林娜+吳民生

摘要：高錳酸根離子因其紫紅色常作為離子遷移實(shí)驗(yàn)的試劑，但用濾紙或瓊脂作為載體的實(shí)驗(yàn)中有嚴(yán)重的變色或褪色現(xiàn)象。使用生物蓋玻片可以制作厚度約0.15 mm的液體導(dǎo)電薄膜，在該膜層中進(jìn)行高錳酸根離子電遷移實(shí)驗(yàn)，有效排除了液體流動性和其他實(shí)驗(yàn)載體對實(shí)驗(yàn)的干擾，實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象明顯，且無變色現(xiàn)象。研究發(fā)現(xiàn)使用石墨作電極、0.5% KNO3溶液作導(dǎo)電液、較高電壓（30V）和較大電流（5A）條件下離子遷移速度較快。解釋了濾紙作為載體時(shí)出現(xiàn)褐色色塊的原因。

關(guān)鍵詞：高錳酸根；離子電遷移；液體薄膜；超薄生物蓋玻片；實(shí)驗(yàn)探究

文章編號：1005–6629（2017）10–0069–03 中圖分類號：G633.8 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B

上海市高級中學(xué)課本《化學(xué)》（高中一年級第二學(xué)期試用本）“電解質(zhì)在通電條件下的變化”中描述，電解質(zhì)在接通直流電后，帶正電荷的離子向陰極運(yùn)動，帶負(fù)電荷的離子向陽極運(yùn)動。演示離子在電場中作定向運(yùn)動的理想試劑是紫紅色的MnO4-離子，我們采用倪正龍[1]和王向坤[2]等介紹的方法進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的過程中發(fā)現(xiàn)用濾紙作為實(shí)驗(yàn)載體時(shí)，通電一段時(shí)間后，白色的濾紙上出現(xiàn)兩種顏色的離子遷移塊，前面一小塊是紫紅色，且隨實(shí)驗(yàn)時(shí)間的延長而變??；其后是褐色（邊緣帶綠色）的色塊，目測結(jié)果顯示兩色塊運(yùn)動速度有明顯差異，褐色色塊的速度約為紫紅色色塊的二分之一（如圖1所示）。停止通電幾分鐘后所有紫紅色色塊都變?yōu)楹稚?img src="https://cimg.fx361.com/images/2017/11/16/huax201710huax20171017-1-l.jpg" style=""/>

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)用品及制作

150×150mm玻璃片1塊；24×50mm（每100蓋玻片厚13～16mm）生物蓋玻片2塊；生物載玻片（裁制成35mm長備用）；UTP3315TFL經(jīng)濟(jì)型直流穩(wěn)壓電源（0～30V，0～5A）；KNO3溶液、KMnO4固體、凡士林

石墨電極座的制作：在一塊30×60×3mm的有機(jī)玻璃板上開兩個(gè)直徑4mm的圓孔，孔距45mm，取兩根φ4mm長80mm的石墨棒插入圓孔中，一端伸出有機(jī)玻璃板10mm，用玻璃膠固定，伸出的部分用于連接電源導(dǎo)線。如圖3所示。

1.2 組裝實(shí)驗(yàn)裝置

將150×150mm的玻璃片平放在實(shí)驗(yàn)臺上，取2塊24×50mm的生物蓋玻片，在一面涂少許凡士林，涂凡士林的一面朝下放在玻璃片上，輕壓，兩塊蓋玻片相距5mm平行放置，如圖4所示。在兩塊蓋玻片形成的5mm間隔兩端涂少許凡士林，起阻隔溶液防止流出的作用。

在兩塊蓋玻片之間形成的5mm寬的區(qū)域中間滴加2滴KNO3溶液，將預(yù)先裁制的長35mm生物載玻片小心地蓋在兩組蓋玻片中間，載玻片下不能有氣泡，小心壓實(shí)。將制作好的石墨電極座放在玻璃片上，使石墨電極正好接觸溶液，如圖5所示。

1.3 實(shí)驗(yàn)操作

取少許高錳酸鉀固體灑在干燥的濾紙上，取一張濾紙，用剪刀剪成銳角很尖的長三角形（如圖6所示），尖端用水濕潤，將濕潤的濾紙尖端靠近細(xì)小的高錳酸鉀顆粒，吸住一小粒高錳酸鉀固體顆粒，小心放在陰極區(qū)石墨棒內(nèi)側(cè)（見圖5），連接導(dǎo)線，打開直流電源，觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。

