電解水實(shí)驗(yàn)的教學(xué)反思與裝置改進(jìn)

程明銀

化學(xué)演示實(shí)驗(yàn)是學(xué)生獲得化學(xué)感性知識(shí)的重要渠道，是化學(xué)教學(xué)中最常用的直觀手段之一；可以幫助學(xué)生形成化學(xué)概念、理解化學(xué)原理、鞏固化學(xué)知識(shí)，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)化學(xué)的興趣?；瘜W(xué)演示實(shí)驗(yàn)還有利于學(xué)生觀察實(shí)驗(yàn)操作的過程，掌握科學(xué)、規(guī)范的實(shí)驗(yàn)操作，對(duì)啟迪學(xué)生思維、培養(yǎng)學(xué)生觀察分析問題的能力、形成科學(xué)方法、提高創(chuàng)新能力均能產(chǎn)生積極有效的作用。

9年級(jí)化學(xué)上冊(cè)《探究水的組成》中電解水的實(shí)驗(yàn)是初中化學(xué)教學(xué)中的一個(gè)重要實(shí)驗(yàn)。根據(jù)實(shí)驗(yàn)的現(xiàn)象和對(duì)電解水產(chǎn)物的檢驗(yàn)和分析，得出水是由氫元素和氧元素組成的結(jié)論及化學(xué)式。進(jìn)一步讓學(xué)生認(rèn)識(shí)構(gòu)成物質(zhì)的微粒（原子、分子）之間的關(guān)系，為學(xué)生理解化學(xué)反應(yīng)的實(shí)質(zhì)和質(zhì)量守恒定律奠定了基礎(chǔ)。這個(gè)實(shí)驗(yàn)的成功與否直接影響著本堂課的教學(xué)效果。

1對(duì)電解水實(shí)驗(yàn)的反思

在原人教版教材中，學(xué)習(xí)《探究水的組成》教材中展示的電解水的裝置見圖1（水槽、試管組成的簡(jiǎn)易裝置），學(xué)生看的時(shí)候簡(jiǎn)單易懂，但教師演示的時(shí)候卻非常不方便。

（1）試管、接線柱等儀器固定難度大，全套儀器組裝、攜帶不方便。

（2）在水中無論加稀硫酸還是氫氧化鈉溶液均有腐蝕性，用水槽盛放電解液所需電解液量大，且收集氣體的試管從電解液放入或拿出時(shí)，皮膚因接觸電解液而易受腐蝕。

（3）產(chǎn)生氣體的速度慢，體積比與理論值相差太大，不易讓學(xué)生辨別2∶1的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。檢驗(yàn)氫氣的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象轉(zhuǎn)瞬即逝，學(xué)生沒有時(shí)間觀察，實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象還要靠教師描述，實(shí)驗(yàn)效果很不理想。

除了上化學(xué)課的第一年做過這個(gè)實(shí)驗(yàn)，后來一直采用“講實(shí)驗(yàn)”的方法，觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象變成講實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。隨著多媒體在課堂教學(xué)中的廣泛應(yīng)用，在進(jìn)行本節(jié)的教學(xué)時(shí)，常用Flash動(dòng)畫演示通電分解水的過程，收到了良好的效果。不管是“講實(shí)驗(yàn)”還是用多媒體動(dòng)畫來演示實(shí)驗(yàn)的過程，都與新課程標(biāo)準(zhǔn)的要求相違背，剝奪了學(xué)生親身經(jīng)歷實(shí)驗(yàn)的過程和體驗(yàn)獲取知識(shí)的方式，不利于激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)化學(xué)的興趣，不利于提高學(xué)生觀察實(shí)驗(yàn)和分析問題的能力，更不利于提高學(xué)生的化學(xué)實(shí)驗(yàn)技能，學(xué)生的動(dòng)手能力越來越差。

隨著義務(wù)教育階段學(xué)校標(biāo)準(zhǔn)化建設(shè)，我校的理化生實(shí)驗(yàn)室、儀器等各項(xiàng)指標(biāo)達(dá)到省級(jí)標(biāo)準(zhǔn)。實(shí)驗(yàn)室配備了如圖2所示的霍夫曼水電解器?？傁胗没舴蚵娊馄鬟_(dá)到理想的實(shí)驗(yàn)效果，結(jié)果出乎意料。在課堂上演示時(shí)，先在裝置中加入水，為增強(qiáng)水的導(dǎo)電性還加入了氫氧化鈉溶液，發(fā)現(xiàn)裝置完好。利用學(xué)生電源調(diào)節(jié)到12 V，打開電源開關(guān)，前面的學(xué)生能清楚地觀察到兩極上有氣泡冒出，但速度有些慢。隨著水不斷電解，部分電解液從中間的漏斗慢慢溢出，立即關(guān)閉開關(guān)，發(fā)現(xiàn)氫氣與氧氣的體積比與理論值2∶1差距大，實(shí)驗(yàn)的效果很差。讓學(xué)生討論了氧氣偏少的原因，通過交流學(xué)生一致認(rèn)為氫氣與氧氣體積比大于2∶1的其主要原因是：氫氣和氧氣的溶解性有差異，正極上產(chǎn)生的氧參與了電極的氧化。雖然學(xué)生的討論結(jié)果讓筆者很欣慰，但還是掩飾不住演示實(shí)驗(yàn)的失敗。在另一個(gè)班上課前，筆者用碳棒作電極，在其他教師的建議下，筆者在上課前進(jìn)行了預(yù)電解，減小因兩種氣體的溶解性不同造成的差異。在課堂上電解的過程中發(fā)現(xiàn)碳棒上的石墨脫落進(jìn)入電解液，影響了觀察的效果，而且氫氣與氧氣的體積比差距更大。筆者雖從教初中化學(xué)近10年，但對(duì)本實(shí)驗(yàn)缺乏預(yù)見性，對(duì)可能導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)失敗的偶然因素估計(jì)不到位，沒能將一個(gè)重要的實(shí)驗(yàn)做成功。

