電解水小型實(shí)驗(yàn)裝置的設(shè)計(jì)

黃海燕 王澤安

摘要：介紹一種自行設(shè)計(jì)的小型電解水實(shí)驗(yàn)裝置。相比于教材上的實(shí)驗(yàn)裝置，采用新型的溫差發(fā)電作為電解電源以代替原用的直流電源;使用鉑金鈦網(wǎng)電極，降低了電解的電流與電壓，同時(shí)還減小了電極兩端產(chǎn)生氣體的體積比誤差;電解水得到氫氣和氧氣的體積比基本恒定為2∶1。

關(guān)鍵詞：電解水實(shí)驗(yàn); 小型實(shí)驗(yàn)裝置; 溫差發(fā)電電源; 鉑金鈦網(wǎng)電極; 實(shí)驗(yàn)探究

文章編號(hào)：1005-6629（2021）08-0072-04

中圖分類號(hào)：G633.8

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

1 提出問題

電解水實(shí)驗(yàn)是人教版九年級(jí)《化學(xué)》[1]上冊(cè)第四單元課題3的一個(gè)經(jīng)典實(shí)驗(yàn)，其目的是為了讓學(xué)生從該實(shí)驗(yàn)中認(rèn)識(shí)水的組成，霍夫曼電解器是該實(shí)驗(yàn)的經(jīng)典儀器。在該實(shí)驗(yàn)中，利用直流電源電解水，學(xué)校一般使用的簡(jiǎn)易的霍夫曼電解器（正規(guī)的電解器使用電極材料鉑）的電極材料是不銹鋼[2]，這樣一來，常會(huì)伴隨一些問題，如電解器裝置相對(duì)較大，消耗的電解液較多;產(chǎn)生的氣體體積比例常有誤差等。除此之外，筆者思考發(fā)電的方式除了直流電源外，是否還有其他形式？本文將從三個(gè)方面改進(jìn)該實(shí)驗(yàn)：一是將電解裝置變小，改裝成小型裝置;二是為了減小氣體體積的誤差，嘗試改變電極材料;三是改變電源的方式?；诖?，試圖探索一套有趣的小型電解水裝置供同仁們參考。

2 微型化電解水實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

2.1 實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新點(diǎn)及原理

2.1.1 電解水裝置

制作過程：（1） 將兩個(gè)廢棄的青霉素小瓶（25mL，如圖1a所示），上面的瓶口不動(dòng)，將下面的瓶底用砂輪磨通后（如圖1b所示），洗凈，備用。

（2） 選用兩個(gè)相同規(guī)格的鉑金鈦網(wǎng)（15mm×40mm）做電極材料（淘寶購買），將導(dǎo)線綁在大頭針上， 用大頭針將導(dǎo)線穿引過小瓶上的膠塞，然后將導(dǎo)線與電極材料相連，拉動(dòng)導(dǎo)線另一頭，使電極材料緊挨瓶塞。

（3） 用橡皮筋將兩個(gè)青霉素小瓶的瓶身綁在一起，兩電極之間的距離約為3cm，并將一個(gè)小木條夾在兩個(gè)小瓶中間，準(zhǔn)備制作氣體體積刻度。

（4） 將固定好電極材料的裝置底部朝上，用量筒分別量取2mL、 4mL、 6mL……至20mL水于其中一只小瓶?jī)?nèi)，用紅色記號(hào)筆在小木條上標(biāo)記液體體積，即為電解裝置的刻度。由于青霉素小瓶的瓶身不是很規(guī)整，所以刻度的間距也有點(diǎn)不均勻。

