第 43 章 · 学生必做实验（三）· 化学反应原理

项目	内容
课标主题	选择性必修 1 · 主题 1 化学反应与能量；主题 2 化学反应的方向、限度和速率；主题 3 水溶液中的离子反应与平衡（学生必做实验）
人教版（2019）	选择性必修 1 实验活动 1”探究影响化学平衡移动的因素”、实验活动 2”强酸与强碱的中和滴定”、实验活动 3”盐类水解的应用”、实验活动 4”简单的电镀实验”、实验活动 5”制作简单的燃料电池”
考试地位	平衡移动、中和滴定、盐类水解、电镀和燃料电池是化学反应原理大题和实验题的核心素材；电极反应式、滴定计算、水解方程式几乎每年必考
前置知识	第 23 章化学平衡；第 26 章水的电离与 pH；第 27 章盐类的水解；第 20、21 章原电池与电解池；第 40 章定量实验与数据处理

这五个实验是选择性必修 1 的“动手部分”，覆盖了化学反应原理的四块：平衡、溶液中的离子平衡、电化学和能量转化。它们的共同方法是“改变一个条件，看体系怎么响应”：平衡实验看颜色，滴定实验看体积，水解实验看 pH，电镀和燃料电池看电极上的变化。理解了“条件—响应”的关系，实验现象就不用死记。

43.1 实验一览

实验	测什么或探究什么	方法归类
43.2 探究影响化学平衡移动的因素	浓度、温度、压强对平衡移动的影响	定性探究；控制变量
43.3 强酸与强碱的中和滴定	用标准液测定待测液的浓度	定量测定；滴定分析
43.4 盐类水解的应用	盐溶液的酸碱性、温度对水解的影响、水解在配制和生活中的应用	定性探究；应用分析
43.5 简单的电镀实验	电解原理在电镀中的应用，镀层形成的过程	定量与定性结合；电解
43.6 制作简单的燃料电池	电解水制氢氧，再组成燃料电池，化学能转化为电能	制作与探究；电化学

43.2 探究影响化学平衡移动的因素

目的与原理

目的：通过改变浓度、温度、压强，观察平衡体系的颜色变化，验证平衡移动的方向。

原理：平衡体系在外界条件改变时，会向减弱这种改变的方向移动。判断依据是浓度商 $Q$ 与平衡常数 $K$ 的比较：$Q < K$ 向正反应方向移动，$Q > K$ 向逆反应方向移动，$Q = K$ 处于平衡。

• $\ce{Fe^3+ + 3SCN- <=> Fe(SCN)3}$（血红色）：增加 $\ce{Fe^3+}$ 或 $\ce{SCN-}$，红色加深；加入 $\ce{NaOH}$ 消耗 $\ce{Fe^3+}$，红色变浅。
• $\ce{2NO2 <=> N2O4}$（红棕色 $\ce{NO2}$，无色 $\ce{N2O4}$）：正反应放热，升温向逆反应方向移动，颜色加深；降温颜色变浅；压缩体积，颜色先加深（浓度增大）后变浅（平衡右移），但最终比原来深。

器材与装置

试管、胶头滴管、烧杯、水浴装置、注射器（密封 $\ce{NO2}$ 和 $\ce{N2O4}$ 混合气体）；$\ce{FeCl3}$ 溶液、KSCN 溶液、$\ce{NaOH}$ 溶液；$\ce{NO2}$ 和 $\ce{N2O4}$ 的平衡混合气体。

步骤

1. 浓度对平衡的影响：向 $\ce{FeCl3}$ 溶液中滴加 KSCN 溶液，得到红色溶液；分成三份，一份加 $\ce{FeCl3}$ 溶液，一份加 KSCN 溶液，一份加 $\ce{NaOH}$ 溶液，比较颜色深浅。
2. 温度对平衡的影响：把密封的 $\ce{NO2}$ 和 $\ce{N2O4}$ 混合气体分别放入热水和冷水中，观察颜色变化。
3. 压强对平衡的影响：用注射器压缩 $\ce{NO2}$ 和 $\ce{N2O4}$ 混合气体，观察颜色先变深后变浅的变化。
4. 记录每一步的现象，用 $Q$ 与 $K$ 的关系解释。

数据处理

体系	改变的条件	现象	平衡移动方向	解释
$\ce{Fe^3+ + 3SCN- <=> Fe(SCN)3}$	加 $\ce{FeCl3}$	红色加深	向正反应方向	反应物浓度增大，$Q < K$
同上	加 KSCN	红色加深	向正反应方向	反应物浓度增大，$Q < K$
同上	加 $\ce{NaOH}$	红色变浅	向逆反应方向	$\ce{Fe^3+}$ 被消耗，$Q > K$
$\ce{2NO2 <=> N2O4}$	升高温度	颜色加深	向逆反应方向	正反应放热，升温向吸热方向移动
同上	降低温度	颜色变浅	向正反应方向	降温向放热方向移动
同上	压缩体积	先深后浅，最终比原来深	向正反应方向	浓度增大先变深，平衡右移后变浅

误差分析

• 颜色深浅的判断有主观性，要按同一标准比较（如与同一背景下的标准比色卡对比）。
• 温度控制不严：水浴温度不稳定，颜色变化会反复；应等温度稳定后再观察。
• $\ce{NO2}$ 有毒性，装置必须密封，注射器不能漏气；漏气会使颜色变化无法判断。
• 加入的试剂体积不同，会改变溶液浓度，干扰颜色比较；加入的试剂量要相同或相近。
• $\ce{FeCl3}$ 溶液本身有颜色，浓度不宜过大，否则会掩盖 $\ce{Fe(SCN)3}$ 的红色。