2優(yōu)化實(shí)驗(yàn)操作方法，提高演示實(shí)驗(yàn)的準(zhǔn)確性

在近幾年的教學(xué)中，筆者不斷地對(duì)該實(shí)驗(yàn)進(jìn)行探索，總結(jié)出使霍夫曼水電解器達(dá)到良好實(shí)驗(yàn)效果需要的電極材料、電解液濃度及電壓。

（1）教材中提示在電解水時(shí)加入氫氧化鈉或硫酸增強(qiáng)水的導(dǎo)電性，但沒有具體的參考濃度。電解液濃度不能隨意，電解液濃度太小電解速度太慢，電解液濃度太大，造成電解液的浪費(fèi)，電解液濃度在10%～15%效果較好。

（2）不同的電極材料在同一電解液里電解的效果是有差異的。如果用氫氧化鈉溶液做電解液，最好用鐵絲；如果用稀硫酸做電解液，最好用保險(xiǎn)絲（0.5 A）。為加快電解的速度，可將鐵絲（直徑為05 mm）做成束狀，保險(xiǎn)絲繞成螺旋狀。

（3）在通電分解水中，在其他條件不變情況下電壓越高，電解速度越快，但一般控制在12～16 V即可。

另外，在實(shí)驗(yàn)時(shí)還應(yīng)注意下述情況：保證水電解器的干凈，如果有不溶性的雜質(zhì)或灰塵，加入電解液就會(huì)有少量的氣泡，影響實(shí)驗(yàn)的觀察；由于氧氣、氫氣的溶解性有差異，再加上正極材料被氧化消耗了一部分氧氣，所以實(shí)驗(yàn)前，先電解一段時(shí)間，使氧氣、氫氣在電解液中達(dá)到飽和狀態(tài)，同時(shí)在正極表面形成氧化膜的保護(hù)層，以防在以后的實(shí)驗(yàn)中消耗氧氣。該實(shí)驗(yàn)要達(dá)到快速、精確還是有一定的難度，但如果注意上面這些問題，應(yīng)該能使本實(shí)驗(yàn)達(dá)到理想的效果。

3對(duì)實(shí)驗(yàn)裝置進(jìn)行改進(jìn)，提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)的科學(xué)性

霍夫曼水電解器的重心比較高，不夠安全，為達(dá)到霍夫曼水電解器的全部功能，且操作簡(jiǎn)便易行，筆者通過反復(fù)實(shí)踐制作了如圖3所示的水電解器。

（1）制作材料：酸式滴定管2支（活塞密封性好）、T型玻璃管1只、塑料輸液瓶1個(gè)、橡膠管1段、尖嘴玻璃導(dǎo)管1段、玻璃管2段、細(xì)鐵絲（或05 A保險(xiǎn)絲）若干、小軟膠塞2個(gè)（大小以能塞緊滴定管的開口端為準(zhǔn)）等。

（2）制作方法：截取酸式滴定有刻度部分20 mL，對(duì)截取端用砂紙打磨。將塑料輸液瓶的瓶身至底部剪去一半（留底部的吊環(huán)），尖嘴玻璃管直接插入瓶塞。在小軟賽上打孔，插入玻璃管，同時(shí)將螺旋狀的細(xì)鐵絲插入小軟塞。最后用橡膠管按如圖3所示的方式連接輸液瓶、T型玻璃管、小軟塞上的玻璃管。

（3）使用方法：用小軟塞旋緊酸式滴定管，將酸式滴定管用蝴蝶夾固定在鐵架臺(tái)上，將塑料輸液瓶吊在鐵架臺(tái)上，打開活塞，向輸液瓶?jī)?nèi)加入電解液（充滿酸式滴定管為宜）。關(guān)閉活塞，接好電路，打開電源開始電解水。

（4）自制電解水裝置的優(yōu)點(diǎn)：實(shí)驗(yàn)器材易尋找，制作方法簡(jiǎn)單；實(shí)驗(yàn)組裝攜帶方便，穩(wěn)定性好；完成實(shí)驗(yàn)的時(shí)間短，現(xiàn)象明顯，實(shí)驗(yàn)分解產(chǎn)生的氫氣和氧氣的體積比學(xué)生容易讀成2∶1，還可以防止電解的過程中電解液溢出。

面對(duì)新課程中的演示實(shí)驗(yàn)教學(xué)，切實(shí)按照新課標(biāo)的要求，不斷學(xué)習(xí)新的教育理念，積極探索，創(chuàng)造性處理教材和使用教材，積極反思，做好每一個(gè)演示實(shí)驗(yàn)，把化學(xué)演示實(shí)驗(yàn)教學(xué)的功能發(fā)揮到極致。