學(xué)生實(shí)踐活動“水的組成探究”實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

陳穎　薛志明　吳民生

摘要： 通過驗(yàn)證電解水的產(chǎn)物可以推知水的組成。在剖析現(xiàn)行使用的多個(gè)電解水實(shí)驗(yàn)裝置后，從學(xué)生自主探究實(shí)驗(yàn)的視角討論了電解水實(shí)驗(yàn)的六個(gè)要素，設(shè)計(jì)出用于“學(xué)生必做實(shí)驗(yàn)或?qū)嵺`活動”的“水的組成探究”的實(shí)驗(yàn)裝置和實(shí)驗(yàn)步驟，有利于發(fā)展學(xué)生的科學(xué)探究與實(shí)踐素養(yǎng)。

關(guān)鍵詞： 水的組成探究； 電解水； 學(xué)生實(shí)踐活動； 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

文章編號： 10056629（2023）08007004中圖分類號： G633.8文獻(xiàn)標(biāo)識碼： B

《義務(wù)教育化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2022年版）》要求“初步學(xué)習(xí)利用物質(zhì)的性質(zhì)和化學(xué)反應(yīng)探究物質(zhì)組成的基本思路與方法”“認(rèn)識水的組成”，并將“水的組成及變化的探究”列為學(xué)生必做實(shí)驗(yàn)或?qū)嵺`活動。我國多個(gè)版本的九年級化學(xué)教科書中，認(rèn)識水的組成的學(xué)習(xí)一般安排在學(xué)年的中段，此時(shí)學(xué)生知道的物質(zhì)種類和化學(xué)反應(yīng)并不多，探究水的組成都借助電解水的實(shí)驗(yàn)予以實(shí)現(xiàn)。我們重新設(shè)計(jì)了電解水的實(shí)驗(yàn)，適合學(xué)生以自主探究實(shí)踐活動的方式認(rèn)識水的組成。

1 現(xiàn)行使用的電解水實(shí)驗(yàn)裝置

電解水的經(jīng)典裝置是霍夫曼水電解器［1］，如圖1所示。該裝置利用高位水準(zhǔn)管中的水壓，將生成的氣體從尖嘴排出。其優(yōu)點(diǎn)是儀器集成度高，裝配和使用方便。該裝置屬于較精致的儀器，配有專用鉑電極，購置成本較高；左右兩玻璃管之間依靠下部的三通管固定連接，較易損壞。因此此裝置用于學(xué)生實(shí)驗(yàn)不太現(xiàn)實(shí)。

圖2［2］是簡易裝置，使用中學(xué)常規(guī)儀器組裝而成。從裝置和操作視角考慮明顯存在兩個(gè)問題：一是導(dǎo)線與電極的焊接處浸泡在電解液中，存在漏電等隱患；二是部分操作要在液面下進(jìn)行，皮膚不可避免地會與電解液接觸，必須有周全的防護(hù)措施。

呂東才［3］（圖3）、李娜娜［4］（圖4）等研究者用礦泉水瓶或罐頭瓶做容器，導(dǎo)線從下方橡皮塞處引出，解決了導(dǎo)線浸泡在溶液中的問題。但圖3沒有解決皮膚與溶液接觸的問題；圖4給出的氫氣檢驗(yàn)操作不合理（取下右側(cè)注射器針頭處的泡沫塊，在針頭處點(diǎn)火）。

張婉佳［5］（圖5）、錢莉［6］（圖6）等研究者使用注射器輔助實(shí)驗(yàn)，導(dǎo)線在裝置上部連接電極。圖5用玻璃管密封導(dǎo)線（需自制）連接金屬鉑作電極，圖6直接用注射器活塞固定電極、選用強(qiáng)堿溶液作電解液等都不宜用在學(xué)生實(shí)驗(yàn)中。