注意事项

• $\ce{NO2}$ 有毒，实验在通风处进行，装置要密封，实验后妥善处理。
• 加 $\ce{NaOH}$ 时，$\ce{Fe^3+}$ 生成 $\ce{Fe(OH)3}$ 沉淀，红色变浅的同时溶液变浑浊，要区分“沉淀”和“颜色变浅”两种变化。
• 压缩气体时，颜色“先深后浅”是两个因素叠加的结果：体积减小使浓度增大（变深），平衡右移使 $\ce{NO2}$ 减少（变浅）；最终颜色比压缩前深。
• 催化剂不移动平衡，只缩短达到平衡的时间。
• 平衡移动的方向用“减弱改变”判断，但定量依据是 $Q$ 与 $K$ 的比较。

例题

例 1　（场景：解释颜色变化）向 $\ce{Fe^3+}$ 与 $\ce{SCN-}$ 的平衡体系中加入少量 $\ce{NaOH}$ 固体，红色变浅。用平衡移动原理解释。

解：

判断依据：$\ce{NaOH}$ 与 $\ce{Fe^3+}$ 反应生成 $\ce{Fe(OH)3}$ 沉淀，$\ce{Fe^3+}$ 浓度减小。

• $\ce{Fe^3+ + 3OH- = Fe(OH)3 v}$，$\ce{Fe^3+}$ 被消耗。
• 生成物 $\ce{Fe(SCN)3}$ 的浓度暂时不变，$Q > K$，平衡向逆反应方向移动。
• $\ce{Fe(SCN)3}$ 减少，红色变浅。

检验：$\ce{Fe^3+}$ 浓度减小，平衡向消耗 $\ce{Fe(SCN)3}$、补充 $\ce{Fe^3+}$ 的方向移动，颜色变浅，与现象一致。

三查：$\ce{Fe^3+ + 3SCN- <=> Fe(SCN)3}$ 原子、电荷守恒；$\ce{Fe^3+ + 3OH- = Fe(OH)3 v}$ 原子、电荷守恒。

例 2　（场景：判断温度影响）$\ce{2NO2 <=> N2O4}$ 的正反应是放热反应。把平衡混合气体放入热水中，颜色怎样变化？为什么？

解：

判断依据：升温向吸热方向移动，逆反应吸热。

• 正反应放热，逆反应吸热；升高温度，平衡向逆反应方向移动。
• $\ce{NO2}$ 增多，颜色加深。
• 降温则相反，平衡向正反应方向移动，颜色变浅。

检验：温度升高颜色加深，说明 $\ce{NO2}$ 浓度增大，与“升温向吸热方向移动”一致。

三查：$\ce{2NO2 <=> N2O4}$ 原子守恒；没有电子转移。

例 3　（场景：解释压缩体积的现象）压缩盛有 $\ce{NO2}$ 和 $\ce{N2O4}$ 平衡混合气体的注射器，颜色先变深后变浅，但最终比原来深。解释原因。

解：

判断依据：压缩体积同时改变浓度和平衡移动两个因素。

• 压缩瞬间：气体体积减小，$\ce{NO2}$ 浓度增大，颜色变深。
• 随后：压强增大，平衡向气体分子数减少的方向（正反应方向）移动，$\ce{NO2}$ 转化为 $\ce{N2O4}$，颜色变浅。
• 最终：平衡移动只能减弱而不能完全抵消浓度的增大，所以最终颜色仍比压缩前深。

检验：两个因素的方向相反，浓度因素占主导，最终颜色比原来深。

三查：$\ce{2NO2 <=> N2O4}$ 原子守恒；没有电子转移。

易错点

• 错在哪：认为加入催化剂后平衡向正反应方向移动，产物增多。 为什么错：理解性错误。催化剂同等程度加快正逆反应，平衡不移动。 正确做法：催化剂只缩短达到平衡的时间，不改变平衡状态。
• 错在哪：压缩体积后看到颜色变浅，就认为平衡向逆反应方向移动。 为什么错：理解性错误。颜色变化是浓度和平衡移动两个因素叠加的结果。 正确做法：先分析浓度瞬间变化，再分析平衡移动，最后综合判断。
• 错在哪：把“颜色变浅”等同于“平衡向逆反应方向移动”。 为什么错：理解性错误。颜色还受浓度、体积影响，不能单独作为判据。 正确做法：用 $Q$ 与 $K$ 的关系判断移动方向，颜色只作辅助观察。

关联知识点

• 前置：第 23 章化学平衡，$Q$ 与 $K$ 的判断。
• 前置：第 24 章化学反应的方向与调控，温度、压强对平衡的影响。
• 关联：第 26 章 pH 与滴定，平衡移动在溶液中的应用。
• 关联：第 27 章盐类水解，水解平衡的移动。
• 常一起考：第 13 章化工流程，调控条件提高产率。

