Lyijytäytekynän grafiitti elektroidina!? Seuraa kemiallisia muutoksia “kupari(II)kloridin sähkölyysissä” (ekologista mikrokokeilua!)

Olen Ken Kuwako, tiedekouluttaja. Joka päivä on koe.

Mitä teille tulee mieleen, kun puhutaan luonnontieteen kokeista? Ehkä ajattelette riveittäin aseteltuja dekantterilaseja ja erlenmeyerpulloja, sekä monia vaikean näköisiä kemikaaleja… Mutta itse asiassa on olemassa tapa, jolla päästään tieteen ytimeen helpommin ja ympäristöystävällisemmin.

Tänään esittelen teille yläkoulun luonnontieteistä tutun ilmiön, kupari(II)kloridin elektrolyysin, joka suoritetaan käyttämällä hämmästyttävän pientä koevälinettä ( #mikrolevy ) – tämä on #mikroskaalakoe. Tämä ei ole vain sähkön johtamista. Kaunis sininen liuos muuttuu ”läpinäkyväksi”, ja esiin tulee ”metalli”, jota ei pitäisi näkyä… Voit seurata tätä maagista kemiallista muutosta aivan silmiesi edessä!

Pienen laboratorion, ”mikroskaalan”, viehätys

Tekemämme #mikroskaalakoe on menetelmä, jota käytettiin jo koulussa, jossa olin aiemmin töissä. Koska kemikaalien ja veden määrä pidetään minimissä, kokeen jälkeen syntyvän ”jätenesteen” määrää voidaan vähentää dramaattisesti. Suurin etu on se, että kokeesta nauttiminen on turvallista, ja valmistelevat toimet sekä siivoaminen ovat helppoja, samalla kun huomioidaan ympäristöä.

Juuri pienen skaalan takia muutokset ilmestyvät nopeasti, mikä tekee niistä täydellisiä havainnointiin. Jos haluat tietää enemmän mikroskaalakokeista, tutustu tähän artikkeliin. Siinä kerrotaan yksityiskohtaisesti kokeesta ja siitä, kuinka kuparikloridiliuos valmistetaan.

Tästä artikkelista löytyy yksityiskohtaista tietoa mikroskaalakokeista

Tässä on kuva todellisesta kokeesta. Katso ensin video!

Kokeen valmistelu ja ”ahaa!”-niksit

Kokeessa käytettävä kupari(II)kloridiliuos on sinistä nestettä. Luonnontieteellisissä kokeissa kemikaalit valmistetaan laskemalla tarkasti niiden pitoisuus.

【10 % kupari(II)klorididihydraattiliuoksen valmistusmenetelmä】

Kupari(II)klorididihydraatti CuCl2・2H2O Kaava massa = 170.48

Kun valmistetaan 10 % liuos, punnitaan määrä, joka vastaa 10 g ilman hydraattivettä. Koska CuCl2 = 63.5 + 35 × 2 = 133.5 ja 2H2O = 2 × 18 = 36,

Siksi lisätään 13 g kupari(II)klorididihydraattikiteitä veteen, jotta liuos painaa 100 g.

Tässä tuli esiin hieman erikoislaskentaa, joka on tarpeen, kun liuoksessa on ”hydraattivettä” (kiteeseen sitoutunutta vettä). Onneksi, tähän kokeeseen kuparikloridin pitoisuus voi olla matalampikin (3 prosenttia on riittävä). Artikkelissa puhutaan 4 cm³ per solu (koekolo), mutta vertailun vuoksi valmistin myös 1 cm³ liuoksen.

Muuten, jos koulu suorittaisi kokeen 10 ryhmässä (4 hengen ryhmät, eli 40 oppilasta), tarvittaisiin vain 1 ryhmäannos (4 cm³) × 10 = 40 cm³. Neljälle luokalle yhteensä tarvittaisiin vain 160 cm³ (noin 1/6 maitopurkista). Aika ekologista, eikö?

(Valmistin tällä kertaa hieman enemmän, koska halusin suorittaa myös vertailukokeita)

Koejärjestely ja turvallisuusniksit

Kokeen suorittaminen on yksinkertaista.

1. Laita kupari(II)klorididihydraattiliuos soluun.
2. Aseta hiilisauvaelektrodit paikalleen ja syötä 5V tasajännite.
3. Tarkkaile muutoksia anodilla (+napa) ja katodilla (-napa).
4. Tutki anodilla ja katodilla syntyneitä aineita.

Tässä on mielenkiintoinen kikka. Elektrodina käytettävä hiilisauva voidaan korvata niinkin erikoisella asialla kuin paksulla 2 mm:n lyijytäytekynän lyijyllä!

2 mm:n lyijytäytekynän lyijyt

ノック式鉛筆替芯 2B 2mm 12本入 たくみ 7787 Hinta: 442 jeniä (sis. verot, ei sis. toimituskuluja) (Tilanne 2022/10/16) Osta Rakutenista

Lyijytäytekynän lyijy on valmistettu samasta aineesta kuin lyijykynän lyijy – hiilestä, ja se johtaa sähköä hyvin.