還有研究者開發(fā)出非常規(guī)的定制儀器用于電解水的實(shí)驗(yàn)，因其教學(xué)功能不足，不在這里討論。

2 學(xué)生自主探究用電解水實(shí)驗(yàn)要素歸納

電解水實(shí)驗(yàn)包含電源、電極、電解液、容器、實(shí)驗(yàn)條件及操作設(shè)計(jì)等六大要素，用作學(xué)生自主探究水組成的電解水實(shí)驗(yàn)需要從實(shí)驗(yàn)的育人價(jià)值、可探究性、高安全性、易操作性、高成功率和可行性等方面重新審視這六大要素。

2.1 用電安全

直流穩(wěn)壓電源。一種將220V交流電轉(zhuǎn)換為低壓直流電的儀器，多數(shù)產(chǎn)品有過載保護(hù)和多級電壓選擇。實(shí)驗(yàn)中需要學(xué)生將電源插頭插入插座取用220V交流電，存在一定的安全風(fēng)險(xiǎn)。

干電池。常規(guī)一次性化學(xué)電池由于電壓低、電容量小，不建議選用。市售二次電池電壓較高的是9V的方形鋰電池，電容量相對比較大，能滿足本實(shí)驗(yàn)的要求。

太陽能發(fā)電板。太陽能發(fā)電板綠色環(huán)保，其教育價(jià)值能充分發(fā)揮，經(jīng)濟(jì)價(jià)值和可持續(xù)發(fā)展理念也能充分體現(xiàn)。但對光照強(qiáng)度有要求，一般晴天時(shí)室內(nèi)散光條件下36V的發(fā)電板即能正常產(chǎn)生所需電量，若陰雨天等光照不好的條件下，發(fā)電量不足，不能保證實(shí)驗(yàn)的成功率。

2.2 電極選擇

鉑電極。金屬鉑化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，是理想的惰性電極材料。鉑屬于貴重金屬，價(jià)格偏高，難以普及應(yīng)用于學(xué)生實(shí)驗(yàn)中。

石墨電極。純石墨電極安全可靠，但在電解水實(shí)驗(yàn)中，存在電解電壓偏高、吸附氣體、與生成的氧氣反應(yīng)［7］、電解過程中有石墨脫落等不足，致使石墨用作電極時(shí)對實(shí)驗(yàn)會產(chǎn)生一定的干擾。

鍍鎳鐵絲（或電阻絲）。在堿性電解液中實(shí)驗(yàn)效果更好，在酸性和中性電解液中表現(xiàn)不佳［8］。

工業(yè)上鎳基電極的研究和使用較多，鎳具有高度的抗腐蝕性，對強(qiáng)酸和強(qiáng)堿穩(wěn)定，不與硝酸等氧化劑溶液反應(yīng)，與鉑、鈀等金屬一樣（都位于周期表Ⅷ族第3列）有良好的電化學(xué)性能［9］。鎳雖不是常見金屬，但工業(yè)應(yīng)用比較普遍，直徑為1mm長1m的純鎳絲市售價(jià)格小于15元人民幣，選擇純鎳作電極是可行且經(jīng)濟(jì)的選擇。

2.3 優(yōu)化導(dǎo)電介質(zhì)

為增強(qiáng)導(dǎo)電性，需在水中加入電解質(zhì)，一般選擇硫酸或氫氧化鈉，其濃度分別為1∶10和10%［10］時(shí)電解效率較高。硫酸鈉等鹽類物質(zhì)的電解效率不高、濃度要求較大，在課堂實(shí)驗(yàn)中一般不選擇。這些研究的前提是在3分鐘內(nèi)收集到不小于10mL的氫氣。作為學(xué)生自主探究實(shí)驗(yàn)，至少有15～20分鐘左右的充裕時(shí)間，硫酸鈉溶液電解效率低的問題得以彌補(bǔ)；同時(shí)強(qiáng)酸、強(qiáng)堿溶液因其強(qiáng)腐蝕性，在本實(shí)驗(yàn)中應(yīng)盡量避免使用。硫酸鈉的價(jià)格比硫酸和氫氧化鈉要低，且硫酸鈉在20℃時(shí)溶解度為19.5g，使用其濃溶液甚至飽和溶液作電解液從經(jīng)濟(jì)性、安全性和可行性方面考慮都能實(shí)現(xiàn)。

