驗(yàn)的互動(dòng)性與趣味性，也升華了本實(shí)驗(yàn)的科普價(jià)值。同時(shí)，本實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)備簡單，成本不高，涵蓋了較多的基礎(chǔ)化學(xué)知識(shí)，也可以作為大學(xué)普通化學(xué)課程中的一個(gè)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目或高中生的探究實(shí)驗(yàn)。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)原理

本實(shí)驗(yàn)裝置原理為亞錫離子在通電條件下電解生成錫單質(zhì)，電解池的陰極反應(yīng)：Sn2++ 2e-= Sn↓，通過錫的電解實(shí)驗(yàn)可以清楚看到錫晶體的生長。實(shí)驗(yàn)時(shí)，電解裝置中增加了電流方向切換開關(guān)及指示電流方向的LED燈(實(shí)驗(yàn)裝置原理如圖1所示)，同時(shí)還增加了錫晶體的觀察環(huán)節(jié)和錫晶體的塑封環(huán)節(jié)，提升了實(shí)驗(yàn)的趣味性與互動(dòng)性。

圖1 電解錫實(shí)驗(yàn)裝置原理圖

1.2 試劑

氫氧化鈉、氫氧化鉀、硫酸鉀、酚酞、硫酸、氯化亞錫等均為分析純，購自國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司；瓊脂，生化試劑，購自國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司；AB膠(購自本地商超)。

1.3 儀器

直流穩(wěn)壓電源(蘇州達(dá)海申電子科技有限公司)、顯微鏡(上海光學(xué)一廠)、電流方向切換裝置(本小組設(shè)計(jì))、V型電解池(本小組設(shè)計(jì))、LED燈(購自本地商超，工作電壓12 V)、電子分析天平(邢臺(tái)智冠機(jī)械科技有限公司)等。

1.4 實(shí)驗(yàn)步驟與現(xiàn)象

1.4.1 配制電解液

為保證參與實(shí)驗(yàn)人員的安全，電解液需要工作人員提前配制，或者批量生產(chǎn)后預(yù)裝，因此參與者在實(shí)驗(yàn)互動(dòng)過程中不會(huì)接觸到氫氧化鈉、硫酸等實(shí)驗(yàn)室試劑。如將本實(shí)驗(yàn)引入為教學(xué)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，可將電解液的配制作為一個(gè)重要的實(shí)驗(yàn)條件探究環(huán)節(jié)。

(1) 陰極電解液。

為了獲得最佳的實(shí)驗(yàn)效果，以錫晶體生長速度和生長形狀為判斷標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)陰極電解液配制的最佳條件進(jìn)行了探究。

SnCl2在中性或堿性條件下會(huì)水解，產(chǎn)生白色堿式氯化亞錫沉淀。根據(jù)查找資料及預(yù)實(shí)驗(yàn)，確定了以氫氧化鈉、硫酸、氯化亞錫為原料配制電解液。采用1 mol·L-1氫氧化鈉溶液10 mL，3 mol·L-1硫酸溶液10 mL混合得到基礎(chǔ)溶液20 mL，分別加入1、2、3、4、5 g氯化亞錫，考察不同濃度氯化亞錫對(duì)電解現(xiàn)象的影響，其中電解電壓固定為8 V，電解時(shí)間2 min，所得現(xiàn)象如圖2所示。

圖2 不同濃度氯化亞錫對(duì)電解現(xiàn)象的影響

由圖2可知，隨著氯化亞錫的濃度升高，錫晶體析出的速度越來越快。圖2A中錫晶體長勢(shì)過于緩慢，如果用于實(shí)驗(yàn)，參與者很難有耐心繼續(xù)下一步操作；圖2B中錫晶體長勢(shì)稍快，但是晶體連成大片，美觀度不足；圖2C中錫晶體增長速度適中，長出的晶體也較為美觀；圖2D中錫晶體生長速度較快但析出的錫晶體的形狀成塊狀，碎片較多；圖2E中錫晶體生長速度最快，電解結(jié)束后晶體呈現(xiàn)細(xì)碎針狀。由實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象可知，20 mL電解液中加入3 g氯化亞錫為較好的氯化亞錫濃度。隨著氯化亞錫濃度的增加，電解液離子強(qiáng)度增加，電阻減小，電解電流相應(yīng)增大，生成錫晶體的速度加快。晶體生長速度過慢，不利于參與者的體驗(yàn)，速度過快，生成的錫晶體結(jié)構(gòu)比較疏松，容易發(fā)生斷裂，不利于大晶體的產(chǎn)生，所以選擇20 mL電解液中加入3 g氯化亞錫為最優(yōu)條件。