43.3 强酸与强碱的中和滴定

目的与原理

目的：用已知浓度的 $\ce{NaOH}$ 标准液测定未知浓度的盐酸，掌握滴定管的使用、终点判断和数据处理。

原理：$\ce{NaOH + HCl = NaCl + H2O}$，计量比 $1 : 1$。到达终点时，消耗的标准液的物质的量等于待测物的物质的量：

$$c(\ce{HCl}) = \frac{c(\ce{NaOH}) \cdot V(\ce{NaOH})}{V(\ce{HCl})}$$

器材与装置

碱式滴定管（装 $\ce{NaOH}$）、酸式滴定管（量取盐酸）、锥形瓶、铁架台、滴定管夹、烧杯、胶头滴管、白纸；$0.1000\ \mathrm{mol/L}\ \ce{NaOH}$ 标准液、待测盐酸、酚酞指示剂、蒸馏水。

步骤

1. 检漏：检查滴定管是否漏水，旋转活塞或挤压玻璃珠，观察是否渗水。
2. 洗涤：滴定管用蒸馏水洗净，再用待装液润洗 $2\text{–}3$ 次；锥形瓶只用水洗，不润洗。
3. 装液：把标准液装入碱式滴定管，待测液用酸式滴定管（或移液管）准确量取。
4. 排气泡、调零：排出尖嘴处的气泡，调整液面到零刻度或记下初读数。
5. 取待测液：用酸式滴定管（或移液管）准确量取 $20.00\ \mathrm{mL}$ 盐酸于锥形瓶中，加 $2\text{–}3$ 滴酚酞。
6. 滴定：左手挤压玻璃珠，右手摇动锥形瓶，眼睛注视锥形瓶内颜色变化（锥形瓶下垫白纸）；先快后慢，接近终点时逐滴加入，最后半滴。
7. 终点：溶液由无色变为浅红色，且 $30\ \mathrm{s}$ 内不褪色，即为终点。
8. 读数：视线与凹液面最低处相平，读到 $0.01\ \mathrm{mL}$，记下末读数。
9. 重复：重复滴定 $2\text{–}3$ 次，取平均值。

数据处理

次数	初读数/mL	末读数/mL	消耗体积/mL
1	$0.00$	$19.80$	$19.80$
2	$0.00$	$19.82$	$19.82$
3	$0.00$	$19.79$	$19.79$

平均消耗体积 $= \dfrac{19.80 + 19.82 + 19.79}{3} = 19.80\ \mathrm{mL}$。

$$c(\ce{HCl}) = \frac{0.1000\ \mathrm{mol/L} \times 19.80\ \mathrm{mL}}{20.00\ \mathrm{mL}} = 0.09900\ \mathrm{mol/L}$$

误差分析

操作	对消耗标准液体积的影响	待测浓度
滴定管未用标准液润洗	标准液被稀释，体积偏大	偏高
锥形瓶用待测液润洗	待测物偏多，体积偏大	偏高
滴定前有气泡，滴定后消失	读数偏大	偏高
滴定前无气泡，滴定后有气泡	读数偏小	偏低
读数时仰视	读数偏大	偏高
读数时俯视	读数偏小	偏低
指示剂加得过多	终点提前或滞后	有影响，一般加 $2\text{–}3$ 滴
滴定管尖嘴外挂液滴	实际加入量偏少，读数偏大	偏高

注意事项

• 酸式滴定管装酸性、氧化性溶液；碱式滴定管装碱性溶液。$\ce{NaOH}$ 必须装在碱式滴定管中。
• 滴定管用待装液润洗，锥形瓶不能润洗。
• 装液后必须排尽气泡，否则气泡的体积会被算进读数。
• 滴定时眼睛看锥形瓶内颜色变化，不要看滴定管刻度。
• 终点是“浅红色且 $30\ \mathrm{s}$ 内不褪色”，不是“红色越深越好”。
• 读数时视线与凹液面最低处相平，精确到 $0.01\ \mathrm{mL}$。
• 多次滴定取平均值，偏差过大的数据剔除并说明理由。

例题

例 1　（场景：滴定计算）用 $0.1000\ \mathrm{mol/L}$ 的 $\ce{NaOH}$ 标准液滴定 $20.00\ \mathrm{mL}$ 盐酸，三次消耗体积的平均值为 $19.80\ \mathrm{mL}$。求盐酸的浓度。

解：

找关系：$\ce{NaOH + HCl = NaCl + H2O}$，计量比 $1 : 1$。

列式：$c(\ce{HCl}) = \dfrac{0.1000 \times 19.80}{20.00}\ \mathrm{mol/L}$。

计算：$c(\ce{HCl}) = 0.09900\ \mathrm{mol/L}$。

检验：消耗体积略小于待测液体积，浓度略小于 $0.1\ \mathrm{mol/L}$，合理；有效数字保留四位。

三查：$\ce{NaOH + HCl = NaCl + H2O}$ 原子、电荷守恒；不是氧化还原反应。

例 2　（场景：误差分析）下列操作使测得的盐酸浓度偏高还是偏低？（1）碱式滴定管未用 $\ce{NaOH}$ 标准液润洗；（2）锥形瓶用盐酸润洗；（3）滴定前尖嘴有气泡，滴定后消失。

解：

判断依据：判断操作是否使消耗的标准液体积读数偏大。

• （1）标准液被残留的水稀释，消耗体积偏大 → 偏高。
• （2）锥形瓶里待测盐酸偏多，消耗标准液偏多 → 偏高。
• （3）气泡的体积被算进读数，消耗体积读数偏大 → 偏高。

检验：三种操作最终都表现为“标准液体积偏大”，结论一致。

例 3　（场景：终点判断）滴定接近终点时，溶液颜色由无色变为浅红色，但振荡后又褪去。此时应该怎样操作？

解：

判断依据：颜色褪去说明还没有真正到达终点，需要继续滴加。

• 继续滴加标准液，每次半滴，边加边振荡。
• 直到溶液变为浅红色，且 $30\ \mathrm{s}$ 内不褪色，才是终点。
• 不能因为“已经变色”就停止，否则结果偏低。

