一種泡體槽式水電解裝置

任有良+石啟英+張本璽

摘要：巧妙地利用延伸切割法將廢棄的普通白熾電燈泡底部割去一個直徑大約4cm的圓孔，后稍加處理即制成了一只大肚球狀電解槽；再配以小試管為集氣管即成為一種簡易水電解裝置。該水電解裝置裝配簡單，操作簡便；形體美觀，成本低廉；且電解速度極快，在8～12V電壓下，用5% NaOH溶液做電解液進行電解，收集到20mL氫氣，僅需2～4分鐘。

關鍵詞：白熾電燈泡；電解槽；水電解裝置

文章編號：1005–6629（2015）6–0062–03 中圖分類號：G633.8 文獻標識碼：B

電解水的實驗是現(xiàn)行中學化學課本中一個重要的啟蒙實驗。做好該實驗，對于培養(yǎng)學生學習化學興趣，形成正確的分子、原子等概念，并主動參與實驗探究至關重要。而實驗室電解水的常用裝置是“霍夫曼電解器”，用它電解水所得的氫氣和氧氣的體積比為2：1，用以證明水的組成是較理想的。但在使用中發(fā)現(xiàn)缺點很多[1～2]且無法完成新教材[3]中的氫氣純度的檢驗試驗。筆者利用日常生活中廢棄的白熾電燈泡制作的簡易水電解裝置則可克服上述不足?，F(xiàn)介紹其裝配及使用方法。

1 裝配

1.1 材料用品

廢棄的普通白熾電燈泡（其容量不小于 120mL，常用的40W左右燈泡即可）一只、兩根長約30cm的普通導線（其中一根為紅色，另一根顏色不限）、兩支小號試管（15mm×150mm）、小膠塞一個、直徑為1mm的細鐵絲一根（長約20cm）、焊錫及電烙鐵等。

1.2 制作泡體電解槽

（1）制造裂紋：取一只廢棄的普通白熾電燈泡，將底部放在酒精燈火焰上燒熱后，用蘸有冷水的細鐵絲端頭觸及底部的正中央，即可在觸點為中心、直徑約1cm的區(qū)域產生許多裂紋。

（2）畫切割線：待燈泡底部冷卻后，將其頭部插入一廣口瓶中豎直放置。然后將25mL的小坩堝（其口徑約4cm）扣在底部的正中央，用鋼筆或特種鉛筆筆尖沿著口沿旋轉畫一圈，即得到一個圓形切割線。

（3）切割去底：選擇離切割線較近的一個裂紋（即最突出的一個裂紋），用延伸切割的方法，即將燒熱的玻璃棒頭或電烙鐵頭[4]觸及裂紋的前端，使裂紋延伸至切割線上，并繞切割線旋轉一周。然后用尖銳的器具輕輕敲打泡底（切割線內的區(qū)域），即可敲掉泡底。

（4）打磨、修理：用鑷子或尖嘴鉗將泡體內傘狀的燒斷的細鎢絲及支撐鎢絲的細金屬絲夾掉，再將電導絲夾端正，并折成適當間距的“U”字形。然后用120#砂紙將切割后的泡體口沿輕輕打磨光滑。

（5）固定導線：用焊錫將兩根長約30cm的導線分別固定于燈泡尖端的兩個觸點（處）上；或直接將導線接到事先配套的燈頭的接線柱上（使用時，將燈頭安裝到燈泡上即可。這樣更便于保管）。

至此，即制成了一個完整的泡體電解槽，如圖1所示。

1.3 制作帶柄膠塞

按15mm×150mm試管管口的大小，配一個小膠塞，將一根細鐵絲（φ1mm）插入其中，然后彎成鉤型狀，如圖2所示。帶柄膠塞是該水電解器的一個重要輔助工具，為方便收集氣體的試管放入或取出電解槽之用。

2 使用方法及步驟

（1）將泡體電解槽豎直地置于一只無色透明的廣口瓶上。

（2）向泡體中注入約100mL 5% NaOH溶液。

（3）將電解槽的紅導線接到低壓學生電源的直流輸出端的紅色接線柱上，另一根導線接到其黑色接線柱上。

（4）打開學生電源開關，調節(jié)電壓在6～8V，即可看到電解槽內的兩根電極上有大量的氣泡冒出。約3～5分鐘，關閉電源。

（5）用一支干凈的廢塑料注射器（規(guī)格為20mL），從電解槽內抽滿電解液后，小心注入到一支15mm×150mm的試管中（試管夾需夾持在試管的中間部位）。待注滿后將帶柄的小膠塞輕輕放入試管口中。然后慢慢地倒置試管（注意用手扶持住膠塞手柄）于電解槽中液面下，小心取下膠塞，將試管扣在一電極上。采用同樣辦法，將另一支試管裝滿電解液后扣在另一電極上。

（6）重新打開電源，調節(jié)電壓8～12V，即可看到兩只試管中有大量氣體生成，其中一支試管中氣柱始終大約是另一支試管中氣柱的兩倍，如圖3所示。待氣體多的那支試管剛收滿氣體后關閉電源。

