CN2886724Y - 一种电化学实验平台 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及中学电化学实验的教学仪器，尤其是涉及一种电化学实验平台。其化学平台能满足目前中学化学中全部电化学实验要求。结构包括液槽、托架和电源，液槽为由透明绝缘材料制成的箱式槽，在液槽的两侧上沿分别设有金属导轨，导轨一端通过导线插件连接电源的正、负极。托架分为滑动极板托架和渗析槽托架。该电化学实验平台可以完成中学电化学的全部实验，包括电解水实验、电解饱和食盐水实验、电镀铜或锌实验、非金属电镀实验、化学电池系列、燃料电池、胶体电泳、电解质溶液导电性实验及海水淡化等实验。在实验中可以进行创造性的研究。效率高，现象明显，设计合理操作简便安全。

Description

一种电化学实验平台

技术领域

本实用新型涉及中学电化学实验的教学仪器，尤其是涉及一种电化学实验平台。

技术背景

目前中学化学教学中，化学能与电能转化的相关实验较多，例如：电解水实验；电解饱和食盐水(氯碱工业原理)实验；电镀实验，包括镀铜、镀锌；原电池(铜锌)；胶体电泳实验；强弱电解质导电性的实验；电渗析(海水淡化)实验等。

而提供上述实验的器材不尽理想，存在以下几方面的缺陷：

1.每个实验均需要一套专用仪器，各个实验仪器之间不能通用。

2.电能和化学能转化效率低，例如电解水、胶体电泳等重点实验均不能在较短时间内达到教学要求。

3.操作复杂，使实验时间加长，容易造成实验失败。

4.以上器材只能做验证性实验，不具备电能和化学能转化条件研究性实验的可能性，不利于创新精神的培养。

发明内容

本实用新型的目的是为了克服上述缺陷，提供一种能满足目前中学化学中全部电化学实验要求的电化学实验平台；该电化学实验平台实验操作筒便、安全；实验效率高、在较短时间内达到原实验要求；并为学生展开创造性研究提供条件。

本实用新型为解决上述技术问题所采用的技术方案是，一种电化学实验平台，包括液槽1、托架2和电源3，其特征在于：所述液槽1为由透明绝缘材料制成的箱式槽，在液槽1的两侧上沿分别设有金属导轨11，导轨11一端通过导线插件连接电源3的正、负极。

所述液槽1的侧面设有液位标识线12。

所述托架2为滑动极板托架21，该滑动极板托架21为由绝缘材料制成的U型结构，两侧各有一个挂耳211，挂耳211内衬有导电材料212，在其中一挂耳的上面设一接线柱213与导电材料212相接，所述滑动极板托架21的底部有一个凹槽214，凹槽214内嵌入极板4，极板4通过导线接在接线柱213上，滑动极板托架21通过两侧挂耳211挂在液槽1两侧金属导轨11上。

所述滑动极板托架21挂耳下方的侧面设有可置金属导电棒的槽孔215。

所述滑动极板托架21内部两侧面设有凸起的卡璜216。

所述电化学实验平台还包括用于收集气体的集气罩5，所述集气罩5由透明绝缘材料制成，呈倒置漏斗锥形，在锥体的两侧面设有多个小孔51，集气罩5下端扣在极板4上，其两个侧壁嵌插在托架21内侧的卡璜216内，锥体顶端接有带有刻度的圆柱型导管52，导管上端用橡胶塞53封口。

所述托架2为渗析槽托架22，该渗析槽托架22为平板结构，下面为与液槽导轨11配合的凹槽221，上面设一接线柱222与金属导轨11相接。

所述渗析槽托架22的上面安装有渗析槽6，所述渗析槽6包括三室槽61和紧固器62；所述三室槽61以透明绝缘材料制成，分为中间的液室613及两侧的阳极室611和阴极室612，三室相互贯通连成一体，与液室613相连处的阳极室611及阴极室612的一侧分别对应设有阳离子膜614和阴离子膜615；所述阳极室611和阴极室612内分别固定有相应的极板4，极板4通过导线与渗析槽托架22的接线柱连接；液室613、阴极室612、阳极室611、阳离子膜614和阴离子膜615之间用紧固器62紧固密封连成一整体。

在液室613的底部1/3-1/2处设有隔离板63，所述隔离板63为透明的绝缘板，其高度为15-20mm。

所述紧固器62包括固定底座621、活动压板622、紧固丝杆623及紧固螺母624，所述固定底座621为由底面和侧面组成的L型结构，其底面置于三室槽61的下面，侧面与三室槽61的一侧相靠，活动压板622置于三室槽61的另一侧，三室槽61的长度大于固定底座底面的长度，紧固丝杆623穿过固定底座621的侧面及活动压板622，在活动压板622另一侧由紧固螺母624与紧固丝杆623配合固定。

