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——水的電解裝置制作和反思

莘永勝

湖北省棗陽(yáng)市太平鎮(zhèn)第三初級(jí)中學(xué)(441205)

水的電解是初中化學(xué)第4單元課題3“水的組成”中的一個(gè)探究活動(dòng)?！墩n程標(biāo)準(zhǔn)》中指出本節(jié)的標(biāo)準(zhǔn)是“認(rèn)識(shí)水的組成”。活動(dòng)與探究建議提出“根據(jù)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象推斷水的組成”。《教師教學(xué)用書》中指出：“它本身不是探究實(shí)驗(yàn)，但與討論組合并放在模擬水組成研究的背景下，使其具有了探究的意味。水分解部分是一個(gè)水電解的探究。”可見(jiàn)水的電解在本節(jié)課的教學(xué)中處于比較重要的地位。

實(shí)驗(yàn)中，使用實(shí)驗(yàn)室中水的電解實(shí)驗(yàn)儀器，收集氣體較少；驗(yàn)證氣體時(shí)，課堂時(shí)間有限，頂端管口采用活塞式，開口比較大，在中間漏斗的壓力下，氣體容易迅速?zèng)_出。教材中也給出注意“控制玻璃管活塞的開啟速度，使氣體慢慢放出”，說(shuō)明氣體流速不易控制，實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象大多不明顯或持續(xù)時(shí)間短，造成課堂實(shí)踐教學(xué)中，受限于時(shí)效性，教師多采用視頻進(jìn)行實(shí)驗(yàn)教學(xué)，降低了學(xué)生對(duì)探究活動(dòng)的體驗(yàn)性。為了增強(qiáng)學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)探究過(guò)程和現(xiàn)象的體驗(yàn)。筆者開展了如下水的電解裝置制作和實(shí)驗(yàn)操作。

1 制作準(zhǔn)備

1.1 材料準(zhǔn)備

一次性無(wú)菌注射器(20 mL，3個(gè)；1 mL，1個(gè))；一次性注射器針頭(白色，1.6 mm×38 mm,1個(gè))；輸液軟管針(黑色7號(hào)針頭，1個(gè)；其他：3個(gè)，去針頭)；碳棒(R20碳性1號(hào)電池中取出，2個(gè))；橡皮塞(3號(hào)或4號(hào)，2個(gè))；銅導(dǎo)線；線鼻子(2個(gè))；小試管(10 mm×100 mm或12 mm×70 mm，2支)；長(zhǎng)尾夾(5號(hào)，2個(gè))。

1.2 使用工具

小刀，剪子，塑料膠水(如502膠水)，衛(wèi)生紙，蠟燭，火柴，鐵絲等。

2 制作裝置要點(diǎn)

(1)電極制作中，在接近碳棒一端1～2 cm處，使用小刀輕輕刮一周凹槽，剝離導(dǎo)線一端絕緣層，使導(dǎo)線纏繞在凹槽處并擰緊，將纏繞導(dǎo)線的碳棒一端朝下塞入橡皮塞，兩者下端保持平齊。

(2)容器的制作中，選擇1 mL無(wú)菌注射器針筒2段；針頭端2～3 cm、另一段3～4 cm(中間鉆孔)，熱熔制作“T”形管，保持管內(nèi)暢通。選擇2個(gè)20 mL無(wú)菌注射器針筒同一高度鉆孔，使針筒刻度線在同側(cè)。與“T”形管的兩端連接，連接處使用塑料膠水黏合。

(3)儀器連接中，7號(hào)輸液軟管針連接的20 mL無(wú)菌注射器針筒中碳棒為陰極。

裝置如圖1所示。

3 操作使用

3.1 儀器使用

(1)檢查裝置的氣密性。使用長(zhǎng)尾夾夾住輸液軟管針，注射器吸入空氣，然后連接到注射器針頭，使整個(gè)裝置置于水中，推注射器看是否漏氣。

(2)使用注射器連接輸液軟管針從吸取10%的氫氧化鈉溶液，取下輸液軟管針，連接注射器針頭，將10%的氫氧化鈉溶液注入反應(yīng)容器(圖1中10)。注滿后，用長(zhǎng)尾夾夾住輸液軟管針。連接電源。

3.2 氣體檢驗(yàn)

3.2.1 氧氣的檢驗(yàn)

(1)待收集的氧氣大于等于3 mL時(shí)，即可檢驗(yàn)。

(2)把輸液軟管針中軟管插入小試管底部，大拇指堵住管口，取下長(zhǎng)尾夾，輕推注射器，使用向上排空氣法收集氣體。收集完氣體后拇指堵住管口，觀察氣體顏色狀態(tài)。插入帶火星木條，木條復(fù)燃，可重復(fù)3次。氣體收集完后，用長(zhǎng)尾夾夾住輸液軟管針。

3.2.2 氫氣的檢驗(yàn)

