電解水實(shí)驗(yàn)改進(jìn)“三部曲”

陳麗娟

電解水實(shí)驗(yàn)出自人教版九年級(jí)化學(xué)上冊(cè)第四單元《水的組成》。水是學(xué)生學(xué)習(xí)的第一種重要化合物，電解水是初中化學(xué)教學(xué)中重要的實(shí)驗(yàn)。它是學(xué)生第一次觀察到物質(zhì)元素的組成，并用微觀視角詮釋物質(zhì)元素變化的實(shí)驗(yàn)。用常用的實(shí)驗(yàn)儀器做實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象可視化程度低，導(dǎo)致教師借用已有的實(shí)驗(yàn)視頻代替演示實(shí)驗(yàn)，把現(xiàn)象和結(jié)論直接教給學(xué)生。鑒于此，改進(jìn)電解水實(shí)驗(yàn)十分必要。

一、在常規(guī)實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)問題

水雖然是學(xué)生非常熟悉的物質(zhì)，但以化學(xué)的眼光認(rèn)識(shí)水，對(duì)學(xué)生來說是陌生的。電解水實(shí)驗(yàn)的常用裝置是“26002水電解實(shí)驗(yàn)器”，該儀器由塑料機(jī)身（注水口、貯水盒、合金電極）、玻璃導(dǎo)氣管、乳膠連接管等組成。筆者根據(jù)這種實(shí)驗(yàn)儀器的特點(diǎn)構(gòu)想的教學(xué)思路是：通過水的生成的演示實(shí)驗(yàn)和水的分解的分組實(shí)驗(yàn)，引導(dǎo)學(xué)生掌握水是由氫、氧兩種元素組成的，初步感知通過分析反應(yīng)的產(chǎn)物推斷物質(zhì)組成的思想，了解人類認(rèn)識(shí)物質(zhì)世界的過程和方法。

課上，筆者首先展示視頻資料《擦肩而過的真相》，引入水的話題，接著帶學(xué)生助手做演示實(shí)驗(yàn)，觀察氫氣燃燒的現(xiàn)象，探究氫氣的燃燒條件，明確氫氣驗(yàn)純的操作過程，然后組織學(xué)生進(jìn)行小組合作探究，觀察、分析電解水的實(shí)驗(yàn)過程，得出水的組成的結(jié)論，最后引導(dǎo)學(xué)生從微觀角度認(rèn)識(shí)水的構(gòu)成，感知化學(xué)變化的概念。課上，師生互動(dòng)效果好，但10個(gè)小組中，只有2個(gè)小組的學(xué)生把實(shí)驗(yàn)做成功了。

如何提高實(shí)驗(yàn)的成功率呢？筆者回顧教學(xué)過程：在小組合作學(xué)習(xí)環(huán)節(jié)，筆者事先按照說明書建議配制了10%的NaOH溶液做電解液，當(dāng)學(xué)生利用“26002水電解實(shí)驗(yàn)器”進(jìn)行探究水的電解實(shí)驗(yàn)時(shí)，筆者觀察到罩住兩電極的玻璃管內(nèi)，氣體的收集速率比較快，但其中混有較多氣泡，在檢驗(yàn)氣體時(shí)，管內(nèi)的氣泡隨氣體迅速上升，即使負(fù)極端玻璃管內(nèi)的氣體被點(diǎn)燃了，也會(huì)馬上被氣泡熄滅，而且在正極端玻璃管處，帶火星的木條并沒有如期復(fù)燃?；诖耍P者總結(jié)：實(shí)驗(yàn)收集到的氣體中混有氣泡是導(dǎo)致氣體檢驗(yàn)環(huán)節(jié)不成功的關(guān)鍵，同時(shí)NaOH溶液有腐蝕性，存在一定的安全隱患。由此筆者得出：改變藥品溶液至關(guān)重要。

二、抓住關(guān)鍵，改變藥品溶液

為提高實(shí)驗(yàn)成功率，筆者對(duì)實(shí)驗(yàn)藥品溶液及“26002水電解實(shí)驗(yàn)器”進(jìn)行了改進(jìn)。原實(shí)驗(yàn)采用NaOH溶液增強(qiáng)水的導(dǎo)電性，效果不佳。究其原因，有如下幾點(diǎn)：當(dāng)NaOH溶液濃度較低時(shí)，電解產(chǎn)生足量的氫氣、氧氣的時(shí)間較長(zhǎng)，使人難以觀察到理想的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象;當(dāng)NaOH溶液濃度較高時(shí)，則會(huì)產(chǎn)生較多的泡沫，影響氣體的檢驗(yàn)，且高濃度的NaOH溶液會(huì)嚴(yán)重腐蝕塑料管、乳膠管等實(shí)驗(yàn)儀器。