所述极板4包括石墨阳极、网状金属涂膜阳极、网状不銹钢阴极、电解铜、电解锌及燃料电池专用极板。

所述电源3的额定输出功率为100W-150W，输出电压为0V--36V，输出电流为3A--5A。

所述电源面板上置有输出电压、输出电流显示屏、电压选择开关及电流、电压检测功能开关。

本实用新型的有益效果：

1.本实用新型的电化学实验平台设计制作的仪器可以完成中学电化学的全部实验，包括电解水实验、电解饱和食盐水实验、电镀铜或锌实验、非金属电镀实验、化学电池系列、燃料电池、胶体电泳、电解质溶液导电性实验及海水淡化等实验。在实验中可以进行创造性的研究。

2.效率高，电解水实验可在30秒-1分30秒时间内完成，得到氢气、氧气体积比为2/1(20mL/10mL)。氢氧化铁胶体电泳实验在3-5分钟内完成，现象明显，更能观察到胶体移动的过程。

3.设计合理操作简便安全，开发电化学实验平台的目的已达到。

因电源具有外电路微电压、电流的检测功能，满足化学电池(原电池、燃料电池)实验的检测。输出和输入均用插件方式连接，使用安全、方便。

4.实验平台中配置的低压大电流直流电源，并设置有输出电压、电流显示装置，为控制实验条件提供必要的数据。

附图说明

图1为本实用新型滑动极板托架结构示意图；

图2为本实用新型渗析槽托架结构示意图；

图3为本实用新型集气罩结构示意图；

图4为本实用新型渗析槽结构示意图；

图5为本实用新型渗析槽中阳极室结构示意图；

图6为本实用新型液室结构示意图；

图7为本实用新型紧固器结构示意图；

图8为本实用新型图7的侧视图；

图9为本实用新型实施例1的结构示意图；

图10为本实用新型图9的侧视图；

图11为本实用新型电镀结构示意图；

图12为本实用新型实施例2电泳的结构示意图；

具体实施方式

下面结合附图，对本实用新型进行具体描述：

实施例1：探究水的组成

(一)、实验目的：通过实验知道

1.水是由哪种元素组成的物质？

2.组成水的元素原子之间比例是多少？

(二)、实验的化学原理

已知水在高温或通电情况下会发生分解反应：

我们实验室尚不可能具备高温分解水的装置，通常采用通直流电分解的方案。如果通过检验得知生成的气体分别是氢气和氧气，而且能知道氢气和氧气的体积比，就可证实水的组成。

(三)、实验仪器及材料

本实验的电化学实验平台包括液槽1、两个滑动极板托架21、电源3和两个集气罩5，参见图9、图10所示。所述液槽1由透明绝缘材料制成的矩形箱式槽，上端开口，在液槽1的两侧上沿分别置有一根金属导轨11，在液槽1侧面上印有液位标识线12，该导轨11一端通过导线插件连接电源3的正、负极；两个滑动极板托架21为由绝缘材料制成的U型结构，参见图1所示，两侧各有一个与液槽导轨11配合的挂耳211，两个滑动极板托架21通过两侧挂耳21并列挂在液槽1两侧金属导轨11上。挂耳211内衬有导电材料212，在其中一挂耳的上面设一接线柱213与挂耳211内的导电材料212相接，为连接方便及安全性的考虑，接线柱及连接插件分别有颜色标识，所述两个滑动极板托架21的接线柱213一个设定为红色，一个设定为黑色，红色接线柱接电源正极，黑色接线柱接电源负极。在滑动极板托架21的底部有一个凹槽214，在凹槽214内嵌入极板4，嵌入的极板4根据接入的电源正负极分别选用对应阳极极板和阴极极板，其中阳极极板安装在有红色接线柱的极板托架上，通过导线及导线上的红色插件与红色接线柱连接，阴极极板安装在有黑色接线柱的极板托架上，通过导线及导线上的黑色插件与黑色接线柱连接。在滑动极板托架21内侧设有两个凸起的卡璜216。