由圖3可知，當(dāng)硫酸濃度為0.5 mol·L-1(圖3A1)時(shí)候，電解液出現(xiàn)白色渾濁現(xiàn)象，此時(shí)溶液pH接近中性，氯化亞錫在中性環(huán)境中發(fā)生了水解，不適合做電解。對(duì)比圖3B1至3E1可以看出，圖3D1的晶體形態(tài)比較美觀，此時(shí)加入硫酸濃度為3 mol·L-1，超過這個(gè)濃度晶體的生長速度減緩，意味著并不是電解液的酸度越高晶體生成速度越快，所以選取硫酸濃度為3 mol·L-1。

圖3 加入不同濃度硫酸對(duì)電解現(xiàn)象的影響

(2) 陽極電解液。

取40 mL飽和硫酸鉀溶液，滴加一滴酚酞指示劑，用1 mol·L-1氫氧化鉀溶液，調(diào)節(jié)pH至8-9，溶液由無色變?yōu)榧t色，得到陽極電解液。

1.4.2 電解

本步驟為體驗(yàn)的主要環(huán)節(jié)之一。打開電源， 參與者可以欣賞到錫晶體快速生長的美觀場(chǎng)景。將電解液倒入培養(yǎng)皿中，兩個(gè)電極夾住培養(yǎng)皿邊緣，電極浸入電解液。調(diào)節(jié)直流電源電壓至電解電壓，漂亮的錫晶體陰極開始析出。電解電壓是錫晶體形成的重要影響因素之一。將3 g氯化亞錫加入體積比為1 : 1的1 mol·L-1氫氧化鈉和3 mol·L-1硫酸混合溶液中，溶解得到電解液，測(cè)試不同電壓條件下錫晶體的生長情況(圖4)。

圖4 不同電解電壓對(duì)電解現(xiàn)象的影響

不同的電壓條件下，晶體生長情況明顯不同。圖4A2和圖4B2由于電壓較小，晶體生長緩慢，圖4C2晶體形態(tài)相對(duì)較好，圖4D2和圖4E2晶體析出太快，晶形不夠美觀，因此選取8 V為電解電壓。

通過電流方向轉(zhuǎn)換裝置，撥動(dòng)開關(guān)改變電流方向(電流方向轉(zhuǎn)換裝置的電路原理如圖5所示)，即可看見原來的錫晶體逐漸消融，溶液顏色又由無色變?yōu)榧t色。此外，參與者還可以發(fā)揮想象力，往培養(yǎng)皿中加入各種形狀的金屬模具(圖6)，觀察電解后生長出不同形狀的錫晶體。

圖5 電流方向轉(zhuǎn)換裝置示意圖

圖6 放入金屬模具的錫晶體生長狀況

為了使參與者了解更多的化學(xué)知識(shí)，在原來電解實(shí)驗(yàn)裝置的基礎(chǔ)上增設(shè)了V型電解池，通過鹽橋(由飽和硫酸鉀與瓊脂制備而成)與原培養(yǎng)皿相連(實(shí)驗(yàn)裝置如圖7所示)。

圖7 帶V型電解池的實(shí)驗(yàn)裝置圖

將陽極電解液(配制過程見1.4.1 (2))倒入V型電解池中，接通電源進(jìn)行電解。當(dāng)惰性電極連接直流電源正極時(shí)，參與者可以看見培養(yǎng)皿中析出錫晶體，此時(shí)培養(yǎng)皿處電極為陰極，反應(yīng)為：

而惰性電極為陽極，在惰性電極處產(chǎn)生大量氧氣，由于浮力作用氣體聚集于V型電解池的右邊玻璃管中；同時(shí)電解液由紅色逐漸褪為無色，說明溶液pH變小(酚酞指示酸堿度)。當(dāng)收集到足夠氧氣時(shí)，參與者可以將帶火星的火柴棍靠近氣嘴，打開排氣閥，氣體在左側(cè)玻璃管中水的壓力下向外排出，從而使火星的火柴棍復(fù)燃，可以了解氧氣的助燃性質(zhì)。此時(shí)電解池陽極反應(yīng)為：

V型電解池(陽極)的反應(yīng)現(xiàn)象如圖8所示。

圖8 溶液紅色消退、產(chǎn)生氧氣及氧氣使木條復(fù)燃

撥動(dòng)電流方向切換開關(guān)，改變電流方向，原來的陰極變成陽極，可以看到之前培養(yǎng)皿中生成的錫晶體逐漸消融(因本步驟實(shí)驗(yàn)過程中有氫氣產(chǎn)生，如作為科普實(shí)驗(yàn)，出于安全考慮，建議去掉電流方向切換裝置，省略此步驟，或者在專業(yè)工作人員指導(dǎo)下進(jìn)行；如作為教學(xué)實(shí)驗(yàn)，可包含此實(shí)驗(yàn)步驟，教師對(duì)實(shí)驗(yàn)安全做出提醒，避免氫氣產(chǎn)生過量)。反應(yīng)方程式為：