检验：终点要求颜色“稳定不褪”，不稳定的变色只是局部过量。

易错点

• 错在哪：用酸式滴定管装 $\ce{NaOH}$ 标准液。 为什么错：记忆性错误。$\ce{NaOH}$ 会腐蚀玻璃活塞，必须用碱式滴定管。 正确做法：碱装碱式滴定管，酸装酸式滴定管。
• 错在哪：锥形瓶用待测液润洗。 为什么错：理解性错误。待测物偏多，结果偏高。 正确做法：锥形瓶只用水洗。
• 错在哪：滴定管读数记成 $19.8\ \mathrm{mL}$。 为什么错：规范性错误。滴定管读到 $0.01\ \mathrm{mL}$。 正确做法：记 $19.80\ \mathrm{mL}$。

关联知识点

• 前置：第 26 章水的电离与 pH，滴定曲线和指示剂。
• 前置：第 40 章 40.3 中和滴定与数据处理。
• 前置：第 37 章滴定管的使用和读数。
• 关联：第 28 章沉淀滴定，莫尔法。
• 常一起考：第 1 章物质的量浓度，标准液的配制。

43.4 盐类水解的应用

目的与原理

目的：通过测定不同盐溶液的 pH、观察温度对水解的影响，理解盐类水解的规律和应用。

原理：盐类水解是盐电离出的离子与水电离出的 $\ce{H+}$ 或 $\ce{OH-}$ 结合，生成弱电解质的反应。规律是“谁弱谁水解，谁强显谁性”；水解程度一般很小，加热、稀释促进水解。

• $\ce{CH3COONa}$：$\ce{CH3COO- + H2O <=> CH3COOH + OH-}$，显碱性。
• $\ce{NH4Cl}$：$\ce{NH4+ + H2O <=> NH3.H2O + H+}$，显酸性。
• $\ce{Na2CO3}$：$\ce{CO3^2- + H2O <=> HCO3- + OH-}$，显碱性，且比 $\ce{CH3COONa}$ 强。
• $\ce{FeCl3}$：$\ce{Fe^3+ + 3H2O <=> Fe(OH)3 + 3H+}$，显酸性，配制时加盐酸抑制水解。
• 双水解：$\ce{Al^3+ + 3HCO3- = Al(OH)3 v + 3CO2 ^}$，泡沫灭火器的原理。

器材与装置

试管、试管夹、胶头滴管、玻璃棒、表面皿、蒸发皿（或坩埚）、酒精灯、pH 试纸；$\ce{NaCl}$、$\ce{CH3COONa}$、$\ce{NH4Cl}$、$\ce{Na2CO3}$、$\ce{FeCl3}$ 溶液，酚酞，盐酸，$\ce{Al2(SO4)3}$ 溶液，$\ce{NaHCO3}$ 溶液。

步骤

1. 测 pH：用 pH 试纸分别测定 $\ce{NaCl}$、$\ce{CH3COONa}$、$\ce{NH4Cl}$、$\ce{Na2CO3}$ 溶液的 pH，记录并排序。
2. 温度对水解的影响：向 $\ce{CH3COONa}$ 溶液中滴加酚酞，观察颜色；加热，比较颜色深浅。
3. 抑制水解：向 $\ce{FeCl3}$ 溶液中加少量盐酸，观察颜色变化；配制 $\ce{FeCl3}$ 溶液时加盐酸。
4. 双水解：把 $\ce{Al2(SO4)3}$ 溶液与 $\ce{NaHCO3}$ 溶液混合，观察气泡和沉淀。
5. 蒸干：把 $\ce{FeCl3}$ 溶液放在蒸发皿（或坩埚）中蒸干、灼烧，观察最终产物。

数据处理

溶液	pH	酸碱性	水解离子	结论
$\ce{NaCl}$	$=7$	中性	不水解	强酸强碱盐不水解
$\ce{CH3COONa}$	$>7$	碱性	$\ce{CH3COO-}$	强碱弱酸盐显碱性
$\ce{NH4Cl}$	$<7$	酸性	$\ce{NH4+}$	强酸弱碱盐显酸性
$\ce{Na2CO3}$	$>7$	碱性	$\ce{CO3^2-}$	水解程度比 $\ce{CH3COONa}$ 大

温度实验：加热后酚酞红色加深，说明升温促进水解。

双水解实验：产生大量气泡和白色沉淀，$\ce{Al^3+ + 3HCO3- = Al(OH)3 v + 3CO2 ^}$。

误差分析

• pH 试纸使用错误：试纸不能润湿，否则溶液被稀释，pH 偏差；用玻璃棒蘸取点在试纸中部，与标准比色卡对比。
• 试纸读数有主观误差，pH 只能读到整数。
• 温度控制：加热后要冷却再测 pH，否则温度本身影响水解，也影响 pH 的测定。
• 溶液浓度不同，pH 不能直接比较；比较水解程度要用同浓度溶液。
• 双水解实验现象受浓度影响，浓度太低时气泡和沉淀都不明显。