（5） 為了增強(qiáng)氣密性，可以在小瓶瓶塞邊上面涂一層凡士林，電解裝置便制作完成，如圖2所示。

2.1.2 溫差發(fā)電

能源緊缺是一個(gè)世界性的難題，尋找綠色環(huán)保的能源一直是研究的熱點(diǎn)。對(duì)于電解水實(shí)驗(yàn)，需要電解的能源，已有的文獻(xiàn)對(duì)電源的改進(jìn)無非是電壓大小的確定[3]或從生活中尋求替代品，如干電池或手機(jī)充電寶等，但終究都是直流電源，供電方式?jīng)]有根本改變。如果使用干電池做電源，雖操作方便，但使用后廢舊電池里含有的鉛、鋅、錳等金屬是重要的污染源，對(duì)環(huán)境不利。本文擬采用溫差發(fā)電方法來電解水。溫差發(fā)電是一種新型的綠色發(fā)電技術(shù)，其核心原理就是利用半導(dǎo)體溫差發(fā)電片，如圖3（1）所示。將其兩端的溫度差轉(zhuǎn)化成電能，其發(fā)電的輸出功率受諸多因素影響，包括安裝壓力、散熱技術(shù)、界面填充劑和溫差發(fā)電片的串并聯(lián)方式等[4]。本實(shí)驗(yàn)使用單片溫差發(fā)電片（偲瑞TEC1-24106 55mm×55mm，有字面散熱，對(duì)著循環(huán)水冷頭，無字面接觸熱源，對(duì)著酒精燈，發(fā)出的電紅線是正極，黑線是負(fù)極，淘寶購買）發(fā)電，用自制小型酒精燈[如圖3（2）]燃燒產(chǎn)生的熱作為熱源，散熱技術(shù)采用循環(huán)水冷頭（62mm×62mm，淘寶購買）水冷的方式，整個(gè)發(fā)電裝置如圖3（3）所示。將酒精燈置于廢棄的八寶粥鐵罐中，為了能使酒精燈持續(xù)燃燒，可以將鐵罐兩側(cè)分別挖去兩塊鐵皮。酒精燈上方放一塊薄銅片將酒精燈燃燒產(chǎn)生的熱傳給溫差發(fā)電片，原因是溫差發(fā)電片是不能直接加熱的。溫差發(fā)電片的上端連接的是循環(huán)水冷頭進(jìn)行散熱，在溫差發(fā)電片上下兩端均使用界面填充劑導(dǎo)熱硅脂（HY880灰膏25g裝，淘寶購買）有利于傳熱和散熱。在涂抹導(dǎo)熱硅脂的時(shí)候要注意平鋪、均勻、適量，如此溫差發(fā)電片兩端就會(huì)感應(yīng)到溫差從而向外輸出發(fā)電。

將溫差發(fā)電裝置與負(fù)載的電解水裝置相連，點(diǎn)燃酒精燈后，溫差發(fā)電片響應(yīng)很快，立即用電流表與電壓表測(cè)出電路的電流與電壓，見表1。

2.1.3 鉑金鈦網(wǎng)電極

我國西南地區(qū)四川攀枝花蘊(yùn)藏著極豐富的釩鈦磁鐵礦[5]，其中金屬鈦常作為電極材料，尤其當(dāng)它作為陽極材料時(shí)，可稱作“鈦陽極”。由于金屬鈦屬于閥性金屬，所以鈦陽極往往需要在其表面鍍一層有電催化性能的金屬以增加其導(dǎo)電性，常見的有釕銥鈦電極、銥鉭鈦電極及鉑金鈦電極。釕銥鈦電極常用作析氯，銥鉭鈦電極和鉑金鈦電極常用作析氧，而析氧效果最好的是鉑金鈦電極，尤其將其制作成網(wǎng)狀后可大大增加電極材料與電解液的接觸面，如圖4所示。所以，本文選用鉑金鈦網(wǎng)電極作為電解水的電極材料。

由于其價(jià)格偏貴目前還沒有在工業(yè)上大面積使用。鈦電極有許多優(yōu)點(diǎn)，如工作壽命長(zhǎng)、可克服石墨陽極和鉛陽極的溶解問題，避免對(duì)電解液和陰極產(chǎn)物的污染、工作電壓低、電能消耗小，直流電耗能可降低10%～20%[6]。尤其是其工作電壓、電流低這個(gè)優(yōu)點(diǎn)，筆者做了一個(gè)定性對(duì)照實(shí)驗(yàn)：在已有改進(jìn)實(shí)驗(yàn)的文獻(xiàn)中，電極材料最常見的有石墨電極、鐵絲及鐵的合金鋼等[7，8]，由此設(shè)計(jì)在相同電壓、相同電解液、電極面積大致相等的條件下，分別觀察石墨電極、鐵電極和鉑金鈦網(wǎng)電極產(chǎn)生氣泡的情況?？梢姡K金鈦網(wǎng)電極兩端產(chǎn)生氣體的速率與數(shù)量均明顯高于石墨電極和鐵電極。

2.2 實(shí)驗(yàn)儀器和藥品

2個(gè)25mL青霉素小瓶、2個(gè)鉑金鈦網(wǎng)電極（15mm×40mm）、溫差發(fā)電片（偲瑞TEC1-24106 55mm×55mm）、水冷頭（62mm×62mm）、八寶粥鐵皮罐、10%的NaOH溶液、兩支注射器、自制酒精燈、肥皂水、兩根導(dǎo)線、小木條

2.3 實(shí)驗(yàn)步驟

（1） 配制10%的NaOH溶液。將兩個(gè)小瓶底部朝上加滿配好的電解質(zhì)溶液，然后用塑料小水槽蓋住底部迅速翻轉(zhuǎn)正放于桌面上，電解裝置中的電解質(zhì)溶液就加好了，再在小水槽中也加入適量電解質(zhì)溶液。