原來的陽極變成了陰極，產(chǎn)生大量氫氣，溶液pH增大，溶液又由無色變成紅色(圖8)。此時(shí)的陰極反應(yīng)式為：

V型電解池(陰極)的反應(yīng)現(xiàn)象如圖9所示。

圖9 溶液由無色恢復(fù)為紅色、產(chǎn)生氫氣

1.4.3 顯微鏡和放大鏡觀察

通過顯微鏡放大80倍以上可清晰地觀察到錫晶體微觀結(jié)構(gòu)，錫晶體內(nèi)部排列均勻有序，錯(cuò)落有致，而放大鏡下的錫晶體也別具風(fēng)格(圖10)。

圖10 顯微鏡(上圖)和放大鏡(下圖)下的錫晶體形貌

1.4.4 塑封

在模具中電解錫，電解后用移液槍(或吸管等簡易裝置)吸去電解液，吸取過程中應(yīng)注意盡可能地保持錫晶體的完整，確保美觀。用量杯量取A膠和B膠體積比為2.5 : 1的AB膠混合液20 mL，倒入模具中，待AB膠完全凝固硬化，就可以得到晶瑩剔透的錫晶體塑封成品(圖11)。

圖11 塑封成品

2 科普展示和互動(dòng)方案

本實(shí)驗(yàn)參與度高、互動(dòng)性強(qiáng)、場(chǎng)景美觀，所用試劑也都綠色安全，非常適合化學(xué)知識(shí)的科普。主要的互動(dòng)方案有以下7個(gè)：

(1) 參與者在電解時(shí)可以觀察錫晶體生長；

(2) 可以發(fā)揮自己的創(chuàng)造力，通過改變電極方向、加入不同形狀的金屬模具等方法控制晶體的生長情況；

(3) 可以通過顯微鏡和放大鏡便捷地觀察錫晶體在微觀下的美麗形態(tài)；

(4) 可以直觀體驗(yàn)電流方向?qū)﹄姌O反應(yīng)的影響；

(5) 可以體驗(yàn)氧氣的性質(zhì)；

(6) 可以體驗(yàn)酸堿指示劑的性質(zhì)；

(7) 通過塑封錫晶體的過程，參與者可以體會(huì)到制作的樂趣，漂亮的成品還可以長期保存，具有較強(qiáng)紀(jì)念意義。

3 結(jié)語

通過本實(shí)驗(yàn)，讓非專業(yè)人士也能輕松體驗(yàn)化學(xué)的樂趣，領(lǐng)略科學(xué)的魅力。本實(shí)驗(yàn)綠色無污染，成本低廉，儀器常規(guī)普遍，實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地要求低，實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象十分震撼，可以給參與者留下深刻印象，塑封成品，留住錫晶體的美麗瞬間。因此本實(shí)驗(yàn)具有較高的科普意義和社會(huì)價(jià)值，值得教學(xué)、科普機(jī)構(gòu)推廣使用。

經(jīng)典實(shí)驗(yàn)就是教學(xué)生學(xué)思想、學(xué)方法[2]。本實(shí)驗(yàn)結(jié)合了較多的基本化學(xué)原理與知識(shí)，也可以納入大學(xué)普通化學(xué)的基礎(chǔ)化學(xué)實(shí)驗(yàn)課程中，通過本實(shí)驗(yàn)，學(xué)生既能提高對(duì)化學(xué)學(xué)科的興趣，又能提高動(dòng)手能力，培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新的意識(shí)。

4 特點(diǎn)/特色/創(chuàng)新性聲明

(1) 實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象漂亮、場(chǎng)景震撼，令人印象深刻；

(2) 綜合了較多的化學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)，包括亞錫離子的電解、電解與電流的關(guān)系、酸堿指示劑的使用及氧氣、氫氣的性質(zhì)等，適合作為大學(xué)普通化學(xué)課程中的一個(gè)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目或高中生的探究實(shí)驗(yàn)；

(3) 創(chuàng)新性地設(shè)計(jì)了電流方向切換裝置、V型電解池；

(4) 設(shè)備簡單便捷，成本低廉，占用場(chǎng)地小，使用試劑綠色安全，非常適合化學(xué)知識(shí)的科普。