Tärkeää tässä on kuitenkin ”oikosulun estäminen”. Jos positiivinen ja negatiivinen napa koskettavat toisiaan liuoksessa, sähkö kulkee elektrodien välillä suoraan (oikosulku), eikä elektrolyysiä voida suorittaa oikein. Se on erittäin vaarallista. Siksi tein pienistä styroksin palasista jalustan elektrodien kiinnittämiseksi.

Vaikka styroksia ei olisi, on tärkeää avata elektrodit ”kahdeksikon muotoon” ja varoa ehdottomasti, etteivät ne kosketa toisiaan.

Piiri järjestettiin tällä tavalla, jotta kaksi koetta voidaan suorittaa samanaikaisesti yhdestä virtalähteestä. Jännite on 5 V.

Aloitetaan koe! Sininen liuos muuttuu täysin

Kiinnitetään elektrodit ja aloitetaan elektrolyysi!

Kun liuosta tarkkailee tiiviisti… muutos on havaittavissa heti. Katodille (–napa) alkaa kerääntyä ruskehtavaa ainetta. Ja anodilla (+napa) alkaa muodostua pieniä kuplia.

Kun jännitettä syötetään vielä noin kymmenen minuuttia… liuoksen niin kirkas sininen väri on kadonnut kokonaan ja muuttunut läpinäkyväksi! (*Voit käyttää noin 9 V jännitettä ajan lyhentämiseksi, mutta silloin on oltava vielä varovaisempi oikosulun suhteen!)

Mysteeri ratkeaa: Kadonneen ”sinisen” ja ilmestyneiden ”kuplien” todellinen luonne

Jatketaan tämän kummallisen muutoksen syyn selvittämistä. Ensinnäkin, liuoksen ”sininen väri” johtuu kupari-ioneista (Cu²⁺). Kun kupari(II)kloridi (CuCl₂) liukenee veteen, se hajoaa kupari-ioneiksi (Cu²⁺) ja kloridi-ioneiksi (Cl^–).

【Muutos katodilla (–napa)】

Katodille (–napa) hakeutuu positiivisesti varautunut kupari-ioni (Cu²⁺). Se vastaanottaa virtalähteestä tulevan elektronin (e^–) ja muuttuu sähköisesti neutraaliksi kuparimetalli-atomiksi (Cu). Tämä on se ruskea aine, joka tarttui elektrodiin! Koska siniset ”kupari-ionit” muuttuivat liuoksessa yhä enemmän ”kuparimetalliksi”, liuoksen väri katosi ja siitä tuli läpinäkyvä.

【Muutos anodilla (+napa)】 Anodille (+napa) hakeutuu negatiivisesti varautunut kloridi-ioni (Cl^–). Se menettää elektronin (e^–) ja muuttuu kloorikaasuksi (Cl₂). Ne pienet kuplat olivat siis klooria, joka tunnetaan uima-altaiden desinfiointiaineen hajusta!

Kloorilla on ”valkaiseva vaikutus”, eli se kykenee poistamaan värejä. Pyysin oppilaita kokeilemaan kloorin tunnistamista vapaasti. Osa ryhmistä testasi värireaktion asettamalla anodin lähelle suodatinpaperin, johon oli tiputettu vesiliukoista (punaista) mustetta. Osa kasti suodatinpaperin liuokseen, ja osa laittoi viereiseen soluun vettä ja mustetta ohjatakseen kuplat sinne. Menetelmiä oli monia.

Vesiliukoisen musteen lisäksi huomasimme, että vihreän huomiokynän käyttäminen teki värimuutoksesta erittäin selkeän! Tämäkin oli mielenkiintoinen löytö.

Tieteen laajenevat yhteydet

Koe ei pääty tähän. Katodille (–napa) tarttunutta kuparia voi hioa lusikalla suodatinpaperin päällä, ja se alkaa hehkua kirkkaalla metallin kiillolla. Lisäksi yksi ryhmä käytti kaasupoltinta liuoksen ja tarttuneen kuparin polttamiseen ja tarkisti ”liekin värireaktion”.

Kupari palaa liekissä sinivihreällä värillä. Tämä on sama periaate, jota käytetään ilotulitteiden värien luomiseen. Erilaisten menetelmien avulla varmistetaan, että itse erotettu aine on todella kuparia… Se on tieteen todellinen hienous. Sen sijaan, että vain muistetaan sana ”elektrolyysi”, kemian mielenkiintoisuus syvenee, kun koetaan hetki, jolloin aineet muuttuvat silmien edessä, värit katoavat ja uusia aineita syntyy. Se on todella hauska koe, jossa tehdään monia löytöjä. Ostin myös tämän kirjan mikroskaalakokeista.

Tiedustelut ja pyynnöt

Tuo tieteen ihmeet ja mielenkiintoisuus lähemmäksi! Olen koonnut selkeästi hauskoja kokeita, jotka voi tehdä kotona, ja vinkkejä niiden suorittamiseen. Kokeile hakea lisää! ・Tietoa ylläpitäjä Ken Kuwakosta löytyy täältä ・Erilaiset pyynnöt (kirjoittaminen, luennot, kokeelliset luokat, TV-konsultaatiot, esiintymiset jne.) täältä ・Artikkelipäivitykset lähetetään X:ssä!

Tieteen Aiheiden Kanava julkaisee koevideoita!