[电化学实验]高锰酸根的阴极还原
aeris2012/06/08化学 IP:江苏
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[引言]
通常认为,电解池中当使用惰性电极时,一般总是阳离子在阴极得到电子被还原,而阴离子在阳极放出电子被氧化。但实际上,具有氧化性的阴离子也可以在阴极被还原,而具有还原性的阳离子也可以在阳极被氧化,尽管相对而言不是很容易。除此之外,不带电的分子,也可以在阴阳极上发生化学反应。当然,这不在本实验的范围内。

[实验目的]
定性验证电解高锰酸钾溶液时,高锰酸根(MnO4-)在阴极的还原。

[仪器设备]
使用的设备
  • 蓄电池充电电源(60V5A可调式)1台
  • DT-830B数字式万用表1台
  • 导线4根(双端U型片,红、黑色各1根,一端U型片一端鳄鱼夹,红、黑色各1根)
  • 闸刀1台
  • 烧杯一只(洗刷麻烦,改用白色一次性纸杯代替,因白色还方便观察)
  • 石墨电极2只
使用的药品
  • 高锰酸钾1000微克(没有这么精确的称量用具,目测。小米粒大小)
  • 纯净水50毫升左右(大概,未精确量取)



[实验原理]
高锰酸钾溶于水电离出K+和MnO4-,加上水本身电离的H+和OH-。这是溶液中4种主要存在的离子。当通电时,阳极和阴极上分别发生氧化还原反应。在阳极上,H2O或OH-放电氧化而生成O2,发生的主要反应为:

4OH- - 4e- = 2H2O + O2
2H2O - 2e- = O2 + 4H+

而MnO4-通常认为不会放电。在阴极上,可能发生的反应有以下两类:
1. 水的还原反应

2H+ + 2e- = H2
2H2O + 2e- = H2 + 2OH-

2. 高锰酸根的还原反应
当极化电压很高时,在阴极上可以发生各种还原反应。由于中性和碱性环境中Mn(IV)是最稳定的形式,因此主要发生的反应是:

MnO4- + 2H2O + 3e- = MnO2 + 4OH-

这个反应会生成棕色不溶于水的MnO2,同时高锰酸钾的紫色会褪去。此外,高锰酸根还可能被还原为Mn(VI),Mn(III),Mn(II)甚至Mn(0),但是它们或者歧化(6价和3价的)或者不稳定,易被空气中的氧氧化(2价和0价),最终都会转换为Mn(IV)。

[实验内容]
配置KMnO4稀溶液,并使用石墨电极进行电解,观察到阳极上放出氧气,而阴极上放出氢气的同时,附近溶液的紫色变淡并生成棕色不溶于水的物质。

[实验步骤]
1.      将极少量高锰酸钾溶于水配置成稀高锰酸钾溶液。
2.      连接好电源、电闸,使用鳄鱼夹夹住电极放置于溶液中,打开电源,合上电闸开始电解。阴极和阳极均冒出气泡。
3.      约30分钟后观察到阴极区溶液紫色变淡,同时有不溶于水的棕黄色物质生成。
4.      60分钟后观察,此时现象更明显,阴极区甚至出现了无色区域。
5.      拉开闸刀,关闭电源,拆除试验装置,处理废液。

一些说明:
1.      红色线和红色电夹接电源正极,黑色则接负极。这样能方便地区分电解池的阴极和阳极。
2.      实验使用电压为60.7V,由于溶液极其稀薄,导电能力差,故电流很微弱(不到100mA)。

[实验结果与讨论]
实验观察到阴极区的高锰酸钾被还原,并生成了黄棕色的二氧化锰。
高锰酸根离子由于带负电荷,在电场作用下会移动向阳极,然而溶液中离子除了有定向移动外,还有自由扩散。如果高锰酸根离子经过扩散作用“撞”到了阴极上,由于其具有氧化性,仍然会得到电子从而被还原。对于阳离子,也有类似的效果。例如电解FeCl2的时候,当极化电压不高时,阳极上主要发生的是Fe2+的氧化。

[实验照片]
注意红色电夹的是阳极,另一为阴极。注意阴极附近溶液的颜色。
IMAG0040.jpg
IMAG0043.jpg
电解的电压
IMAG0045_2.jpg
+50  科创币    alex.chen7    2012/06/08 鼓励新人
+10  科创币    博丽灵梦    2012/06/08 高质量发帖
+15  科创币    eifheowvd    2012/06/08 高质量发帖
+15  科创币    五太狼    2012/06/08 高质量发帖
+10  科创币    ybwxxyy    2012/06/08 很长见识啊。
+30  科创币    zhaokenb    2012/06/08 鼓励新人
+1  科创币    爬行动物    2012/06/08 没变绿呀
+100  科创币    虎哥    2012/06/08 不错,鼓励
来自:数理化 / 化学
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