電解水實(shí)驗(yàn)裝置的小型化改進(jìn)

摘要： 對(duì)中學(xué)化學(xué)教科書上編排的“水在直流電作用下的變化”實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了改進(jìn)。利用方形電池、注射器、燕尾夾、一次性塑料杯、圖釘、鐵架臺(tái)等常規(guī)實(shí)驗(yàn)儀器及生活用品設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)新裝置。新裝置具有制作簡(jiǎn)單、反應(yīng)可控、現(xiàn)象直觀、小型化等優(yōu)點(diǎn)。

關(guān)鍵詞： 電解水； 小型化裝置； 實(shí)驗(yàn)改進(jìn)

文章編號(hào)： 1005-6629（2024）06-0077-03 中圖分類號(hào)： G633．8 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： B

1 問(wèn)題的提出

在魯教版（2012）九年級(jí)《化學(xué)》（上冊(cè)）教材中，電解水實(shí)驗(yàn)所用儀器主要有兩種［1］，一種是霍夫曼水電解器（如圖1所示），其優(yōu)點(diǎn)是，可以準(zhǔn)確測(cè)定產(chǎn)生氣體的體積比，氫氣可以直接在尖嘴處被點(diǎn)燃，避免實(shí)驗(yàn)者直接接觸電解液等［2］。但也存在以下缺點(diǎn)，造價(jià)略高，玻璃材質(zhì)易損壞，消耗的電解液較多，電解液對(duì)電極裝置具有腐蝕性等。

另一種是簡(jiǎn)易的電解水裝置（如圖2所示），其裝置簡(jiǎn)單，實(shí)驗(yàn)室中即可以完成組裝。但存在以下弊端，檢驗(yàn)氣體時(shí)操作麻煩，需將試管取出水面，為增強(qiáng)水的導(dǎo)電性通常會(huì)加入一些電解質(zhì)，這就使溶液具有腐蝕性，致使學(xué)生在分組實(shí)驗(yàn)操作時(shí)不夠安全，檢驗(yàn)氫氣時(shí)，無(wú)法觀察到氫氣燃燒的現(xiàn)象等。

為解決以上問(wèn)題，一些教師對(duì)電解水裝置作了改進(jìn)。如陳穎［3］用純鎳絲作為電極材料，降低了電極的成本，用注射器對(duì)雙玻璃管進(jìn)行取氣，操作方便可行，但玻璃制品極易損壞。郭曉麗［4］將電解和檢驗(yàn)操作分開(kāi)進(jìn)行，還利用氫氧燃料電池的原理推動(dòng)小風(fēng)扇轉(zhuǎn)動(dòng)，設(shè)想雖好，但一個(gè)人很難組裝完成。除此之外，還有部分教師從電催化劑［5］、電解水的實(shí)驗(yàn)條件［6］等多個(gè)角度展開(kāi)電解水實(shí)驗(yàn)的探究。

綜合上述改進(jìn)裝置的分析，并基于裝置安全、易操作、成本低等原則［7］，筆者經(jīng)多次實(shí)踐探索對(duì)本實(shí)驗(yàn)的裝置、電極材料、電解液、電壓等進(jìn)行了相應(yīng)的改進(jìn)和取舍，取得了較好的實(shí)驗(yàn)效果。

2 實(shí)驗(yàn)部分

2.1 電解水實(shí)驗(yàn)的原理

利用電流的化學(xué)效應(yīng)，將水分子分解成氫氣和氧氣，這個(gè)過(guò)程需要能量的輸入。在水中存在氫離子和氫氧根離子，在通直流電的情況下，氫離子向負(fù)極移動(dòng)，而氫氧根離子向正極移動(dòng)，氫離子得負(fù)極的電子而變成氫氣，氫氧根離子在水的參與下失去電子而得到氧氣。

2.2 實(shí)驗(yàn)用品

（1） 設(shè)備：9V方形電池。

（2） 材料：5mL注射器針筒（2個(gè)）、10mL注射器（3個(gè)）、得力S760中性筆替芯黑膠帽（2個(gè)）、25mm燕尾夾（2個(gè)）、一次性中厚款塑料杯子（容量200mL）、圖釘（2個(gè)）、棒香、小木條、鐵架臺(tái)、酒精燈。

（3） 試劑：蒸餾水、氫氧化鈉溶液（10%）。

2.3 實(shí)驗(yàn)裝置的制作

利用生活中易得的材料，設(shè)計(jì)并制作如圖3所示的微型電解水裝置。

制作過(guò)程分為以下環(huán)節(jié)：

（1） 在塑料杯底部扎入兩枚金屬圖釘，兩枚圖釘間距與9V方形電池正負(fù)極間距一致（圖釘扎入塑料杯時(shí)確保一次性扎到位，不可多次反復(fù)，以免漏液）。