(1)點(diǎn)燃蠟燭(蠟燭火焰高度不宜過(guò)低)，打開7號(hào)輸液軟管針上夾子，輕推注射器，排出輸液軟管針中液體。

(2)把7號(hào)輸液軟管針針頭在火焰上燒紅，輕推注射器，明顯可見(jiàn)針頭切口處氣體燃燒。

3.3 藥品的回收和儀器的清洗

實(shí)驗(yàn)完畢后，取下反應(yīng)容器上輸液軟管針上的長(zhǎng)尾夾，輕拉注射器，把大部分藥品回收至指定容器，對(duì)少量殘留液，可把反應(yīng)容器倒置，把反應(yīng)容器上輸液軟管針插入指定容器內(nèi)，使用注射器注入空氣加壓或取下電極橡皮塞。然后向反應(yīng)容器內(nèi)加水清洗或使用注射器吸水后注射清洗。

4 實(shí)驗(yàn)效果

4.1 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

使用10%氫氧化鈉溶液，直流電源12 V，輸出最大電流2 A，實(shí)驗(yàn)約10 min收集到3 mL氧氣，7 mL氫氣；直流電源18 V，輸出最大電流3 A，實(shí)驗(yàn)約10 min收集到5 mL氧氣，13 mL氫氣。

4.2 實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象

實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象明顯，氧氣復(fù)燃可在試管內(nèi)多次重復(fù)，氫氣燃燒時(shí)間持續(xù)約10～15 s。課堂教學(xué)中，學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)過(guò)程和現(xiàn)象的體驗(yàn)明顯增強(qiáng)。

5 改進(jìn)反思與拓展

(1)實(shí)驗(yàn)裝置改進(jìn)有“微、易、清、綠”的特點(diǎn)。“微”指微型化，這樣可以做到節(jié)約藥品，裝置易于攜帶。本實(shí)驗(yàn)中容器制作還可以改用5 mL一次性無(wú)菌注射器，碳棒改用從5號(hào)電池中獲取?！耙住敝覆牧弦子讷@取，操作簡(jiǎn)單易行。“清”指實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象清晰可見(jiàn)，學(xué)生體驗(yàn)感增強(qiáng)?！熬G”指裝置及操作過(guò)程中綠色化，本實(shí)驗(yàn)中實(shí)驗(yàn)人員不直接接觸氫氧化鈉溶液，且氫氧化鈉溶液可以簡(jiǎn)便回收。

(2)實(shí)驗(yàn)改進(jìn)的不足之處：時(shí)效性不夠強(qiáng)。實(shí)驗(yàn)改進(jìn)應(yīng)注重時(shí)效性。實(shí)驗(yàn)改進(jìn)應(yīng)當(dāng)作為課堂教學(xué)活動(dòng)中的一部分，為教學(xué)活動(dòng)提供支持。教師課外準(zhǔn)備時(shí)間長(zhǎng)，上課應(yīng)當(dāng)集中精力在活動(dòng)探究上。本實(shí)驗(yàn)改進(jìn)只注重了學(xué)生的體驗(yàn)感，沒(méi)有解決實(shí)驗(yàn)時(shí)效問(wèn)題。本節(jié)課中考慮到實(shí)驗(yàn)電解時(shí)間較長(zhǎng)，教師應(yīng)當(dāng)在開展鑒別氣體探究前10 min開始實(shí)驗(yàn)，以期達(dá)到與教學(xué)活動(dòng)同步。

(3)注射器等對(duì)化學(xué)實(shí)驗(yàn)裝置的改進(jìn)的拓展。注射器是初中化學(xué)實(shí)驗(yàn)改進(jìn)的好幫手，可以起到替代試管、集氣瓶、燒杯、滴管、漏斗、分液漏斗、量筒等多種儀器的作用。教科書中較多的實(shí)驗(yàn)裝置可以嘗試進(jìn)行等效替換。

如替代試管功能，本節(jié)課中筆者用無(wú)菌注射器(針頭端密封)，取出活塞替代試管。使用排水法收集氫氣，然后塞進(jìn)活塞，保持針頭端向上，可以保存較長(zhǎng)時(shí)間。課堂上檢查氫氣純度時(shí)，只需拔出活塞，用拇指堵住管口。減少了實(shí)驗(yàn)過(guò)程中收集氫氣這一環(huán)節(jié)，增強(qiáng)了實(shí)驗(yàn)的時(shí)效性。

如替代集氣瓶，使用60 mL注射器和輸液管滴壺作為氫氣安全點(diǎn)燃裝置，如圖2所示，排水法收集氫氣后，使針頭向上，在針頭燒紅后點(diǎn)燃，持續(xù)一段時(shí)間上推，若推速過(guò)快，可見(jiàn)淡藍(lán)色火焰。兩端由于可以液封，氫氣可以保存較長(zhǎng)時(shí)間，不會(huì)受到氫氣擴(kuò)散影響?？紤]到管口、氣流及滴壺中水的阻斷作用，火焰不會(huì)向針筒內(nèi)蔓延，若氣體不純，則在針頭燃燒處會(huì)出現(xiàn)“氣炮”，實(shí)驗(yàn)比較安全。

實(shí)驗(yàn)改進(jìn)可以在材料上、裝置上、操作上進(jìn)行創(chuàng)新。實(shí)驗(yàn)改進(jìn)多接地氣，在課堂教學(xué)中會(huì)展示出強(qiáng)大的生命力。