注意事项

• pH 试纸不能润湿，不能把试纸伸入溶液，要用玻璃棒蘸取。
• 加热促进水解，但加热也会使气体溶解度下降、溶液浓缩，解释现象时要分清主次。
• 配制 $\ce{FeCl3}$ 溶液时加少量盐酸，抑制 $\ce{Fe^3+}$ 水解，防止溶液变浑浊。
• 双水解反应要用等号，标沉淀和气体符号；单一水解用可逆号，不标状态。
• 蒸干 $\ce{FeCl3}$ 溶液：$\ce{HCl}$ 挥发，水解平衡右移，最终得到 $\ce{Fe(OH)3}$，灼烧得到 $\ce{Fe2O3}$。
• 明矾净水利用 $\ce{Al^3+}$ 水解生成 $\ce{Al(OH)3}$ 胶体吸附杂质。

例题

例 1　（场景：比较水解程度）同浓度的 $\ce{CH3COONa}$ 和 $\ce{Na2CO3}$ 溶液，哪个 pH 大？为什么？

解：

判断依据：水解程度看对应弱酸的强弱，“越弱越水解”。

• $\ce{CH3COOH}$ 的酸性比 $\ce{HCO3-}$ 强，所以 $\ce{CO3^2-}$ 的水解程度比 $\ce{CH3COO-}$ 大。
• $\ce{Na2CO3}$ 溶液的碱性更强，pH 更大。
• 数据：同浓度下 $\ce{Na2CO3}$ 的 pH 约 $11.6$，$\ce{CH3COONa}$ 约 $8.9$（第 27 章）。

检验：酸越弱，其共轭碱的水解程度越大，pH 越高，与“越弱越水解”一致。

三查：$\ce{CH3COO- + H2O <=> CH3COOH + OH-}$、$\ce{CO3^2- + H2O <=> HCO3- + OH-}$ 原子、电荷守恒。

例 2　（场景：解释配制方法）配制 $\ce{FeCl3}$ 溶液时，为什么要加少量盐酸？

解：

判断依据：$\ce{Fe^3+}$ 水解显酸性，加酸抑制水解。

• $\ce{Fe^3+ + 3H2O <=> Fe(OH)3 + 3H+}$，水解生成 $\ce{H+}$。
• 加盐酸使 $\ce{H+}$ 浓度增大，平衡向逆反应方向移动，抑制水解，溶液保持澄清。
• 不加盐酸时，$\ce{Fe^3+}$ 水解程度大，溶液变浑浊，甚至出现 $\ce{Fe(OH)3}$ 沉淀。

检验：加酸后溶液澄清，说明水解被抑制；这是“用生成物抑制水解”的典型应用。

三查：$\ce{Fe^3+ + 3H2O <=> Fe(OH)3 + 3H+}$ 原子、电荷守恒。

例 3　（场景：解释生活现象）热的纯碱溶液去油污效果比冷的更好，为什么？

解：

判断依据：纯碱水解显碱性，油脂在碱性条件下水解；升温促进水解，碱性增强。

• $\ce{CO3^2- + H2O <=> HCO3- + OH-}$，溶液显碱性。
• 加热促进水解，$\ce{OH-}$ 浓度增大，碱性增强。
• 油脂在碱性条件下水解（皂化），生成可溶的脂肪酸盐和甘油，油污被除去。
• 温度升高也加快水解反应的速率。

检验：两个因素（碱性增强、速率加快）都有利于去油污，与生活经验一致。

三查：$\ce{CO3^2- + H2O <=> HCO3- + OH-}$ 原子、电荷守恒；油脂的皂化是酯的碱性水解。

易错点

• 错在哪：用湿润的 pH 试纸测溶液 pH。 为什么错：规范性错误。试纸被稀释，测得的 pH 偏离真实值。 正确做法：试纸保持干燥，用玻璃棒蘸取溶液点在试纸中部。
• 错在哪：把单一水解的方程式用等号，并标沉淀符号。 为什么错：规范性错误。单一水解程度小，是可逆反应，不标状态。 正确做法：单一水解用可逆号；双水解进行到底，用等号并标沉淀、气体。
• 错在哪：认为盐溶液的酸碱性由盐的浓度决定。 为什么错：理解性错误。酸碱性由“谁强显谁性”决定，浓度影响程度不影响方向（极稀时可能接近中性）。 正确做法：先看盐的类型，再看浓度和温度对程度的影响。

关联知识点

• 前置：第 27 章盐类的水解，水解规律和影响因素。
• 前置：第 26 章水的电离与 pH，pH 的测定。
• 关联：第 27 章 27.5 盐类水解的应用，蒸干产物的判断。
• 关联：第 13 章化工流程，调 pH 除杂。
• 常一起考：第 29 章离子浓度关系，水解与守恒。

43.5 简单的电镀实验

目的与原理

目的：用铜片作阳极、铁片作阴极、$\ce{CuSO4}$ 溶液作电镀液，在铁片表面镀上一层铜，理解电镀的原理和条件。

原理：电镀是电解的应用。阳极发生氧化反应，金属溶解；阴极发生还原反应，金属离子析出。电镀过程中，阳极溶解的金属和阴极析出的金属物质的量相等，电镀液的浓度基本不变。

• 阳极（铜片，接电源正极）：$\ce{Cu - 2e- = Cu^2+}$。
• 阴极（铁片，接电源负极）：$\ce{Cu^2+ + 2e- = Cu}$。
• 总反应：阳极的铜溶解，阴极析出铜，$\ce{Cu}$（阳极）$\to$ $\ce{Cu}$（阴极）。