2.4 取氣方便

電解池容器用于盛放電解液和聚集氣體，其中聚集氣體的容器一般采用直立雙玻璃管的設(shè)計(jì)，不同之處是玻璃管上端是否封閉：上端完全封閉的如倒置的試管等；上端有旋塞開關(guān)的如霍夫曼水電解器等。前者取用氣體不便，后者用高位水槽（水準(zhǔn)管）輔助取用氣體。

2.5 提高電解效率

本實(shí)驗(yàn)的主要控制條件有電壓、電極距離（兩電極在溶液中電流流經(jīng)的最短距離）、電流密度（單位時(shí)間內(nèi)通過單位面積的電量）等。理論上電壓越高、電極距離越短、電流密度越大電解效率越高；學(xué)生實(shí)驗(yàn)必須使用安全電壓；在中學(xué)化學(xué)實(shí)驗(yàn)室條件下提高電流密度較難實(shí)現(xiàn)，且電流密度越大，用電安全風(fēng)險(xiǎn)越高；可以盡量通過在安全電壓范圍內(nèi)提升電壓（低于36V）和縮短兩電極間的距離來保證電解效率。

2.6 操作安全

除組裝儀器、氣密性檢查和連接導(dǎo)線通電等操作外，氫氣和氧氣的收集、檢驗(yàn)是本實(shí)驗(yàn)的重點(diǎn)。

氫氣的收集和檢驗(yàn)方案。氫氣的驗(yàn)證主要有：方案①點(diǎn)燃純凈氣體；方案②小試管收集點(diǎn)火爆鳴；方案③鼓氣泡點(diǎn)火爆炸等三種。

從操作視角分析：將氫氣轉(zhuǎn)移至注射器中再排出點(diǎn)燃，氣體流速易于控制；收集在小試管中點(diǎn)火爆鳴會因?qū)W生的畏懼心理致使動作變形；鼓氣泡點(diǎn)火爆炸操作比較容易，趣味性強(qiáng)。

從認(rèn)知視角分析：方案①能觀察到有水生成，更易確認(rèn)被點(diǎn)燃?xì)怏w的成分是氫氣，為分析水的組成提供直接證據(jù)；方案②和③都不能直接證明有水生成，難以將實(shí)驗(yàn)結(jié)果與水中含有氫元素直接建立聯(lián)系。

所以檢驗(yàn)氫氣用方案①比較合理。而氧氣一般用帶火星木條檢驗(yàn)。

3 適合學(xué)生操作的電解水實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

3.1 實(shí)驗(yàn)裝置設(shè)計(jì)

綜合多種因素，設(shè)計(jì)了適合學(xué)生探究水組成的電解水實(shí)驗(yàn)裝置（見圖7），實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)說明如下：

（1） 雙玻璃管設(shè)計(jì)。在綜合分析多個(gè)電解水裝置后，我們采用雙玻璃管緊密排列（用橡皮筋捆綁）的設(shè)計(jì)，盡可能地縮短電極間距。玻璃管下端伸入溶液中，上端配發(fā)泡硅膠試管塞（簡稱硅膠塞，是橡皮塞的升級換代產(chǎn)品），起密封和固定電極的作用。硅膠塞小端中空，大端封閉（見圖8），其最薄處能被較細(xì)的玻璃導(dǎo)管或鐵絲等刺穿且不會出現(xiàn)漏氣等現(xiàn)象。

（2） 取氣方式設(shè)計(jì)。普通注射針頭較難插進(jìn)橡皮塞中，且插入后針管易被橡膠小顆粒堵塞。硅膠經(jīng)發(fā)泡處理后質(zhì)地較軟，不堵塞針管，用注射器針頭直接插入硅膠塞內(nèi)中空處即可抽取氣體，儀器裝配和操作更加簡捷。