1.4 實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象

接通電源后，紫紅色的高錳酸根離子向陽極運(yùn)動，約3分鐘后，紫紅色色塊的運(yùn)動距離約20mm，紫紅色鮮艷均勻，不變色。

2 問題討論

2.1 液體薄膜導(dǎo)電層的優(yōu)勢

我們利用超薄的生物蓋玻片（每100片13～16mm厚）作為隔層，制作出厚度約為0.15mm的液體薄膜作為導(dǎo)電層，使MnO4-離子在薄膜層中運(yùn)動，排除了液體流動性對實(shí)驗(yàn)的干擾，不會出現(xiàn)用濾紙作實(shí)驗(yàn)載體時(shí)的變色現(xiàn)象。同時(shí)，離子的遷移速度與電流密度成正比，在電流強(qiáng)度一定的條件下，截面積非常小的液體薄膜層，能有效地增大電流密度，加快離子遷移速度。制作過程中使用凡士林的作用有二：其一，增強(qiáng)玻璃之間的粘合作用，防止實(shí)驗(yàn)過程中蓋玻片移位；其二，利用其疏水性，抑制導(dǎo)電液溢出而影響實(shí)驗(yàn)。將兩電極放在載玻片的兩端并露置在薄膜導(dǎo)電層外，其優(yōu)點(diǎn)是通電過程中電極上產(chǎn)生的氣體不會使薄膜層內(nèi)的液體出現(xiàn)流動現(xiàn)象。采用直接添加固體樣品而不采用滴加液體樣品的原因是滴加液體樣品會使薄層兩端液面出現(xiàn)高度差，層內(nèi)液體產(chǎn)生流動現(xiàn)象，且流動方向正好與離子遷移方向相同，嚴(yán)重干擾離子的運(yùn)動。

2.2 使用濾紙作為實(shí)驗(yàn)載體時(shí)出現(xiàn)的變色問題

2.4 導(dǎo)電介質(zhì)濃度對遷移速度的影響

我們選擇不同濃度的KNO3溶液作為導(dǎo)電介質(zhì)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)濃度對高錳酸根離子遷移速度有較大影響。分別選用0.1%、0.5%、1%、5%、10%、飽和溶液等六組不同濃度的KNO3溶液，在相同條件下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)濃度過大或過小，離子遷移速度都變慢，KNO3濃度在0.5%～1%時(shí)，離子遷移速度相對較快。

2.5 電流強(qiáng)度和電壓高低對遷移速度的影響

為驗(yàn)證電流強(qiáng)度和電壓高低對高錳酸根離子遷移速度的影響，我們選擇可調(diào)穩(wěn)壓恒流直流電源進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表1。不難看出，在其他條件相同時(shí)，增強(qiáng)電流強(qiáng)度和增大電壓均可加快離子遷移速度，其中電壓對離子遷移速度影響相對更大。我們使用30V電壓和電流強(qiáng)度為5A進(jìn)行實(shí)驗(yàn)時(shí)，離子遷移速度較快。使用更高電流強(qiáng)度進(jìn)行實(shí)驗(yàn)時(shí)，導(dǎo)電液有發(fā)熱現(xiàn)象，因而不建議選用更大電流強(qiáng)度進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

3 結(jié)論

以濾紙作為高錳酸根離子在外加電場作用下運(yùn)動實(shí)驗(yàn)的介質(zhì)時(shí)，因發(fā)生還原反應(yīng)而有褐色的色塊產(chǎn)生。采用厚度僅為0.15mm的0.5% KNO3液體薄膜作為導(dǎo)電介質(zhì)，用石墨作為電極進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，在30V直流電壓和5A電流強(qiáng)度時(shí)進(jìn)行高錳酸根離子電遷移實(shí)驗(yàn)時(shí)，離子遷移速度較快，紫紅色鮮艷而不變色，實(shí)驗(yàn)效果好。

該裝置演示Zn|H2SO4|Cu原電池中離子的運(yùn)動狀況，發(fā)現(xiàn)陽離子向正極作定向運(yùn)動，陰離子不作定向運(yùn)動。

參考資料：

[1]倪正龍.介紹一種離子運(yùn)動的演示實(shí)驗(yàn)的方法[J].化學(xué)教學(xué)，1991，（6）：18～19.

[2]王向坤，李躍春，耿淑玲.離子在電場中運(yùn)動的實(shí)驗(yàn)探究[J].化學(xué)教與學(xué)，2013，（6）：90～91.

[3]中華人民共和國衛(wèi)生部藥典委員會.中華人民共和國藥典（1995年版）（二部）[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社；廣州：廣東科技出版社，1995.

[4]鄧天祿.離子遷移微型實(shí)驗(yàn)的探索[J].大學(xué)化學(xué)，1992，（10）：42～44.

[5]黃應(yīng)平，黃麗萍.原電池反應(yīng)中離子運(yùn)動方式的探究[J].科教文匯（下旬刊），2009，（12）：197～205.endprint