在极板4的上面置有集气罩5，集气罩5用于收集气体，参见图3所示，该集气罩5由透明绝缘材料制作，呈倒置漏斗锥形，在锥体的两侧面设有多个小孔51，减小极板之间的阻抗，其侧壁嵌插在滑动极板托架21内侧的卡璜216内，锥形顶端为带有刻度的圆柱型导管52，导管52上端用橡胶塞53密封。电源3选用额定输出功率约为100W--125W、输出电压在6V、12V及24V之间调节，输出电流3A--5A。电源面板上置有输出电压、输出电流显示屏、电压选择开关及检测功能开关。电源输出插座与液槽导轨11之间用导线及插件连接，正极对正极、负极对负极，可以用颜色标识，红色与红色相连，黑色与黑色相连。

数据显示屏采用数码显示的方式，学生用电源面板上红色显示屏显示输出电压、输出电流数据；绿色显示屏显示检测电压、电流数据。教师演示用电源外接4寸以上立式大屏数码显示屏。

(四)、实验操作过程

在液槽1内注入纯水，开启电源开关，电流显示器亮出‘0000’表明输入电路已通，开启电压选择开关到6V或12V档，若电流显示屏亮出电流数字，则表明输出电路已连通；反之，电流显示屏没有亮出电流数字，则表明输出电路接触不良，要检查线路。检查完毕关闭电压、电源开关。

确定两个滑动极板托架21上的极板4距离，移动滑动极板托架21上的挂耳211，使两个滑动极板托架21在导轨11上相对移动，实质是移动阴极极板和阳极极板。观察中得出，两个滑动极板托架21相对距离小，则阴、阳两极距离近，电流较大，反应剧烈；反之反应较缓。

电解水过程中阴、阳两极产生的气体在集气罩5内用排水集气法收集，在反应前必须使集气罩5内气体排空。用20mL针筒从集气罩5顶端的橡胶塞53插入，抽出气体，直至抽到液体为止，抽出的液体注入到液槽1内。当两个集气罩5内气体都已排空时可以开始水的电解。

开启电源开关--电流显示屏亮--开启电压选择开关到24V档，输出电流1.5-2A；水的电解开始，阴极产生气体的体积以蓝色刻度显示；阳极产生气体的体积以红色刻度显示。当阴极的集气罩内气体集到2/3时，电解应立即终止，关闭电源开关---关闭电压选择开关到‘0’。反应终止后，集气罩5内不再产生气体时，记录阴、阳两极产生的气体的体积数。

(五)气体的检验

阴极收集到气体体积读数10mL，经检验阴极的气体是氧气；阳极收集到气体体积读数20mL，经检验阳极的气体是氢气。

实施例2：胶体的电泳实验

(一)实验仪器与材料

本实验电化学实验平台包括液槽1、渗析槽托架22、电源3、极板4和渗析槽6。渗析槽托架22为平板结构，下面为与液槽1的导轨11配合的凹槽221，上面设有与渗析槽相配合的嵌槽223，在渗析槽托架22上设有两个分别与液槽1的导轨11相连的接线柱222，参见图12所示。

渗析槽6包括三室槽61和紧固器62；渗析槽6置于渗析槽托架22上面的嵌槽223内，三室槽61以透明绝缘材料制成，分为中间的液室613及两侧的阳极室611和阴极室612，三室相互贯通连成一体，与液室613相连处的阳极室611和阴极室612的一侧对应设有阳离子膜614和阴离子膜615；紧固器62把三室槽61和离子膜紧固密封连成一整体，参见图4所示。利用离子膜具有选择性吸附、渗透某些离子的特性。所述阳极室611和阴极室612在顶端嵌槽内分别置有相应的极板4，参见图5所示，阳极室611的极板和阴极室612的极板分别采用金属涂膜阳极和不锈钢阴极，采用黑色的涂膜网状金属阳极，不仅防止极板腐蚀而且提高极板的电流效应。阳极极板和阴极极板分别通过导线与渗析槽托架22上的两个接线柱222连接，电源输出插座与液槽导轨11之间用导线及插件连接，正极对正极、负极对负极，可以用颜色标识，红色与红色相连，黑色与黑色相连。

在液室613的底部1/3-1/2处设有隔离板63，所述隔离板63为透明的绝缘板，其高度为15-20mm，参见图6所示。

紧固器62包括固定底座621、活动压板622、紧固丝杆623及紧固螺母624，固定底座621为由底面和侧面组成的L型结构，三室槽61置于固定底座621的底面上，侧面与三室槽的一侧相靠，三室槽61的长度大于固定底座621底面的长度，活动压板622置于三室槽61的另一侧，在固定底座621的侧面的四角设有通孔，紧固丝杆623穿过固定底座621侧面的通孔及活动压板622，在活动压板622另一侧由紧固螺母624固定住紧固丝杆623。

