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凝胶中的微型趣味电解实验 凝胶中的微型趣味电解实验 【作者中文名】陈凯，赵钧若，张丽娜，胡应杰 南京晓庄学院化学系 《化学教育》2009年第7期 【关键词】凝胶，电解，微型化学实验 我们曾以试纸为载体设计一系列电解实验[1]，还曾用一滴紫甘蓝汁作为电解对象进行了探究[2]，在此基础上我们将电解的载体更换成了凝胶。凝胶是固-液或固-气所形成的一种分散系统[3]，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[4]。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。 在我们的实验中，分别采用生活化气息浓重的果冻和实验室常见的琼脂设计成凝胶电解载体，不仅可以表现给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、特别的现象形象地说明了电解原理。 1 果冻中的电解实验 果冻是一种深受孩子们喜爱的休闲食品，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。增稠剂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、均态等作用而添加的物质。果冻之所以能从白糖水变成粘稠的冻状，就是得益于增稠剂的功劳。增稠剂多为凝胶，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，更足以表现凝胶中化学反应现象的特征， 药品与材料： 电池（9V），2根绝缘铜导线，两个鳄鱼夹，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、加盐揉搓，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。 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 插入点击初始现象 电极附近出现红色 电极附近产生小气泡 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同 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，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” 1.3 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[4]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纯液体几乎相同，但两者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：2H2O－4e－→ 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[5]，体现了凝胶中的化学反应多为离子扩散发生的，而离子浓度存在着明显的波动现象，即离子浓度