如何改進(jìn)呢？筆者查閱相關(guān)文獻(xiàn)資料并深入研究后，發(fā)現(xiàn)Na2SO4溶液可以滿足實(shí)驗(yàn)要求，且其酸堿度呈中性，更加安全可靠，于是筆者決定改用Na2SO4溶液做電解水實(shí)驗(yàn)的電解液。但是，Na2SO4溶液的最佳實(shí)驗(yàn)濃度尚無具體數(shù)據(jù)可以參考。筆者在實(shí)驗(yàn)室通過多次對(duì)比實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)采用飽和的Na2SO4溶液進(jìn)行電解水實(shí)驗(yàn)效果最佳。同時(shí)，當(dāng)電壓為16V時(shí)，收集18mL的H2約需5～6分鐘，反應(yīng)速率比較快，能節(jié)約反應(yīng)時(shí)間。

教學(xué)時(shí)，筆者用飽和的Na2SO4溶液做水的電解實(shí)驗(yàn)藥品，大約2～3分鐘就可以得到10mL的H2、5mL的O2。為了提升實(shí)驗(yàn)效率，筆者將原儀器中的塑料管改為乳膠管，這樣能夠較快地將液體藥品裝滿儀器。經(jīng)過嘗試，10個(gè)實(shí)驗(yàn)小組中，有6個(gè)小組實(shí)驗(yàn)成功。學(xué)生收集到的氣體沒有大量泡沫，氫氣易被點(diǎn)燃，氧氣能使帶火星的木條復(fù)燃，實(shí)驗(yàn)的可視化程度顯著提高。

課后，學(xué)生在整理實(shí)驗(yàn)儀器時(shí)發(fā)現(xiàn)正極金屬電極因?yàn)楸谎趸兗?xì)了，同時(shí)還存在乳膠管老化、塑料材料開裂導(dǎo)致電解液滲漏等問題。這批實(shí)驗(yàn)儀器大多只能被淘汰。

三、再度創(chuàng)新，更換電極材料

電極變細(xì)導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)儀器報(bào)廢的問題讓筆者難以釋懷。怎樣進(jìn)一步改進(jìn)實(shí)驗(yàn)裝置，找到能避免因氧化而變細(xì)的電極替代材料呢？

筆者查閱資料發(fā)現(xiàn)，為了改進(jìn)電解水實(shí)驗(yàn)儀器而選用的電極材料主要有石墨棒、保險(xiǎn)絲、鍍鉻曲別針、銅片等。經(jīng)過分析，筆者認(rèn)為，石墨棒雖是很好的惰性電極，但其質(zhì)地疏松、空隙較大，對(duì)氣體的吸附作用強(qiáng)，會(huì)導(dǎo)致逸出氣體的速率過慢，另外，若制取過程處理不當(dāng)，對(duì)環(huán)境的污染也較大;鍍鉻曲別針表面積太小，電解速率慢，且其鍍鉻層在裝置安裝和拆卸的過程中，很容易因?yàn)槭艿脚?dòng)而破損，導(dǎo)致鐵芯裸露;銅絲做電極，電解時(shí)易被產(chǎn)生的氧氣氧化，影響氧氣的生成量。一一排除上述材料后，筆者想到優(yōu)質(zhì)電極材料——鉑金，但昂貴的價(jià)格讓人望而卻步。最后，筆者選用了鉛銻合金的保險(xiǎn)絲作為替代材料，因?yàn)樗粌H能克服上述材料的不足，而且方便易得，是相對(duì)理想的實(shí)驗(yàn)材料。

如何用改進(jìn)后的材料制作出理想的實(shí)驗(yàn)儀器呢？筆者發(fā)現(xiàn)生活中的透明大飲料瓶非常適合做水電解器的主體結(jié)構(gòu)，于是，筆者取一個(gè)飲料瓶，把它從腰部剪開，一半做電解器，一半做固定底座，并在底座兩側(cè)各開一個(gè)小孔，以便于導(dǎo)線與電極相連。然后，筆者選取一個(gè)大小與飲料瓶口相當(dāng)?shù)南鹌と?，在上面打兩個(gè)小孔，孔間距約1cm，用鉛銻合金的保險(xiǎn)絲穿過小孔，再取8cm長(zhǎng)，將其回折做成電極，余下部分彎曲起來，將橡皮塞塞入瓶口后，再用蠟把空隙封住。為了方便觀察正、負(fù)極收集到的氣體體積，筆者選用了帶刻度的試管，并自制一個(gè)卡板，將試管固定并倒扣在電極上。

改進(jìn)后的裝置取材方便，制作工藝簡(jiǎn)單，便于操作。該裝置與“26002水電解實(shí)驗(yàn)器”相比，可視化程度大大提高，尤其是檢驗(yàn)氣體時(shí)，實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象明顯。同時(shí)，筆者改變了收集、檢驗(yàn)氣體的方法。教學(xué)時(shí)，筆者引導(dǎo)學(xué)生把帶刻度的試管裝滿Na2SO4溶液，用拇指堵住管口，將它倒立在電解器中，罩在電極上，當(dāng)收集到足量的氣體后，再在液面下堵住管口并移出液面，然后分別對(duì)正、負(fù)兩極的氣體進(jìn)行檢驗(yàn)。學(xué)生在與教師一起制作裝置并進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的過程中，體驗(yàn)到實(shí)驗(yàn)探究的樂趣，提升了創(chuàng)新能力。

（作者單位：漢川市城關(guān)中學(xué)）