電解飽和食鹽水實(shí)驗(yàn)裝置的改進(jìn)

李小芬

（浙江桐鄉(xiāng)市鳳鳴高級中學(xué) 浙江嘉興 314500）

一、問題的提出

電解飽和食鹽水實(shí)驗(yàn)是高中化學(xué)教材中重要的演示實(shí)驗(yàn)，是學(xué)生學(xué)習(xí)電解原理的重要載體。蘇教版必修1和魯科版教材中的電解飽和食鹽水裝置圖如圖1所示，蘇教版化學(xué)反應(yīng)原理和人教版選擇性必修1教材中，出現(xiàn)的離子交換膜法電解飽和食鹽水示意圖如圖2。

圖1 電解飽和食鹽水裝置圖

圖2 離子交換膜法電解飽和食鹽水示意圖

筆者發(fā)現(xiàn)，圖1的裝置存在以下欠妥之處：第一，實(shí)驗(yàn)室沒有帶向上和向下支管的U 型管，若自己燒制，難度太大，在做實(shí)驗(yàn)時(shí)，會(huì)直接用U 型管進(jìn)行電解；第二，若要檢驗(yàn)產(chǎn)生的Cl2，需把導(dǎo)管從氫氧化鈉溶液中取出，這時(shí)會(huì)聞到刺激性氣味，逸出的氯氣也會(huì)污染空氣；第三，陰極產(chǎn)生的OH-會(huì)擴(kuò)散到陽極區(qū)，不利于觀察酚酞變色的現(xiàn)象，OH-同時(shí)也會(huì)與陽極的Cl2發(fā)生反應(yīng)。

圖2的裝置是學(xué)習(xí)電解原理之后一個(gè)重要的應(yīng)用實(shí)例。雖然教材中給出了離子交換膜的電解裝置圖，但教學(xué)中沒有進(jìn)行真實(shí)的實(shí)驗(yàn)，導(dǎo)致學(xué)生缺乏宏觀現(xiàn)象的直觀認(rèn)識(shí)，不利于培養(yǎng)學(xué)生宏觀辨識(shí)和微觀探析的化學(xué)核心素養(yǎng)。

文獻(xiàn)調(diào)研發(fā)現(xiàn)，很多老師對電解飽和食鹽水實(shí)驗(yàn)提出了改進(jìn)措施。如陳達(dá)老師的改進(jìn)裝置，利用底部帶小孔的試管裝石墨電極，利用排溶液法收集兩級的氣體，并檢驗(yàn)，［1］但試管底部的小孔較難處理，容易打破試管；宋曉鋒老師采用自制雙孔V 型管，用針筒電解并收集氣體產(chǎn)物，［2］但雙孔V型管制備難度較大；李楠等老師利用三頸燒瓶和針筒改進(jìn)裝置，［3］但裝置需要用鐵架臺(tái)固定，比較笨重。

筆者在文獻(xiàn)調(diào)研的基礎(chǔ)上，利用常見的生活用品和實(shí)驗(yàn)室常見儀器進(jìn)行實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新設(shè)計(jì)，不僅使裝置更輕便，實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象更明顯，而且可以使有毒氣體不外泄，提升課堂演示的效果。

二、實(shí)驗(yàn)原理

電解飽和食鹽水的反應(yīng)原理：

陽極反應(yīng)：2Cl--2e-====Cl2

陰極反應(yīng)：2H2O+2e-====H2+2OH-

離子交換膜是用對離子具有選擇性透過的高分子材料制成的薄膜，在通電情況下，陽離子交換膜允許陽離子透過，陰離子交換膜允許陰離子透過。

三、實(shí)驗(yàn)用品

1.儀器：20 mL 注射器2 支、紅藍(lán)導(dǎo)線各1 根、充電寶1只、石墨電極（直徑大約4 mm）2支、生活收納盒小號和中號各1個(gè)（網(wǎng)購）、火柴、酒精燈、鑷子、離子交換膜（網(wǎng)購），502膠水。

2.試劑：飽和食鹽水、飽和硫酸鈉溶液、酚酞、石蕊、淀粉碘化鉀試紙。

3.裝置的制作

（1）可收集兩極氣體的電解池裝置：將注射器的活塞取出，把頂端的橡膠塞取下，用小剪刀在橡膠塞上開一個(gè)小孔，把連接有導(dǎo)線的石墨棒固定在橡膠塞上，再把橡膠塞和活塞結(jié)合起來（見圖3），針筒上連接針的端用剪刀戳成小孔，使石墨棒能恰好被擠出，最后將活塞裝回注射器，可收集氣體的電極就做好了（見圖4），然后用燒杯進(jìn)行電解實(shí)驗(yàn)。