器材与装置

直流电源、导线、电流表、烧杯、砂纸、铜片、铁片；$\ce{CuSO4}$ 溶液、$\ce{NaOH}$ 溶液（除油）、蒸馏水。

步骤

1. 用砂纸打磨铁片和铜片，除去表面的铁锈和氧化膜；铁片再用碱液除油，用蒸馏水冲洗干净。
2. 把铜片接电源正极，铁片接电源负极，插入盛有 $\ce{CuSO4}$ 溶液的烧杯中。
3. 接通电源，调节电流，观察铁片表面和溶液的变化。
4. 通电一段时间后断开电源，取出铁片，观察镀层。
5. 比较电镀前后溶液的颜色和铜片的质量。

数据处理

观察项目	现象	结论
铁片表面	析出红色固体	铜离子在阴极得电子析出：$\ce{Cu^2+ + 2e- = Cu}$
铜片	逐渐溶解	铜在阳极失电子溶解：$\ce{Cu - 2e- = Cu^2+}$
溶液颜色	基本不变	阳极溶解的铜与阴极析出的铜相等
电流表	指针偏转	有电流通过，电解池工作

误差分析

• 镀层不均匀：电流过大、电极距离过近或溶液浓度不均；应控制电流密度，电极平行放置。
• 镀层结合力差：铁片表面有油污或锈，前处理不彻底；要用砂纸打磨、碱液除油并清洗。
• 镀层太薄：通电时间短或电流小；适当延长通电时间。
• 溶液浓度变化：阳极面积与阴极面积相差太大，或阳极有副反应；应使两极面积相近。
• 电流表读数不稳：接触不良，检查导线和电极夹。

注意事项

• 阳极接电源正极，阴极（待镀件）接电源负极，不能接反；接反时铁片会溶解。
• 电镀液要用待镀金属的盐溶液，本实验用 $\ce{CuSO4}$ 溶液。
• 电极表面必须洁净，油污和氧化膜会影响镀层结合力。
• 通电前不要把铁片先放入 $\ce{CuSO4}$ 溶液，否则铁与 $\ce{Cu^2+}$ 发生置换反应（$\ce{Fe + Cu^2+ = Fe^2+ + Cu}$），析出的铜层疏松，影响结合力。
• 电流不宜过大，否则镀层粗糙、疏松；也不宜过小，否则镀层太薄。
• 电镀过程中阳极不断溶解，阴极不断析出，电镀液浓度基本不变，但需要定期补充损耗。
• 实验后断开电源，取出电极，废液回收。

例题

例 1　（场景：判断电极反应）在铁片上镀铜的实验中，阳极、阴极各发生什么反应？电镀液的浓度为什么基本不变？

解：

判断依据：阳极发生氧化反应，阴极发生还原反应；电镀是“阳极溶解、阴极析出”的过程。

• 阳极（铜片）：$\ce{Cu - 2e- = Cu^2+}$，铜溶解进入溶液。
• 阴极（铁片）：$\ce{Cu^2+ + 2e- = Cu}$，铜离子在铁片表面析出。
• 每溶解 $1\ \mathrm{mol}\ \ce{Cu}$，同时析出 $1\ \mathrm{mol}\ \ce{Cu}$，溶液中 $\ce{Cu^2+}$ 的物质的量不变，浓度基本不变。

检验：阳极和阴极的电子转移数相等，溶解和析出的铜物质的量相等，浓度守恒。

三查：两个电极反应原子、电荷守恒；电子守恒（每转移 $2\ \mathrm{mol}$ 电子，溶解和析出各 $1\ \mathrm{mol}\ \ce{Cu}$）。

例 2　（场景：解释接反的后果）如果把铜片接电源负极、铁片接正极，会发生什么？

解：

判断依据：接反后铁片作阳极，铜片作阴极，铁会溶解。

• 铁片作阳极：$\ce{Fe - 2e- = Fe^2+}$，铁片被腐蚀。
• 铜片作阴极：$\ce{Cu^2+ + 2e- = Cu}$，铜离子在铜片表面析出。
• 结果：铁片被溶解，得不到铜镀层，实验失败。

检验：电镀的方向由电源正负极决定，阳极必须是镀层金属。

三查：$\ce{Fe - 2e- = Fe^2+}$、$\ce{Cu^2+ + 2e- = Cu}$ 电荷守恒；电子守恒。

例 3　（场景：比较电镀与电解精炼）电镀和电解精炼有什么相同点和不同点？

解：

判断依据：两者都是电解，阳极溶解、阴极析出，但目的和阳极材料不同。

• 相同点：阳极发生氧化反应，阴极发生还原反应，电解质溶液中的金属离子在阴极析出。
• 不同点：电镀的阳极是镀层金属，目的是在待镀件表面镀上一层金属，电镀液浓度基本不变；电解精炼的阳极是粗金属，目的是提纯金属，阳极中的杂质进入溶液或形成阳极泥，需要定期处理电解液。
• 电镀的阴极是待镀件，电解精炼的阴极是纯金属。

检验：两者的电极反应形式相似，但“阳极溶什么、阴极得什么、目的是什么”不同。

易错点

• 错在哪：把待镀件接电源正极。 为什么错：理解性错误。待镀件接正极会作阳极溶解，镀不上金属。 正确做法：待镀件接电源负极作阴极，镀层金属接正极作阳极。
• 错在哪：认为电镀过程中电镀液的浓度会不断减小。 为什么错：理解性错误。阳极溶解补充了阴极析出的金属离子，浓度基本不变。 正确做法：电镀液浓度基本不变，但长期使用需要补充损耗。
• 错在哪：电镀前不处理铁片表面的油污。 为什么错：规范性错误。油污使镀层结合不牢，容易脱落。 正确做法：用砂纸打磨并用碱液除油，清洗干净后再电镀。