(二)实验操作过程

在阳极室611和阴极室612内加入60mL硝酸钾溶液，在中间的液室613中加入60mL红棕色的氢氧化铁胶体，电压控制为24V-36V之间，电流保持在0.8A-1A之间，1分钟后，在阳极区即呈现无色带状，随后在液室中看到胶体云状向阴极“泳”的过程，约3分钟后在阳极和分离板之间已呈浅色，分离板和阴极区则呈深棕红色，约5分钟后整体液室中液体颜色已一分为二。

氢氧化铁胶带正电荷，通电后，会向阴极方向移动，而在液室底部设有的隔离板63可以防止移动在极板区的离子膜的胶粒因液体对流产生干拢，使液体界面清晰，对比明显。

实施例3：电解饱和食盐水实验

本实验的电化学实验平台的连接关系与实施例1相同。

把饱和食盐水注入液槽1中，当电解液温度在60℃、电压控制在24V、电流为1--3A时，实验约在2分钟内完成，用注射器从阳极集气罩中抽出少量氯气，再用湿润的碘化钾淀粉试纸捡验，抽出阴极氢气用嚗鸣法检验，极板间溶液可使酚酞试剂变红。

实施例4：电镀铜实验

本实验电化学实验平台的连接关系在实施例1的基础上，去掉滑动极板托架21上的极板4和集气罩5，在滑动极板托架21挂耳下方一侧设有槽孔215，金属导电棒7置于槽孔215上。把电解铜阳极和镀件阴极分别挂在金属导电棒7上，参见图11所示。

选用铁片为镀件，先把铁片进行表面处埋，测得镀件表面积(以dm²计)，电压选择为6V、阴极电流密度控制在10A/dm²-12A/dm²，室温条件下约5分钟内镀件表面即可镀上光亮的铜。

实施例5：电镀锌实验

本实验的电化学实验平台的连接关系与实施例4相同，参见图11所示。

选用铁片为镀件，先把铁片进行表面处埋，测得镀件表面积(以dm²计)，电压选择为6V、阴极电流密度控制在10A/dm²-12A/dm²，室温条件下约5分钟内镀件表面即可镀上光亮的锌。

实施例6：非金属电镀实验

本实验电化学平台与实施例4相同，先把非金属，例如木片，表面经粗化、敏化、活化、化学镀铜后，再进入电镀铜工艺。

实施例7：原电池实验

本实验电化学平台在实施例1基础上，把稀流酸放入液槽1内，

a.以铜板作正极在液槽一端置于稀硫酸中，以锌作负极，在液槽另一端慢慢插入液槽稀硫酸中，在电源检测的显示窗中立即显示有微电流产生，随移动滑动极板托架21，使其上的极板4距离变小，检测显示的电流数据由0.01A逐渐增大到0.2A。

b.以石墨作阳极、铁作阴极，重复实验a，探究钢铁电化腐蚀的原因。

c.以石墨作阳极，分别以铁、锌、铜作阴极，做实验a，可以得到不同的数据，从而分析得知金属的活动性程度。

实施例8：电解质导电性质实验

a.在稀溶液中电解质溶液浓度和导电性的关系

本实验电化学平台与实施例2相同，可以去掉液室613内的隔离板63。

在阳极室611和阴极室612内加入饱和硝酸钾溶液，在中间液室613中加入40mL纯净水，电压控制为24V，用注射器抽取20mL浓氨水，逐滴加入到液室613纯净水中，也可以用饱和硝酸钾溶液替代浓氨水。由实验中观察得出，随氨水的量的增加，电流读数逐渐增大，表示电解质溶液导电能力随之增强。

b.研究温度对电解质溶液导电性的影响

电压控制24V，在相同浓度、相同体积的氨水中，加入相同体积、不同温度的水，观察并记录电流显示的读数，可以得出随着温度升高，电解质溶液导电能力增强。

C.研究稀释对弱电解质电离平衡的影响

在中间液室中加入20mL浓氨水，在室温、24V条件下，逐滴加入40mL水，观察并记录电流读数。

通过上述实验，很容易进行各种情况的实验分析，达到电解质溶液实验的目的。

实施例9：海水淡化实验

本实验电化学实验平台与实施例2的连接关系相同。

在阳极室中加入60mL硝酸钾溶液及几滴碘化钾淀粉溶液，阴极室加入60mL硝酸钾溶液，中间液室加入60mL 5％氯化钠溶液，实验开始，调节电压12V-24V，电流显示0.1A，随时间增加电流逐渐减小，3分钟后电流降至0.01A，并在阳极室中观察到溶液呈蓝紫色。

