電解水實驗的再改進

姜跟華

摘要： 針對現(xiàn)行人教版初中化學(xué)“電解水實驗”存在的不足，通過文獻(xiàn)分析和實踐摸索，提出新的改進方案。新方案立足于教材原型實驗，采取自制加長型試管刷、增添30mL滴瓶滴管、涂抹凡士林在“連通”上邊沿、更換鉑電極為304不銹鋼棒電極等措施對實驗進行改進。改進后的實驗裝置簡約，具有操作簡便、效果顯著等優(yōu)點。

關(guān)鍵詞： 電解水； 霍夫曼水電解器； 實驗改進

文章編號： 1005-6629（2023）03-0073-03

中圖分類號： G633.8

文獻(xiàn)標(biāo)識碼： B

1? 問題提出

“電解水實驗”是初中化學(xué)教材中非常重要的啟蒙實驗，也是化學(xué)經(jīng)典實驗之一，在目前所有版本的初中化學(xué)教材中都有此內(nèi)容。其中人教版初中化學(xué)教材多年來一直使用如圖1所示的實驗方案，其對幫助學(xué)生認(rèn)識“物質(zhì)的組成”“化學(xué)變化的實質(zhì)”“物質(zhì)組成的研究方法”等有非常重要的意義。其中霍夫曼水電解器是該實驗的經(jīng)典儀器，具有定量測量、方便檢驗、不直接接觸電解液等優(yōu)點。然而實際教學(xué)時卻發(fā)現(xiàn)了一些問題，例如：（1）玻璃管又細(xì)又長，難以進行徹底清洗；（2）實驗時常出現(xiàn)泡沫現(xiàn)象，對實驗造成干擾，影響數(shù)據(jù)觀察；（3）實驗耗時較長，收集20mL氫氣需要5分10秒左右；（4）收集的氧氣偏少，兩氣體的實際體積比與理論比有較大誤差；（5）氣體檢驗時，常有液體噴出，造成檢驗失敗。由此看出，霍夫曼水電解器雖有明顯的優(yōu)點，但也存在一些問題，為此決定對該實驗再次進行改進，以期能更好地服務(wù)于教學(xué)。

2? 文獻(xiàn)改進實驗案例簡介

以“霍夫曼水電解器”“電解水”為關(guān)鍵詞進行文獻(xiàn)檢索，發(fā)現(xiàn)不少研究者作了創(chuàng)新設(shè)計與改進，歸納起來有以下幾種情形。

情形一：如圖2所示整體結(jié)構(gòu)縮小方案［1］。郭曉麗等進行模塊設(shè)計，將裝置小型化，并調(diào)整反應(yīng)室和儲液室的位置，讓２個反應(yīng)室緊緊相鄰，縮短兩個電極距離，其通電約１min即可獲得所需的氧氣和氫氣。

情形二：如圖3所示U型管式改進方案［2］。楊紹武從改變反應(yīng)場所的結(jié)構(gòu)著眼，使用具支Ｕ型管作為電解裝置，電爐絲從U型管上方接入，產(chǎn)生的氣體導(dǎo)出到管外注射器中，簡化了氣體測量和檢測。

情形三：如圖4所示兩室形態(tài)整合方案［3］。為了能使裝置更為簡約化、整體化，任有良等借用共用的思維方法，將反應(yīng)室和儲液室進行合并，利用廢棄的電燈泡制成電解槽，以斷開的燈絲為電極，再配以試管為集氣管，在8到12V電壓下電解5% NaOH溶液，僅需3分鐘左右，就可收集20mL氫氣。

情形四：如圖5所示供電方式改變方案［4］。突破固定思維束縛，黃海燕等對電源供電方式作了改進，以自制酒精燈產(chǎn)生的熱作為熱源，采用循環(huán)水冷的方式自制溫差發(fā)電裝置，電解時將溫差發(fā)電片與電解水裝置相連，可實現(xiàn)電壓、電流都較小的情況下，成功將水電解。此外還有的研究者使用太陽能、干電池［5］為電源進行供電。

將上述改進實驗與教材原型實驗相比，不難看出原型實驗雖操作簡便、觀察方便，但可惜電解效率偏低。已有的改進實驗雖然裝置小型化、提高了電解效率等方面做了大量工作，但依然存在一些問題：如有的改進實驗部分儀器難以準(zhǔn)備，制作也有困難，不夠簡約，影響其推廣應(yīng)用；有的改進實驗電解效率依然很低，如用溫差發(fā)電裝置、干電池作電源等；有的改進實驗實驗結(jié)果誤差更大，不適合應(yīng)用于教學(xué)；還有的檢驗氣體時需要將反應(yīng)裝置取出并進行清洗，操作上很不方便?；舴蚵娊馄髯鳛榻滩牡脑脱b置，在實驗教學(xué)中可以減少學(xué)生的認(rèn)知障礙，獲得較好的教學(xué)效果。為此筆者決定立足于教材原型實驗，吸取改進實驗的優(yōu)點，不斷實踐與反思，最終形成了如下改進方案。

3? 實驗再改進

3.1? 實驗用品

10%氫氧化鈉溶液、霍夫曼水電解器（江陰市正中科教器材有限公司J2606型）、學(xué)生電源（泰州市永創(chuàng)教學(xué)儀器有限公司）、導(dǎo)線、304不銹鋼棒（0.3cm）、膠帶、橡膠塞、試管刷、細(xì)鐵絲（0.2cm）、橡膠管、30mL滴瓶滴管、小木條、鐵架臺、玻璃棒等