（2） 將注射器內(nèi)的活塞抽出，用中性筆替芯黑膠帽用力按壓套到5毫升注射器針筒乳頭頂端。

（3） 將5毫升注射器針筒倒扣在圖釘上，用金屬燕尾夾固定。

（4） 配制好10%的氫氧化鈉溶液20毫升。

（5） 調(diào)節(jié)鐵架臺(tái)上鐵圈的位置，使其高度在電池上方，以保證其能穩(wěn)定住塑料杯子。

3 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

3.1 優(yōu)選實(shí)驗(yàn)條件

3.1.1 對(duì)電解液的選用

加入電解質(zhì)可增強(qiáng)水的導(dǎo)電性，在一定范圍內(nèi)，電解液的濃度越大，導(dǎo)電能力越強(qiáng)［8］，以氫氧化鈉為例，表1是在9V移動(dòng)電源下用氫氧化鈉溶液作為電解液的相關(guān)數(shù)據(jù)。

在相同電壓下，實(shí)驗(yàn)所用時(shí)間是衡量實(shí)驗(yàn)成功與否的重要指標(biāo)，如果時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，學(xué)生會(huì)出現(xiàn)觀察疲勞，如果時(shí)間過(guò)短，則來(lái)不及觀察氣泡的產(chǎn)生實(shí)驗(yàn)就已經(jīng)結(jié)束。氫氧化鈉的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20%時(shí)導(dǎo)電率最大，導(dǎo)電能力最強(qiáng)，但溶液越濃，腐蝕性也越強(qiáng)，結(jié)合實(shí)際，選用10%左右的氫氧化鈉溶液即可。

3.1.2 對(duì)電壓的選擇

為研究電壓對(duì)電解水實(shí)驗(yàn)產(chǎn)生氣體速度的影響，采用電解液為10%的氫氧化鈉溶液，以產(chǎn)生4mL氫氣為即時(shí)時(shí)段（見(jiàn)表2）。

分析數(shù)據(jù)可知，電壓過(guò)低，氣體收集時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，導(dǎo)致無(wú)法在課內(nèi)完成實(shí)驗(yàn)，隨著電壓增大，消耗時(shí)間逐漸縮短［9］，但時(shí)間過(guò)短，學(xué)生來(lái)不及觀察電極現(xiàn)象，且電壓過(guò)高也具有一定危險(xiǎn)性。綜合分析，選擇9V的電壓較為理想。

3.1.3 對(duì)電極材料的選取

查閱大量資料，不銹鋼材料的導(dǎo)電性能較好，且對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的影響較小［10］。因此，確定從生活中的不銹鋼制品中挑選電極材料，最終確定以金屬圖釘作為電極。

基于以上分析，電解水實(shí)驗(yàn)的較優(yōu)條件為：電解液為10%的氫氧化鈉溶液，電源采用9V的方形電池，用金屬圖釘作為電極，實(shí)驗(yàn)效果最佳。

3.2 實(shí)驗(yàn)步驟及現(xiàn)象

（1） 向塑料杯中加入20毫升10%的氫氧化鈉溶液，用10毫升帶針頭的注射器抽取小注射器內(nèi)的空氣，可觀察到小注射器內(nèi)的液面不斷上升直至管內(nèi)的空氣排盡（見(jiàn)圖4）。

（2） 將整套裝置放于鐵圈上，調(diào)整電池的位置，使電池正負(fù)極和兩枚圖釘對(duì)齊。

（3） 觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，及時(shí)記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

觀察到與電源正極接觸的圖釘上產(chǎn)生氣泡的速率較慢，與電源負(fù)極接觸的圖釘產(chǎn)生氣泡的速率較快，通過(guò)對(duì)記錄數(shù)據(jù)的分析可說(shuō)明正極和負(fù)極產(chǎn)生的氣體體積比為1∶2。

（4） 移走電池，檢驗(yàn)電極產(chǎn)物。

用10毫升的注射器抽取正極產(chǎn)生的氣體（注意不要將針頭插到液面以下，以免電解液進(jìn)入注射器），用帶火星的棒香檢驗(yàn)，緩慢推動(dòng)注射器活塞，觀察到棒香復(fù)燃，說(shuō)明是氧氣。

用另一支10毫升的注射器抽取負(fù)極產(chǎn)生的氣體（注意不要將針頭插到液面以下，以免電解液進(jìn)入注射器），用燃著的細(xì)木條檢驗(yàn)，緩慢推動(dòng)注射器活塞，觀察到氣體被點(diǎn)燃，火焰呈淡藍(lán)色，用冷而干燥的燒杯罩在火焰上方，發(fā)現(xiàn)有水霧，說(shuō)明是氫氣。

（5） 將電解液倒入廢液缸，整理實(shí)驗(yàn)儀器。

4 結(jié)語(yǔ)

（1） 實(shí)驗(yàn)成本低。改進(jìn)實(shí)驗(yàn)所需材料均為易獲用品且價(jià)格低廉。節(jié)約了裝備資源、降低了實(shí)驗(yàn)成本。

（2） 可用于學(xué)生分組實(shí)驗(yàn)，培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)操作能力。制作過(guò)程簡(jiǎn)單，整套實(shí)驗(yàn)裝置安全可靠。

（3） 電解液低消耗可循環(huán)使用。

（4） 實(shí)驗(yàn)裝置微型小巧美觀，現(xiàn)象明顯，趣味性強(qiáng)。

參考文獻(xiàn)：

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*2023年山東省中小學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)說(shuō)課的成果（課題編號(hào)：202309259）；山東省教學(xué)研究課題“學(xué)困生轉(zhuǎn)化策略研究”（課題編號(hào)：2015YB0355）研究成果之一。