（3） 電極和給電方式設(shè)計(jì)?？紤]到學(xué)生實(shí)驗(yàn)的安全性，我們采用上部接線方式，電源采用9V二次鋰電池或36V太陽能發(fā)電板供電。電極用純鎳絲直接固定于硅膠塞上。

（4） 氫氣和氧氣檢驗(yàn)方法設(shè)計(jì)。

①正極氣體檢驗(yàn)。將注射器插入正極硅膠塞，抽取氣體，用排水法轉(zhuǎn)移至小試管中，將帶火星的木條伸入小試管中，觀察現(xiàn)象。

②負(fù)極氣體檢驗(yàn)。將注射器插入負(fù)極硅膠塞，抽取氣體，將針頭靠近酒精燈火焰，緩緩地推動注射器活塞，燃著后用干燥的小燒杯罩在火焰上，觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。

3.2 實(shí)驗(yàn)用品

儀器：燒杯、玻璃管、發(fā)泡硅膠試管塞、9V鋰電池、導(dǎo)線（帶鱷魚夾）、鐵架臺（帶鐵夾）、注射器（帶針頭）、鎳絲、水槽、酒精燈、小試管、木條等

試劑：接近飽和的硫酸鈉溶液

3.3 實(shí)驗(yàn)過程

（1） 在鐵架臺上放上燒杯，用橡皮筋捆綁住兩支玻璃管，用鐵夾固定立于燒杯中，如圖7所示。取一根長約25cm的直鎳絲，將其一端在玻璃棒上卷4～5圈做成螺旋狀，另一端從硅膠塞小端中空處伸入插進(jìn)硅膠塞，從大端穿出。將硅膠塞塞進(jìn)玻璃管上端，調(diào)整鎳絲高度，使螺旋部分位于玻璃管正中并與玻璃管下端齊平或伸出玻璃管不超過5mm。

（2） 向燒杯中加入約150mL硫酸鈉溶液，取帶針頭的注射器從硅膠塞上部離電極3～5mm處斜向插入，針頭剛好插至硅膠塞中空處，見圖8。抽拉注射器活塞至剛好有溶液吸進(jìn)注射器為止，取下注射器，靜置一段時(shí)間，確保玻璃管內(nèi)液面不下降。

（3） 將兩根導(dǎo)線上的鱷魚夾分別夾在電源正負(fù)極和兩根鎳電極上，接通電源，觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。

（4） 當(dāng)收集到一定量氣體后，停止通電，取下鱷魚夾。用注射器抽取兩玻璃管中的氣體，分別檢驗(yàn)。

4 結(jié)語

重新設(shè)計(jì)的電解水實(shí)驗(yàn)裝置，在燒杯中加入硫酸鈉濃溶液，用下端浸在溶液中的玻璃管聚集氣體，純鎳絲做電極固定于發(fā)泡硅膠試管塞上，選擇9V可充電方形鋰電池或36V太陽能發(fā)電板做電源，用注射器直接插入硅膠塞中抽除空氣或抽取生成的氣體，用常規(guī)方法檢驗(yàn)電解生成的氫氣和氧氣。該設(shè)計(jì)儀器裝配、實(shí)驗(yàn)操作、安全系數(shù)等都符合九年級學(xué)生的認(rèn)知水平和安全要求，能滿足義務(wù)教育課程標(biāo)準(zhǔn)要求的學(xué)生自主探究水的組成的需要，有利于發(fā)展學(xué)生“科學(xué)探究與實(shí)踐”素養(yǎng)。

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*上海市教育科學(xué)研究項(xiàng)目“以化學(xué)實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)核心素養(yǎng)4S進(jìn)階的構(gòu)建與應(yīng)用研究”（編號：C2023245）階段性研究成果。