3.2? 實驗操作

（1） 取一根長約35cm的細(xì)鐵絲，用膠帶固定在試管刷的尾部，制成加長型試管刷（見圖6）；再取長約8cm的不銹鋼棒，在靠近橡膠塞邊沿部位插入橡膠塞，長端留5cm左右即可（見圖7），備用。

（2） 用試管刷清洗霍夫曼水電解器后，用玻璃棒挑少量凡士林，采取“向里送”的方式將其涂抹在邊沿，塞緊電極橡膠塞，固定在鐵架臺上；再取長約6cm橡膠管與滴瓶滴管一同連接到水電解器尖嘴上（見圖8）。

（3） 打開活塞，從漏斗口加入10%的氫氧化鈉溶液，過程中不時上下移動漏斗，最后加液至玻璃管內(nèi)液面剛好至活塞處、漏斗內(nèi)只留少量液體即可，關(guān)閉活塞。

（4） 將電解器與學(xué)生電源相連，旋轉(zhuǎn)鐵夾旋鈕，使電解器向負(fù)極相連的一側(cè)傾斜約20°，固定。開啟電源，調(diào)節(jié)電壓至最大15V，即可觀察到兩側(cè)玻璃管中有大量氣體產(chǎn)生，且負(fù)極產(chǎn)生的氣體更多（見圖9），當(dāng)氣體多的那一側(cè)液面最高點到刻度時，關(guān)閉電源，回正電解器，片刻后讀取數(shù)據(jù)。

（5） 緩慢旋轉(zhuǎn)活塞，用燃著的木條檢驗氣體，可觀察到正極產(chǎn)生的氣體能使燃著的木條燃燒更旺，可知是氧氣；將負(fù)極產(chǎn)生的氣體先放出一部分，再進行檢驗，可觀察到氣體能夠燃燒，可知是氫氣。

（6） 斷開導(dǎo)線，打開活塞，取下電解器，將漏斗傾斜下放到燒杯口，使大部分電解液從漏斗口倒出、收集，少量電解液從一側(cè)的玻璃管尖嘴處流出、收集。

（7） 清洗霍夫曼水電解器，晾干，裝箱，備用；電解液裝入試劑瓶，留著后續(xù)化學(xué)實驗時使用。

3.3? 幾點說明

（1） 對試管刷進行加長，目的是便于將試管刷伸入到玻璃管底，從而對電解器進行徹底清洗，有效避免電解時出現(xiàn)泡沫現(xiàn)象。

（2） 304不銹鋼棒具有較大的表面積，可以非常好地提高電解效率；同時其耐堿性較強，電解時還會形成難溶的保護膜，避免氧氣被消耗，可提高氣體體積比值的準(zhǔn)確性。

（3） 電解過程中氫氧化鈉電解液顏色不會發(fā)生改變，同時其濃度越大，電解效率越高；但超過10%后，電解效率增幅會明顯減緩，為此筆者綜合考量電解液選用10%的氫氧化鈉溶液。

（4） 在保證電解效率的同時，控制有效電極長度，沿橡膠塞邊沿插入電極，傾斜電解器，涂抹凡士林，均為有效地防止氣體跑出反應(yīng)室，減小測量誤差。

（5） 滴瓶滴管不僅能增加尖嘴部位的高度，還具有“較大”的橫截面積（滴管“胖肚”部位），可以有效地避免電解液噴出。

（6） 上下移動漏斗，目的是使電解液上下流動，排出氣泡，排除干擾。同時開始時漏斗中不可有過多液體，是為了防止電解過程中大量液體進入，造成液體溢出。

（7） 在檢驗氫氣時，先放出一部分氣體再點燃，目的是排盡滴管中的空氣，防止檢驗氫氣時發(fā)生意外。

3.4? 小結(jié)

（1） 立足教材，回歸原點。改進實驗立足于教材原型實驗，保留霍夫曼水電解器，回歸教學(xué)的原點，依然與教學(xué)目標(biāo)相適宜，與基本學(xué)情相切合，與師生認(rèn)知水平相貼近，符合知識內(nèi)容、認(rèn)識思路和核心觀念相統(tǒng)一的原則。

（2） 操作簡便，簡約易行。本改進實驗裝置簡約，僅自制了加長型試管刷、增添了滴管和凡士林、更換了電極，完全保留了教材原型實驗操作簡便、容易觀察、定性與定量相結(jié)合等優(yōu)點。

（3） 效果顯著，服務(wù)教學(xué)。經(jīng)過改進，實驗效果顯著，其不僅解決了原實驗難以清洗、易起泡沫、易噴出液體、結(jié)果誤差大等問題，而且電解效率也得到了極大提升，如收集20mL氫氣，只需要2分15秒左右，不到原型實驗時間的一半，完全可以非常好地服務(wù)于化學(xué)教學(xué)。

參考文獻(xiàn)：

［1］郭曉麗， 李淑芳， 魏銳. 一種小型電解水裝置的設(shè)計［J］. 化學(xué)教育（中英文）， 2018， 39（1）： 66～69.

［2］楊紹武. 霍夫曼水電解器的嬗變［J］. 化學(xué)教學(xué)， 2006， （6）： 10～11.

［3］任有良， 石啟英， 張本璽. 一種泡體槽式水電解裝置［J］. 化學(xué)教學(xué)， 2015， （6）： 62～64.

［4］黃海燕， 王澤安. 電解水小型實驗裝置的設(shè)計［J］. 化學(xué)教學(xué)， 2021， （8）： 72～75.

［5］宋守娟， 張潔. 塑料礦泉水瓶在初中化學(xué)實驗中的妙用［J］. 化學(xué)教學(xué)， 2015， （11）： 69～72.