（7）用試管夾和帶柄膠塞取出收滿氣體的那支試管。移近酒精燈焰，拔下膠塞，可聽到輕微的爆鳴聲，斷定是氫氣。取出另外有半管氣的那支試管，將帶火星的細木條插入試管中，可看到木條燃燒起來，斷定是氧氣。

若重復實驗，從步驟（5）開始即可。

3 說明

（1）該電解器的電極是鍍鎳的鐵絲，因此只能使用NaOH或KOH的溶液作為電解液[5，6]。因為在此條件下進行電解，電極的陽極表面能形成難溶的保護膜。不僅保護了電極，提高了電極的使用壽命，而且消除了氧氣在電極上的消耗，從而確保了氫、氧體積比為2：1結論的準確性。

（2）電解剛開始的幾分鐘內不收集氣體，是為了讓氧氣和氫氣在電解液中充分溶解[7，8]，以消除兩種氣體在收集過程中因在溶液中溶解度不同而帶來的偏差；另一方面使電極上吸附的氣體飽和。為了節(jié)省課堂時間，這一步可在當節(jié)課的課前完成。

（3）電極要固定使用。連接紅導線的電極為陽極，要永遠作為陽極使用。要求使用者務必將其與學生電源的正極（即紅色接線柱）相接。

（4）若將收集的氫氣通過一次性頭皮針塑料細管，在一只盛水的玻璃水槽（或大燒杯）中轉入到注射器中，再通過針頭點燃，就可看到氫氣燃燒的火焰。其實驗效果更佳。

（5）電燈泡內有的玻璃芯柱端頭過大而使試管難以扣在電極上，可用尖嘴鉗子小心將其端頭夾破、夾掉即可。

（6）若電極根部距扣住的試管口壁較近，可事先在電極的根部長約0.5～1cm一小段上用溶化的石蠟點封（若長期使用，最好用溶解在丙酮中的有機玻璃或賽璐珞點封），以防止電解過程中產生的氣泡逃逸。

（7）當試管注滿電解液用帶柄膠塞封口時，不要用力塞，即輕輕將塞子放入即可（有大氣的壓力作用，倒置時不需擔心它會滑脫），這樣進槽后取下時就非常省力。

（8）若用大功率的廢紅外線燈泡，采用同樣方法，制成的水電解槽，其容積可達到800mL（如圖1-b所示），將會有更大的用途。

4 評價

（1）該水電解器的主要部件——泡體電解槽是完全利用廢棄的燈泡制作的，它不僅來源廣泛、易得，而且變廢為寶，對充分利用資源，保護環(huán)境，降低實驗成本大有裨益。

（2）裝置精巧、美觀，對培養(yǎng)學生學習興趣、提高學生創(chuàng)新意識很有幫助。若讓學生嘗試制作，可培養(yǎng)他們動手、探究及發(fā)明創(chuàng)造能力。

（3）制作簡單，操作方便。電解時可借助廣口試劑瓶或集氣瓶直接擺放在實驗臺或講臺上，不必使用鐵架臺；另外，集氣的小試管也不需再固定。

（4）與實驗室現(xiàn)用的J2606水電解器相比，它不僅價錢低廉，而且電解速度快，實驗效果明顯。在8～12V電壓下，用5% NaOH溶液做電解液進行電解，若要收集20mL氫氣，僅需要2～4分鐘，是同等條件下J2606水電解器所用時間的六分之一到五分之一。另外，它的兩個電極可適當調近或調遠，這給實驗教學，特別是高師化學教學論實驗的探究教學活動，帶來了極大的方便。

總之，該水電解裝置無論在裝配、操作、實驗成本及教學功能上都不失為一種理想的實驗教具。

參考文獻：

[1]任有良，張國春，陳助國.一種簡易水電解器[J].化學教學，2014，（6）：45～47.

[2]韓斌.對通電分解水簡易裝置的改進[J].中小學實驗與裝備，2011，（3）：25.

[3]課程教材研究所，化學課程教材研究開發(fā)中心.義務教育課程標準實驗教科書·化學（九年級上冊）（第2版）[M].北京：人民教育出版社，2006：47.

[4]任有良，張國春，金振國等.廢真空集熱管在基礎化學實驗中的應用[J].化學教育，2008，（6）：61～63.

[5]西南師范學院化學系.中學化學教學法實驗[M].北京：高等教育出版社，1997：17.

[6]課程教材研究所，化學課程教材研究開發(fā)中心.義務教育課程標準實驗教科書·化學（九年級上冊）·教師教學用書（第3版）[M].北京：人民教育出版社，2007：80～81.

[7]石啟英.電解水實驗的探討[J].商洛師范專科學校學報，2004，18（3）：114～116.

[8]朱莉，蘇同福，周斌等.提高水電解實驗效果的方法[J].河南農業(yè)，2008，（10）：57.