綠色化食鹽水電解器的設(shè)計(jì)

山東省肥城市第一高級(jí)中學(xué)(271600) 賈同全

1 設(shè)計(jì)意圖

氯堿工業(yè)是教材詳細(xì)介紹的化學(xué)工業(yè)之一，電解飽和食鹽水是氯堿工業(yè)中的重要反應(yīng),也是高中化學(xué)課堂中一個(gè)非常重要的實(shí)驗(yàn)。不同版本教材中對(duì)于電解飽和食鹽水實(shí)驗(yàn)的呈現(xiàn)也不同，對(duì)比情況見(jiàn)表1。

電解飽和食鹽水的實(shí)驗(yàn)主要涉及兩極產(chǎn)物的檢驗(yàn)以及氯氣的處理，在人教版和蘇教版教材中既沒(méi)有該實(shí)驗(yàn)的圖示，也沒(méi)有安排實(shí)驗(yàn)，在教學(xué)過(guò)程中教師通常會(huì)按照魯科版教材所示裝置進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，即利用帶有支管的U型管。其不足之處在于：①該裝置與氯堿工業(yè)的實(shí)際生產(chǎn)裝置有一定的距離，在氯堿工業(yè)中所用的陽(yáng)離子交換膜在教學(xué)實(shí)驗(yàn)中難以實(shí)現(xiàn)；②利用U型管進(jìn)行實(shí)驗(yàn)時(shí)，離子在陰陽(yáng)兩極遷移的距離過(guò)長(zhǎng)，導(dǎo)致整個(gè)電路的電阻較大，實(shí)驗(yàn)時(shí)收集氣體所需的時(shí)間較長(zhǎng)，同時(shí)氯氣逸出會(huì)造成空氣污染，不利于在課堂進(jìn)行演示；③由于U型管帶有支管，導(dǎo)致浸入溶液中的電極太短，接觸面積小，不利于氣體的產(chǎn)生。

利用一體化電解食鹽水裝置，可有效控制實(shí)驗(yàn)的進(jìn)行，操作簡(jiǎn)單，現(xiàn)象明顯。能夠充分展示電解后的各種產(chǎn)物，體現(xiàn)物質(zhì)變化與實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的一體化融合，培養(yǎng)學(xué)生辯證統(tǒng)一的核心素養(yǎng)。同時(shí)，該實(shí)驗(yàn)在組裝式密閉容器中進(jìn)行，從而使產(chǎn)物的檢驗(yàn)與尾氣的處理合二為一，實(shí)現(xiàn)了無(wú)污染的“綠色化學(xué)實(shí)驗(yàn)”的設(shè)想。并且教具制作的材料易得，制作簡(jiǎn)單，易于推廣。

表1 三種版本教材電解飽和食鹽水實(shí)驗(yàn)對(duì)比

2 制作材料

玻璃管(18 mm×200 mm、22 mm×100 mm、6 mm×60 mm)、單孔橡膠塞、雙孔橡膠塞、分液漏斗、長(zhǎng)頸漏斗、石墨電極、乳膠管、玻璃多孔球泡、低壓電源(18 V)、有機(jī)玻璃支架。

3 制作方法

3.1 H型電解管的制作

取1根18 mm×200 mm的玻璃管用玻璃鉆頭打孔器在距離管口3 cm和6 cm處各打1個(gè)直徑約2 mm的孔。取另1根18 mm×200 mm的玻璃管用玻璃鉆頭打孔器在距離管口6 cm處各打1個(gè)直徑約2 mm的孔。再用玻璃鉆頭打孔器在1根 6 mm×60 mm 的玻璃管中央打1個(gè)直徑約2 mm的孔。用玻璃膠按如圖1所示將3根玻璃管粘在一起，管口下部塞上帶有石墨電極的橡膠塞，上部分別塞上帶開(kāi)關(guān)的橡膠塞和連分液漏斗及導(dǎo)氣管的橡膠塞，并在兩管之間連上分液漏斗。這樣，H型電解管就制作完成了。

3.2 剩余氯氣處理管的制作

用1根22 mm×100 mm玻璃管在酒精噴燈外焰上邊燒邊拉伸(灼燒處距離管口5 cm左右)，將下端做成細(xì)管狀，并將帶有玻璃開(kāi)關(guān)和連有玻璃多孔球泡的橡膠塞緊管口。這樣，剩余氯氣處理管就做成了，如圖2所示。

圖1 H型電解管

圖2 剩余氯氣處理管

3.3 食鹽電解器的組裝

在H型電解管下方的電極上連接電源線，在有機(jī)玻璃支架上用玻璃膠將H型電解管、剩余氯氣處理管和直流電源組合固定為一體(注意：玻璃膠的用量要適量，在玻璃管的背面粘牢，以免對(duì)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象產(chǎn)生干擾 )，如圖3所示。其中在a、b、e處為玻璃活塞，c、d處安裝有玻璃球活門，以利于氣體的定向流動(dòng)。