圖3 石墨棒和導(dǎo)線連接的活塞

圖4 石墨棒和導(dǎo)線連接的活塞裝回到針筒中

（2）有離子交換膜的電解裝置：網(wǎng)上購買小型物品收納盒，中間的夾層可拆卸，把陽離子交換膜用502 膠水粘在容器的中間，并確保中間不漏水。裝有陽離子交換膜的裝置見圖5，裝有陰陽離子交換膜的裝置見圖6。在蓋子上打孔，使石墨電極剛好嵌入。

圖5 裝有陽離子交換膜的容器

圖6 裝有陰陽離子交換膜的容器

四、實(shí)驗(yàn)步驟與現(xiàn)象

1.可收集氫氣和氯氣的電解飽和食鹽水實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)步驟：向燒杯中注入適量滴有酚酞的飽和食鹽水，用改進(jìn)后的注射器各抽取20 mL溶液，并把注射器下端浸入燒杯的食鹽水中，紅藍(lán)兩根導(dǎo)線分別接充電寶的正負(fù)極，打開電源，電解便開始進(jìn)行。

實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象：接通電源后，即可看到兩極上產(chǎn)生氣泡，產(chǎn)生氫氣的電極上氣泡明顯比產(chǎn)生氯氣的電極上氣泡要多；由于氣體的產(chǎn)生，注射器的液面開始下降，相同時(shí)間收集的氫氣體積更多，可能原因是氯氣的溶解性較大；陰極注射器中溶液變紅（見圖7）。

圖7 陰極的溶液變紅

電解3 min后，拇指堵住注射器下端的小孔，取出注射器，并對收集的氣體進(jìn)行檢驗(yàn)。陽極產(chǎn)生的氯氣用濕潤的淀粉碘化鉀試紙檢驗(yàn)（見圖8）；陰極產(chǎn)生的氫氣用爆鳴法檢驗(yàn)（見圖9），可以聽到“噗”的聲音。為防止氯氣泄漏，實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)完成后，可以把注射器中的氣體注入氫氧化鈉溶液中。

圖8 用淀粉碘化鉀試紙檢驗(yàn)Cl2

圖9 用爆鳴法檢驗(yàn)H2

2.用離子交換膜裝置電解

實(shí)驗(yàn)步驟：（1）在裝有陽離子交換膜的容器中分別注入等量的飽和食鹽水，并在膜兩邊滴入數(shù)滴酚酞。取出帶石墨棒和導(dǎo)線的注射器活塞，從容器蓋上的小孔插入，連接好后進(jìn)行電解。

（2）在裝有陰陽離子交換膜的容器中分別注入等量的飽和硫酸鈉溶液，裝有陰離子交換膜的一側(cè)接電源正極并滴入石蕊，裝有陽離子交換膜的一側(cè)接電源負(fù)極并滴入酚酞，再分別和石墨的陰極和陽極連接，進(jìn)行電解。

實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象：（1）用裝有陽離子交換膜的容器電解飽和食鹽水，可以看到陰極區(qū)域溶液變紅，而陽極區(qū)域溶液沒有變化（見圖10）。

圖10 用陽離子交換膜電解飽和食鹽水

（2）用裝有陰陽離子交換膜的容器電解飽和硫酸鈉溶液，可以看到陰極區(qū)域酚酞溶液變紅，而陽極區(qū)域石蕊溶液略微變紅（見圖11）。

圖11 用陰陽離子交換膜電解飽和硫酸鈉溶液

五、實(shí)驗(yàn)裝置改進(jìn)的意義

1.裝置簡單，實(shí)驗(yàn)效果明顯且環(huán)保

改進(jìn)后的實(shí)驗(yàn)裝置取材簡單、操作方便、實(shí)驗(yàn)耗時(shí)短、實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象直觀明顯。方便課堂演示和學(xué)生觀察，采用排溶液法收集氣體，防止有毒氣體的泄漏，符合綠色化的理念。可以加強(qiáng)學(xué)生對實(shí)驗(yàn)原理的理解和對知識(shí)的掌握。該實(shí)驗(yàn)不僅可用于課堂演示實(shí)驗(yàn)，也可用于學(xué)生分組實(shí)驗(yàn)和課外研究性學(xué)習(xí)實(shí)驗(yàn)。

2.貼合課改，提升能力

新課改要求注重學(xué)生化學(xué)核心素養(yǎng)的培育，此實(shí)驗(yàn)改進(jìn)使實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象更明顯，有利于學(xué)生從微觀粒子角度分析離子的移動(dòng)，從而培育學(xué)生的宏觀辨識(shí)和微觀探析素養(yǎng)。離子交換膜實(shí)驗(yàn)的引入，突破了教材局限，讓學(xué)生近距離感受到工業(yè)生產(chǎn)的應(yīng)用，激發(fā)學(xué)生探求未知的欲望。

3.實(shí)驗(yàn)拓展，功能多樣

改進(jìn)后的裝置還可用于電解其他常見的溶液，滿足高中化學(xué)電解教學(xué)的要求，如：氯化銅溶液、氫氧化鈉溶液等，便于綜合復(fù)習(xí)教學(xué)，促進(jìn)學(xué)生思維的發(fā)展。