電解水實驗的改進與實際操作

初中化學(xué)教材經(jīng)過多次改版，內(nèi)容發(fā)生了較大的變化。

自從“氫氣還原氧化銅”淡出后，課本中吸引人眼球的實驗項目似乎已經(jīng)很少。因而，“電解水”的演示質(zhì)量不容忽視。

在教材中，“水的組成”是通過電解水實驗來證明的。這個實驗的看點在于，看似單純的水，經(jīng)過電解以后，生成了兩種截然不同的氣體——氧氣和氫氣，而且它們的體積比為2：1。實驗中可以看到大量氣泡從電極上產(chǎn)生并冒出，生成的氣體可以檢驗，一種能夠使帶火星的木條復(fù)燃，另一種則能夠燃燒。觀察實驗現(xiàn)象，可以使學(xué)生獲得廣泛的想象空間，看似單純的水，在電流的作用下變成兩種單質(zhì)，有助于學(xué)生對分解反應(yīng)的認(rèn)識和理解。也可以幫助學(xué)生理解化學(xué)反應(yīng)的本質(zhì)，理解原子，分子，以及一些物質(zhì)是由分子構(gòu)成的等等基本概念和知識。

“電解水”實驗的典型裝置是“霍夫曼電解器”，電極材料使用昂貴的鉑，學(xué)校一般沒有配置。雖然上級配給的儀器中也有類似的，但是，制作工藝粗糙，而且損壞以后修理困難，訂貨的周期又比較漫長，并且跑冒滴漏現(xiàn)象嚴(yán)重，由于電解水的時候，要在水中加入硫酸或者燒堿，因此，這樣的瑕疵是無法容忍的。因此，在實際教學(xué)時，往往使用自制簡易裝置。不過，實驗效果并不理想，主要的缺點包括：手需要多次接觸有腐蝕性的電解液，如果使用手套，操作又顯笨拙，檢驗氫氣的時候效果不理想，老師對此有改進的要求。經(jīng)過查找資料和動手實驗，我們對實驗中的一些問題有了成套的改進方案。圖一是過去常用的簡易電解水裝置，圖二是現(xiàn)在改進后的電解水裝置。

一、改進的實驗方案如下：

1.電解液：用NaOH溶液，根據(jù)實測經(jīng)驗，質(zhì)量分?jǐn)?shù)為15%～18%最理想，最好用純度較高的試劑和蒸餾水配制。實際用10%NaOH溶液效果就很好了。

2.電解池：曾經(jīng)使用1000ml燒杯。由于燒杯上有文字和標(biāo)識刻度，會影響觀察，最好用塑料缸，定制。但是，學(xué)校沒有這樣的條件。現(xiàn)在改用定制的長方形有機玻璃缸，量身定制，與收集氣體的容器（注射器匹配），不浪費藥品。

3.電極材料：最理想的是鉑。當(dāng)電解液為堿性時，可用鐵絲代替，效果較好，實際操作中，選用自行車的輻條，套上電線絕緣皮，留出大約3公分露在外面，作為電極。陰極的電極材料要求不太高，可以用銅導(dǎo)線，剝?nèi)ツ┒瞬糠纸^緣皮。電極部分可以繞成螺旋狀，長度約10cm，足以防止當(dāng)電解產(chǎn)生的氫氣較多時，注射器浮起而傾倒。當(dāng)氧氣占據(jù)注射器一半容量時，注射器不會浮起，所以不必采取這一措施。

4.電源：選用普通學(xué)生電源。電壓16V。電壓對電解的速度有很大的影響，電壓大時電解速度較快。實際用10V就可以了。電壓太高時，電流增大，電源可能會因為過載而采取保護措施，并停止工作。

5.集氣裝置：用排水法收集，使用兩個30ML的注射器，在針頭處各接上6cm長的橡膠管，里面各放入一粒光滑的圓球（鋼珠，類似堿式滴定管的設(shè)施），使用時捏住圓球，使電解液進入，殘余的空氣通過橡膠管上端用洗耳球吸出，手不與電解液接觸。

6.導(dǎo)線：用兩根長約30CM的多股導(dǎo)線，一頭各接上鱷魚夾，或在另一頭接魚頭夾?？梢苑奖愕貖A住連接電極的導(dǎo)體的金屬外露部分，另一頭可以方便地接在電源上。

7.為了讓學(xué)生看清現(xiàn)象，可以使用投影，或者視頻展示。實際操作時，是在靠近電解池的地方，放一個微型攝像頭。攝像頭是免驅(qū)動的，使用方便。而且像素很高，響應(yīng)很快，利于觀察。

二、實驗操作的步驟與方法：

正式實驗開始前，進行“預(yù)電解”，就是，不收集氣體，進行一段時間的電解。時間可以稍長一點，10分鐘左右，預(yù)電解時，電壓可以調(diào)低至6V。預(yù)電解的目的，是使作為正極的鐵處于被氧化的狀態(tài)，這樣正極在正式電解時不發(fā)生更多的副反應(yīng)，同時使溶解在水中的氣體達(dá)到飽和。以便使產(chǎn)生的氧氣和氫氣的比例非常接近于1：2。

正式演示的時候，步驟大致如下：

1.如圖裝置，向電解池倒入電解液，至液面距離電解池上沿還有3cm時停止。

2.安放集氣裝置，用一只手?jǐn)D壓橡膠管內(nèi)的圓球，電解液進入注射器內(nèi)，稍后，用另一只手使用洗耳球，吸電解液至圓球處，如果稍有超過，可以放回至圓球處。

3.將銅絲連接電源負(fù)極，鐵絲連接電源負(fù)極。

4.連接電源，電壓選擇10伏。不到5分鐘，氧氣達(dá)到約15ml，氫氣達(dá)到約30ml，針筒內(nèi)即將充滿氣體。停止通電，斷開電源。

5.擠壓負(fù)極這端的圓球，排出一部分氫氣，然后，點燃一根火柴，并馬上擠壓圓球放出剩余的大部分氫氣，這時候，可以看到氫氣燃燒時的火焰。

6.擠壓正極這端的圓球，放出里面的氧氣，與此同時，用帶火星的木條（不要用火柴，因火柴桿太短，會燒到手指，另外火柴桿容易熄滅）伸到管口稍遠(yuǎn)處，木條重新燃燒起來。

經(jīng)實際操作和應(yīng)用，非常成功。

三、數(shù)據(jù)解讀：數(shù)據(jù)采自大學(xué)實驗數(shù)據(jù)

1.關(guān)于電極材料的選擇

數(shù)據(jù)顯示：電解液為堿時，鐵是合適的電極材料。當(dāng)電解液為酸時，保險絲合適作電極。

2.關(guān)于電解液濃度

電解液濃度不同，電壓相同（10V）時，實驗結(jié)果如表3和表4所示。

3.關(guān)于電極的形狀和距離

數(shù)據(jù)顯示：有一定影響，但是在中學(xué)實驗室操作條件下，影響不大。實際采取距離約6cm。

參考文獻(xiàn)：

[1]金樂等，電解水條件探索與裝置改進，湘潭師范學(xué)院學(xué)報，2002年12月。

作者簡介：

蔣發(fā)強（1963.9-），男，湖南省漣源市芙蓉中學(xué)化學(xué)教師，教齡33年。長期關(guān)注和研究化學(xué)實驗。

本文參加2015年湖南省中學(xué)化學(xué)教師實驗創(chuàng)新大賽，漣源市第一名，婁底市第一名，在湖南省比賽中，初評二等獎。