圖3 綠色化食鹽水電解器示意圖

4 使用方法

(1)如圖3所示將裝置連接好，并檢查裝置氣密性以及裝置中電源的連接情況。

(2)將活塞a、b打開(kāi)，使管內(nèi)與外界大氣壓連通，從長(zhǎng)頸漏斗中加人滴有無(wú)色酚酞溶液的飽和食鹽水，注滿整個(gè)H型電解管，并且管內(nèi)沒(méi)有任何氣泡。

(3)打開(kāi)電源開(kāi)關(guān)，調(diào)節(jié)電壓，以導(dǎo)管中產(chǎn)生均勻的氣泡為宜，可以觀察到與電源正極相連(陽(yáng)極)的管中有黃綠色氣體產(chǎn)生；與電源負(fù)極相連(陰極)的管中有無(wú)色氣體產(chǎn)生，并且溶液逐漸變紅，說(shuō)明有堿生成(放氫生堿)。

(4)關(guān)閉電源，取一小試管倒扣在活塞a連接的玻璃管上，慢慢打開(kāi)活塞a，放出適量無(wú)色氣體后關(guān)閉a，立即用拇指堵住試管口，將其移至酒精燈火焰上可聽(tīng)到爆鳴聲，證明產(chǎn)生的氣體為氫氣。在分液漏斗中放入一 小塊濕潤(rùn)的淀粉碘化鉀試紙，蓋好分液漏斗的塞子。輕輕旋開(kāi)分液漏斗的活塞b，放出少量氣體后立即關(guān)閉b，可觀察到試紙變藍(lán)， 說(shuō)明管內(nèi)產(chǎn)生的氣體是氯氣。從而驗(yàn)證了電解的產(chǎn)物，體現(xiàn)了密閉、微量、環(huán)保的綠色化學(xué)思想，有利于培養(yǎng)學(xué)生的微粒觀、守恒觀、發(fā)展觀的化學(xué)核心素養(yǎng)。

(5)在剩余氯氣處理管活塞e處的導(dǎo)管口放置適量浸有堿液的脫脂棉后，打開(kāi)活塞e，擠壓玻璃球活門d,將適量呈紅色的氫氧化鈉溶液引入剩余氯氣處理管中。再擠壓玻璃球活門c,使陽(yáng)極產(chǎn)生的氯氣從玻璃多孔球泡中均勻冒出，與陰極生成氫氧化鈉溶液充分、迅速地反應(yīng)，可發(fā)現(xiàn)溶液紅色逐漸消失，剩余氯氣被充分吸收。驗(yàn)證后的實(shí)驗(yàn)產(chǎn)物又被在密閉系統(tǒng)中吸收和利用，體現(xiàn)了化學(xué)實(shí)驗(yàn)的一體化，使得實(shí)驗(yàn)在遵循節(jié)約、環(huán)保、現(xiàn)象明顯的基礎(chǔ)上得以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)化的設(shè)計(jì)。

5 注意事項(xiàng)

(1)一定要用飽和食鹽水完成該實(shí)驗(yàn)，這樣才能收集適量的氯氣，使氯氣處理過(guò)程的效果更加明顯。

(2)長(zhǎng)頸漏斗的選擇要保證電解時(shí)有足夠的液體回流容量。

(3)電解電壓選擇18 V是為了加快電解速率，節(jié)省時(shí)間。

(4)處理剩余氯氣時(shí)，使用玻璃多孔球泡導(dǎo)入氯氣，有利于擴(kuò)大接觸面積，使氯氣充分、迅速地與氫氧化鈉溶液反應(yīng)，提高吸收效率。同時(shí)可激發(fā)學(xué)生的興趣，提升其學(xué)習(xí)的積極性。

總之，本實(shí)驗(yàn)的一體化設(shè)計(jì)體現(xiàn)了中學(xué)化學(xué)實(shí)驗(yàn)的核心素養(yǎng)，在目標(biāo)達(dá)成上學(xué)生不僅理解了電解食鹽水的原理與過(guò)程，同時(shí)還鞏固了酸、堿、鹽的有關(guān)性質(zhì)的知識(shí)點(diǎn)，使一個(gè)單獨(dú)的實(shí)驗(yàn)變成了一個(gè)綜合性的實(shí)驗(yàn)。在培養(yǎng)學(xué)生綜合探究能力的同時(shí)，也使學(xué)生受到了潛移默化的環(huán)保教育。