此种电化学实验平台，根据实际情况，进行相应的组合，可以涵盖中学电化学的全部实验。

Claims (13)

1.一种电化学实验平台，包括液槽(1)、托架(2)和电源(3)，其特征在于：所述液槽(1)为由透明绝缘材料制成的箱式槽，在液槽(1)的两侧上沿分别设有金属导轨(11)，导轨(11)一端通过导线插件连接电源(3)的正、负极。

2.根据权利要求1所述的一种电化学实验平台，其特征在于：所述托架(2)为滑动极板托架(21)，该滑动极板托架(21)为由绝缘材料制成的U型结构，两侧各有一个挂耳(211)，挂耳(211)内衬有导电材料(212)，在其中一挂耳的上面设一接线柱(213)与导电材料(212)相接，所述滑动极板托架(21)的底部有一个凹槽(214)，凹槽(214)内嵌入极板(4)，极板(4)通过导线接在接线柱(213)上，滑动极板托架(21)通过两侧挂耳(211)挂在液槽(1)两侧金属导轨(11)上。

3.根据权利要求2所述的一种电化学实验平台，其特征在于：所述滑动极板托架(21)内部两侧面设有凸起的卡璜(216)。

4.根据权利要求3所述的一种电化学实验平台，其特征在于：所述电化学实验平台还包括用于收集气体的集气罩(5)，所述集气罩(5)由透明绝缘材料制成，呈倒置漏斗锥形，在锥体的两侧面设有多个小孔(51)，集气罩(5)下端扣在极板(4)上，其两个侧壁嵌插在滑动极板托架(21)内侧的卡璜(216)内，锥体顶端接有带有刻度的圆柱型导管(52)，导管上端用橡胶塞(53)封口。

5.根据权利要求2所述的一种电化学实验平台，其特征在于：所述滑动极板托架(21)挂耳下方的侧面设有可置金属导电棒的槽孔(215)。

6.根据权利要求1所述的一种电化学实验平台，其特征在于：所述托架(2)为渗析槽托架(22)，该渗析槽托架(22)为平板结构，下面为与液槽导轨(11)配合的凹槽(221)，上面设一接线柱(222)与金属导轨(11)相接。

7.根据权利要求6所述的一种电化学实验平台，其特征在于：所述渗析槽托架(22)的上面安装有渗析槽(6)，所述渗析槽(6)包括三室槽(61)和紧固器(62)；所述三室槽(61)以透明绝缘材料制成，分为中间的液室(613)及两侧的阳极室(611)和阴极室(612)，三室相互贯通连成一体，与液室(613)相连处的阳极室(611)及阴极室(612)的一侧分别对应设有阳离子膜(614)和阴离子膜(615)；所述阳极室(611)和阴极室(612)内分别固定有相应的极板(4)，极板(4)通过导线与渗析槽托架(22)的接线柱(222)连接；液室(613)、阴极室(612)、阳极室(611)、阳离子膜(614)和阴离子膜(615)之间用紧固器(62)紧固密封连成一整体。

8.根据权利要求7所述的一种电化学实验平台，其特征在于：所述紧固器(62)包括固定底座(621)、活动压板(622)、紧固丝杆(623)及紧固螺母(624)，所述固定底座(621)为由底面和侧面组成的L型结构，其底面置于三室槽(61)的下面，侧面与三室槽(61)的一侧相靠，活动压板(622)置于三室槽(61)的另一侧，三室槽(61)的长度大于固定底座底面的长度，紧固丝杆(623)穿过固定底座(621)的侧面及活动压板(622)，在活动压板(622)另一侧由紧固螺母(624)与紧固丝杆(623)配合固定。

9.根据权利要求8所述的一种电化学实验平台，其特征在于：在液室(613)的底部1/3-1/2处设有隔离板(63)，所述隔离板(63)为透明的绝缘板，其高度为15-20mm。

10.根据权利要求1至9中任一项所述的一种电化学实验平台，其特征在于：所述所述液槽(1)的侧面设有液位标识线(12)。

11.根据权利要求1至9中任一项所述的一种电化学实验平台，其特征在于：所述极板(4)包括石墨阳极、网状金属涂膜阳极、网状不銹钢阴极、电解铜、电解锌及燃料电池专用极板。

12.根据权利要求1至9中任一项所述的一种电化学实验平台，其特征在于：所述电源(3)的额定输出功率为100W--150W，输出电压为0V--36V，输出电流为3A--5A。

13.根据权利要求12所述的一种电化学实验平台，其特征在于：所述电源(3)的面板上置有输出电压、输出电流显示屏、电压选择开关及电流、电压检测功能开关。

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