关联知识点

• 前置：第 21 章电解池与金属的腐蚀防护，电解原理。
• 前置：第 20 章原电池，电化学装置的对比。
• 关联：第 8 章铁及其化合物，铁的性质。
• 关联：第 13 章化工流程，电解在工业中的应用。
• 常一起考：第 21 章电解池，电极反应式的书写。

43.6 制作简单的燃料电池

目的与原理

目的：先用电解水的方法制得氢气和氧气，再把它们组成氢氧燃料电池，观察化学能转化为电能的过程。

原理：

• 电解水：$\ce{2H2O} \xlongequal{\text{通电}} \ce{2H2 ^ + O2 ^}$。
• 碱性氢氧燃料电池（$\ce{KOH}$ 溶液）：
  • 负极：$\ce{2H2 - 4e- + 4OH- = 4H2O}$。
  • 正极：$\ce{O2 + 4e- + 2H2O = 4OH-}$。
  • 总反应：$\ce{2H2 + O2 = 2H2O}$。
• 酸性氢氧燃料电池（质子交换膜）：
  • 负极：$\ce{2H2 - 4e- = 4H+}$。
  • 正极：$\ce{O2 + 4e- + 4H+ = 2H2O}$。
• 本实验用 $\ce{Na2SO4}$ 溶液（中性）：负极 $\ce{2H2 - 4e- = 4H+}$，正极 $\ce{O2 + 4e- + 2H2O = 4OH-}$；两极生成的 $\ce{H+}$ 和 $\ce{OH-}$ 中和，总反应仍为 $\ce{2H2 + O2 = 2H2O}$。

器材与装置

U 形管（或电解槽）、石墨电极两根、直流电源、导线、电流计（或小灯泡）、$\ce{Na2SO4}$ 溶液（或 $\ce{KOH}$ 溶液）、试管。

步骤

1. 向 U 形管中加入 $\ce{Na2SO4}$ 溶液，插入两根石墨电极，接直流电源。
2. 通电电解水，观察两极产生气泡，用试管收集气体，检验氢气和氧气（氢气验纯后点燃，氧气使带火星木条复燃）。
3. 停止通电，把电源换成电流计（或小灯泡），观察电流计指针是否偏转。
4. 记录现象，写出电极反应和总反应。

数据处理

阶段	现象	结论
电解水	两极产生气泡，体积比约 $2 : 1$	阴极产生 $\ce{H2}$，阳极产生 $\ce{O2}$
检验气体	$\ce{H2}$ 点燃有爆鸣声，$\ce{O2}$ 使带火星木条复燃	确认是氢气和氧气
组成燃料电池	电流计指针偏转（或小灯泡发光）	化学能转化为电能
电极反应	负极氢气被氧化，正极氧气被还原	总反应生成水

误差分析

• 收集的气体量太少，燃料电池工作的时间短；电解时间要足够。
• 电极与导线接触不良，电流计不偏转；检查连接。
• 电解质溶液浓度太低，导电性差，电流小；用适当浓度的 $\ce{Na2SO4}$ 或 $\ce{KOH}$ 溶液。
• 气体不纯：电解产生的气体中混有空气，点燃时可能爆鸣；点燃前必须验纯。
• 两极气体比例不当：$\ce{H2}$ 和 $\ce{O2}$ 的体积比约为 $2 : 1$ 时电池效率最好。

注意事项

• 电解时阴极产生氢气、阳极产生氧气；电源的正负极不能接反（接反时电极名称对调，气体种类也交换）。
• 点燃氢气前必须验纯，防止爆炸。
• 燃料电池的电解质不同，电极反应式不同：碱性条件下负极消耗 $\ce{OH-}$ 生成 $\ce{H2O}$，正极生成 $\ce{OH-}$；酸性条件下负极生成 $\ce{H+}$，正极消耗 $\ce{H+}$ 生成 $\ce{H2O}$。
• 燃料电池的总反应就是氢气燃烧的反应，但能量转化方式不同：燃烧是热能，燃料电池是电能。
• 实验结束断开电源，回收废液。

例题

例 1　（场景：写电极反应）写出碱性氢氧燃料电池的负极、正极反应和总反应。

解：

判断依据：负极通入燃料（$\ce{H2}$）失电子，正极通入氧化剂（$\ce{O2}$）得电子；碱性介质中生成 $\ce{OH-}$ 或 $\ce{H2O}$。

• 负极：$\ce{2H2 - 4e- + 4OH- = 4H2O}$。
• 正极：$\ce{O2 + 4e- + 2H2O = 4OH-}$。
• 总反应：$\ce{2H2 + O2 = 2H2O}$。

检验：负极失 $4$ 个电子，正极得 $4$ 个电子，电子守恒；总反应中 $\ce{OH-}$ 抵消，与氢气燃烧的方程式一致。

三查：两个电极反应原子、电荷守恒；总反应原子守恒，电子守恒。

例 2　（场景：判断电极和离子移动）在碱性氢氧燃料电池中，指出正负极、电子流向和 $\ce{OH-}$ 的移动方向。

解：

判断依据：通入燃料的一极是负极，通入氧化剂的一极是正极；阴离子移向负极。

• 负极：通入 $\ce{H2}$ 的一极。
• 正极：通入 $\ce{O2}$ 的一极。
• 电子：由负极经外电路流向正极。
• $\ce{OH-}$：移向负极（参与负极反应），$\ce{K+}$ 移向正极。

