新改進的水電解實驗裝置

丁昭蘭

摘要：針對教材中和實驗室現(xiàn)有水電解裝置存在攜帶和操作不方便、電解速度慢且誤差大等缺點，采用實驗、對比等研究方法，設計了以刻度H管為主體的電解水實驗改進裝置，選用螺旋狀的粗銅絲為電極。改進后的裝置便于攜帶，驗氣、加液操作方便，以10% NaOH溶液為電解液，工作電壓15V，約2分鐘，可電解出體積比為2：1的氫氣和氧氣，實驗效果好。用該裝置還能拓展做如鉀、鈉分別與水的反應，電解飽和氯化鈉溶液等多個實驗。

關鍵詞：水電解裝置；刻度H管；銅絲電極；實驗改進

文章編號：1005–6629（2015）10–0073–03 中圖分類號：G633.8 文獻標識碼：B

1 實驗改進背景

電解水實驗是中學階段一個非常重要的實驗，但教材中和實驗室現(xiàn)有的裝置都存在一定的問題。初中人教版教材中的裝置如圖1所示[1]，裝置需要鐵架臺支撐，攜帶不方便；高中必修1（人教版）中的裝置如圖2所示[2]，導線浸沒于電解液，放入和取出試管時手都要接觸到電解液，驗氣等操作也不方便；實驗室現(xiàn)有的實驗裝置如圖3所示，加注水時，水一旦超過滴定管的最下端，水盒上方的空氣就被密封在盒內，造成加水不暢，設計欠佳。上述電解器一般都采用鍍鎳材料作為電極，電極細而短，電解水耗時一般需3分鐘以上，氫氣、氧氣體積比常會大于2：1。圖1、圖3的兩反應管出口端均似滴定管，只能為電解水專用，不能拓展做其他相關的實驗。盡管目前對電解水實驗已有較多的研究和改進，但都不夠完善。因此，進一步研究電解水裝置的改進是有意義的。

2 裝置的改進

目前關于電解水裝置的改進，有將產生的氣體導出到管外裝置的，多采用U型管作為反應管[3]，雖然方便檢驗氣體，但不便觀測氣體體積；也有將電解液壓出到管外容器的，與教材或現(xiàn)有裝置基本一致。如果將反應管改為刻度H管（長150mm、￠15mm），在刻度H管中下部橫管的支管上連接一個長頸漏斗，再將刻度H管下端插入底座兩孔并固定，用塑料固定夾將兩個反應管和長頸漏斗固定在一起，用帶電極的膠塞塞緊下管口，帶有尖嘴管（內有玻璃珠）的膠塞塞緊上管口，即成新改進的水電解器，見圖4和圖5。新改進的裝置穩(wěn)定性好，便于攜帶，加液通暢，驗氣方便。由于兩反應管上、下口徑相同，故配以不同的膠塞和藥品，可拓展做鈉鉀分別與水、鈉與無水乙醇，銅與濃、稀硝酸的反應，電解氯化銅、飽和氯化鈉以及電鍍等實驗。

4 利用新改進的裝置進行電解水實驗

先將作為陽極的銅絲電極在酒精燈上燒制成黑色的氧化銅，再將帶有銅絲電極的膠塞插入刻度H管的下管口（注：帶有氧化銅的銅絲一定要作陽極，不能接反），為了避免產生的氣體從兩管之間的橫管逸出，在靠近橫管的銅絲外套一粗玻璃管。將10%的氫氧化鈉溶液從漏斗注入，插入帶有尖嘴管的膠塞，擠壓玻璃珠調節(jié)液面，直至上管口空氣排凈。接通15V直流電，2分鐘后，陰極產生長度約66mm的氣體，陽極產生長度約33mm的氣體，體積比為2：1。點燃陰極氣體，能燃燒，證明是氫氣；用帶火星的木條檢驗陽極氣體，能復燃，證明是氧氣。

5 拓展實驗案例

5.1 鈉（或鉀）與水的反應

將帶有尖嘴管的膠塞插入一枚大頭針，針尖刺一顆綠豆大的鈉（或鉀），與另一膠塞一起塞入注滿水（加酚酞）的反應管。見圖6。

5.2 鈉與無水乙醇的反應

在其中一反應管靠近橫管的上方處放入一團鋼絲球（防止鈉沉入管底使反應產生的氣體從橫管逸出），將鈉放入注滿無水乙醇的反應管后塞入膠塞。見圖7。

5.3 銅與濃硝酸的反應

將插有粗銅絲和帶有乳膠管（內置玻璃珠）的玻璃管的膠塞與另一膠塞一起塞入注滿濃硝酸的反應管。吸收NO2時，將銅絲向上提起，用沾有濃NaOH溶液的棉花置于乳膠管口，擠壓玻璃珠放出NO2。見圖8。

5.4 銅與稀硝酸的反應

將插有螺旋狀粗銅絲和注射器的膠塞與另一膠塞一起塞入注滿稀硝酸（1：2）的反應管。待產生NO后，注射器注入空氣即可將無色的NO氧化成紅棕色的NO2。見圖9。

5.5 電解氯化銅

將插有碳棒的兩膠塞塞入水電解器下端管口，反應管注滿氯化銅溶液后上端塞入膠塞（其一膠塞配有尖嘴管），碳棒電極接入直流電（正極接入塞有尖嘴管膠塞的那邊），待氯氣產生后用濕潤的碘化鉀淀粉試紙在尖嘴管處檢驗氯氣。見圖10。

5.6 電鍍

電鍍實驗與電解實驗基本一致，所不同的是電鍍液和所用的電極，由于電鍍不產生氣體，所以裝置上管口無需密封。

總之，由于改進后的水電解實驗裝置兼具且優(yōu)于U型管的功能，故能拓展做上述一系列實驗，同時具有安全、環(huán)保、易于操作等優(yōu)點。

6 創(chuàng)新及特點

（1）用刻度H管配以長頸漏斗和底座而制成的水電解器，設計科學合理，使用、攜帶均方便。

（2）用螺旋狀的粗銅絲作電極（陽極表面制成氧化銅），電解速度快，實驗效果好。

（3）兼具且優(yōu)于U型管的功能，可拓展做相關的多個實驗，通用性廣，實用性強。

參考文獻：

[1]王晶，鄭長龍主編.義務教育教科書·化學（九年級上冊）[M].北京：人民教育出版社，2012：80.

[2]宋心琦主編.普通高中課程標準實驗教科書·化學1（必修）[M].北京：人民教育出版社，2007：13.

[3]郭志祥等.電解水的實驗改進[J].中學化學，2014，（10）：22～23.

[4]古仁欽，李琦.電解水中電極材料與電解條件的選擇[J].化學教育，1998，（6）：38～39.