（2） 將溫差發(fā)電裝置中溫差發(fā)電片的導(dǎo)線與電解水裝置中的導(dǎo)線相連，整個(gè)裝置如圖5所示。注意正負(fù)極問題，溫差發(fā)電片紅線連接的是正極，黑線連接的是負(fù)極。

（3） 將溫差發(fā)電裝置的水冷頭進(jìn)水一端用膠皮管與水龍頭相連，出水一端只與膠皮管相連，打開水龍頭，冷水開始循環(huán)，再點(diǎn)燃酒精燈，發(fā)電裝置即可發(fā)電。

（4） 很快可見兩極均有氣泡產(chǎn)生，與電源負(fù)極相連的電極產(chǎn)生的氣體更多，可利用制作的刻度條同時(shí)讀出兩極產(chǎn)生的氣體體積：1分半鐘后負(fù)極產(chǎn)生4mL氫氣，正極產(chǎn)生2mL氧氣;3分鐘后負(fù)極產(chǎn)生8mL氫氣，正極產(chǎn)生4mL氧氣，且負(fù)極產(chǎn)生的氣體始終是正極的2倍。

（5） 用一支注射器將正極產(chǎn)生的氣體吸取出來，迅速拔掉針頭，用拇指堵住注射器口，將一根細(xì)小的帶火星的小木條從堵住的注射器口伸入注射器中，可見小木條復(fù)燃，證明是氧氣;再用另一支注射器吸取負(fù)極產(chǎn)生的氣體，推到肥皂水中產(chǎn)生氣泡，再用燃著的小木條去點(diǎn)氣泡，會(huì)有明顯的爆鳴聲，證明是氫氣。

2.4 改進(jìn)實(shí)驗(yàn)的優(yōu)點(diǎn)

（1） 改裝后的小型裝置重心低，放置穩(wěn)當(dāng)，藥品用量少，綠色環(huán)保且可操作性強(qiáng)，能滿足學(xué)生分組實(shí)驗(yàn)的需要。電解過程生成氣體的讀數(shù)以及電解結(jié)束后氣體的檢驗(yàn)都具有很強(qiáng)的趣味性。

（2） 該裝置解決了繁瑣的添加電解液的步驟，因?yàn)殡娊庋b置相對(duì)較小且氣密性良好，實(shí)驗(yàn)者只需小心加滿電解液后蓋住底部迅速翻轉(zhuǎn)即可，操作簡(jiǎn)便且大大減少了實(shí)驗(yàn)者與電解液的接觸。

（3） 該裝置不需要刻意將正極與負(fù)極連通，將裝置放入電解液中，裝置在液體浮力的作用下微微向上浮起，自動(dòng)實(shí)現(xiàn)內(nèi)電路巧妙的連通。

（4） 溫差發(fā)電響應(yīng)很快，實(shí)驗(yàn)中只要溫差基本恒定，電路中的電壓電流也基本不變，實(shí)驗(yàn)結(jié)束后只需熄滅酒精燈，溫差逐漸消失，反應(yīng)也就隨之停止。

（5） 電極材料鉑金鈦網(wǎng)電極清潔、輕便，基本無副反應(yīng)發(fā)生，產(chǎn)生氣體的速率適中。兩極產(chǎn)生的氣體體積之比基本恒定為2∶1，有利于學(xué)生得出正確的實(shí)驗(yàn)結(jié)論。

改進(jìn)實(shí)驗(yàn)最意外的收獲是電源方式的改變：在有限的實(shí)驗(yàn)條件下，溫差發(fā)電片產(chǎn)生的電流與電壓都較小的情況下，搭配小型的電解裝置與鉑金鈦網(wǎng)電極，成功地將水電解了，得到氣體的體積比為2∶1，這讓筆者興奮不已。當(dāng)然也存在很多不足，相比于小型電解裝置來說，溫差發(fā)電裝置仍顯得有點(diǎn)“頭重腳輕”，不夠微型和簡(jiǎn)約，仍有改進(jìn)的空間;電極鉑金鈦網(wǎng)優(yōu)點(diǎn)很多，但價(jià)格偏貴，不宜推廣。本文在此僅對(duì)電解水實(shí)驗(yàn)的改進(jìn)提供一個(gè)思路，除了可以向生活中常見物質(zhì)尋求途徑之外，還可以探索一些新型的材料與技術(shù)繼續(xù)改進(jìn)該實(shí)驗(yàn)。

參考文獻(xiàn)：

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