检验：负极反应消耗 $\ce{OH-}$，正极反应生成 $\ce{OH-}$，$\ce{OH-}$ 从正极移向负极，形成闭合回路。

例 3　（场景：比较燃烧与燃料电池）氢气燃烧和氢氧燃料电池的总反应相同，两者有什么不同？

解：

判断依据：总反应相同，但能量转化方式和反应场所不同。

• 燃烧：氢气在空气中燃烧，化学能主要转化为热能，反应不受控制。
• 燃料电池：氢气和氧气分别在两个电极上反应，化学能转化为电能，反应受电极和电路控制。
• 燃料电池的能量转化效率比燃烧发电高，产物只有水，不污染环境。

检验：两者的总反应都是 $\ce{2H2 + O2 = 2H2O}$，但一个放热、一个发电，区别在装置和能量转化方式。

易错点

• 错在哪：在碱性燃料电池中把负极反应写成 $\ce{2H2 - 4e- = 4H+}$。 为什么错：理解性错误。碱性介质中 $\ce{H+}$ 不能大量存在，产物是 $\ce{H2O}$。 正确做法：碱性条件下负极写 $\ce{2H2 - 4e- + 4OH- = 4H2O}$。
• 错在哪：认为燃料电池的总反应和燃烧不同。 为什么错：理解性错误。总反应相同，都是氢气与氧气生成水。 正确做法：总反应写 $\ce{2H2 + O2 = 2H2O}$，电极反应相加后 $\ce{OH-}$ 抵消。
• 错在哪：电解水时把产生氢气的一极当作阳极。 为什么错：记忆性错误。阴极得电子，氢离子被还原成氢气；阳极产生氧气。 正确做法：阴极产生 $\ce{H2}$，阳极产生 $\ce{O2}$。

关联知识点

• 前置：第 20 章原电池与化学电源，燃料电池的电极反应。
• 前置：第 21 章电解池，电解水的反应。
• 前置：第 5 章氧化还原反应，电子守恒。
• 关联：第 19 章化学反应与能量变化，燃烧热。
• 常一起考：第 21 章电解池，电镀与电解精炼。

43.7 自测

1. 写出 $\ce{Fe^3+}$ 与 $\ce{SCN-}$ 的平衡方程式；加入 $\ce{NaOH}$ 后颜色怎样变化？为什么？
2. $\ce{2NO2 <=> N2O4}$ 正反应放热，升高温度颜色怎样变化？
3. 用 $0.1000\ \mathrm{mol/L}\ \ce{NaOH}$ 滴定 $20.00\ \mathrm{mL}$ 盐酸，消耗 $19.80\ \mathrm{mL}$，求盐酸浓度。
4. 滴定管未用标准液润洗、锥形瓶用待测液润洗，各使结果偏高还是偏低？
5. 用 pH 试纸测定 $\ce{CH3COONa}$、$\ce{NH4Cl}$、$\ce{NaCl}$ 溶液的 pH，各显什么性？为什么？
6. 配制 $\ce{FeCl3}$ 溶液时为什么要加盐酸？
7. 写出 $\ce{Al2(SO4)3}$ 与 $\ce{NaHCO3}$ 双水解的离子方程式。
8. 电镀铜时，阳极、阴极各是什么？写出电极反应；为什么电镀液浓度基本不变？
9. 写出碱性氢氧燃料电池的负极、正极反应和总反应。
10. 电解水时，阴极和阳极各产生什么气体？体积比是多少？

答案：1. $\ce{Fe^3+ + 3SCN- <=> Fe(SCN)3}$；加 $\ce{NaOH}$ 消耗 $\ce{Fe^3+}$，平衡左移，红色变浅。 2. 颜色加深，升温向吸热的逆反应方向移动。 3. $0.09900\ \mathrm{mol/L}$。 4. 都偏高。 5. $\ce{CH3COONa}$ 碱性、$\ce{NH4Cl}$ 酸性、$\ce{NaCl}$ 中性；谁强显谁性。 6. 抑制 $\ce{Fe^3+}$ 水解，保持溶液澄清。 7. $\ce{Al^3+ + 3HCO3- = Al(OH)3 v + 3CO2 ^}$。 8. 阳极铜片、阴极铁片；阳极 $\ce{Cu - 2e- = Cu^2+}$，阴极 $\ce{Cu^2+ + 2e- = Cu}$；溶解和析出的铜相等。 9. 负极 $\ce{2H2 - 4e- + 4OH- = 4H2O}$，正极 $\ce{O2 + 4e- + 2H2O = 4OH-}$，总反应 $\ce{2H2 + O2 = 2H2O}$。 10. 阴极 $\ce{H2}$、阳极 $\ce{O2}$，体积比 $2 : 1$。

43.8 深入阅读

• 国家中小学智慧教育平台：人教版高中化学电子教材和实验视频，平衡移动、中和滴定、盐类水解、电镀和燃料电池都有演示。
• 人民教育出版社 · 高中化学：教材目录和教师用书，核对五个实验活动的原文要求和操作步骤。
• 维基百科 · 滴定：滴定管的使用、终点判断和滴定曲线的扩展阅读，可对照本章的中和滴定实验。
• 维基百科 · 法拉第电解定律：电镀和电解中电量与析出物质量的关系，配合电镀实验理解电子转移的计量。