水電解實驗探究及裝置創新

　　摘要：水電解實驗是初中非常重要的實驗。利用注射器針頭作電極，注射器空筒作儲氣室，濾盤和注射器針頭及直通閥作氫氣檢驗裝置，小膠試管和直通閥作氧氣檢驗裝置對電解水實驗裝置進一步創新。

　　關鍵詞：水電解實驗;注射器;實驗探究;裝置創新

　　1、實驗探究背景

　　1.1水電解實驗的意義

　　初中化學教科書是通過電解水實驗即“分法”讓學生認識水的組成，進而讓學生形成運用“分”的方法來研究物質的一般方法。通過分析實驗現象培養學生基于證據推理的思維，聯系水電解的宏觀現象與微觀本質進而培養學生宏微結合的思想[1]。因此水電解實驗重要性不言而喻。

　　1.2當前水電解實驗的不足

　　初中化學教科書給出水電解實驗都是霍夫曼水電解器電解NaOH溶液或稀H2SO4，該實驗有很多不足。

　　1.2.1裝置不理想 一是利用高處液體產生的壓強把氣體快速擠壓到管口而逸出，氣流快而時間短，不利于氣體檢驗。二是氣體檢驗的效果不佳。玻璃中含有鈉離子干擾氫氣檢驗，火焰呈黃色不呈淡藍色。氧氣從管口出來時攜帶殘留在管口的電解液一起噴出，使帶火星的小木條不易復燃。三是添加電解液的漏斗容量小，電解時電解液易從漏斗處溢出。四是裝置主要為玻璃材質，不小心易損壞。

　　1.2.2電解液選擇不佳 用NaOH溶液作電解液，由于鈉離子在檢驗氫氣時易造成干擾。若用稀H2SO4電解，正極生成的氧氣會進一步氧化硫酸根[2]等因素，導致氫氣與氧氣的體積比大于2：1。

　　1.2.3電源局限 學生電源電壓較低導致電解速率較慢，影響課堂教學效果。

　　2、裝置創新及實驗探究

　　2.1實驗材料 注射器4個(20毫升2個，60毫升2個)，針頭3根，塑料直通閥2個，塑料濾盤1個，塑料小試管1只，內絲螺紋堵頭1個，電解器底座，可調壓電源(0-24V)，塑料軟管，AB膠。

　　2.2實驗裝置(見圖1)

　　2.3實驗步驟

　　2.3.1組裝裝置 用注射器針頭作電極并固定在儲液室的橡膠塞上。用兩個20毫升的注射器空筒作儲氣室。在兩空筒上端連接直通閥，負極空筒上連接慮盤和針頭，正極空筒上連接小試管。在儲液室上兩注射器空筒中間靠后位置連接一個60毫升注射器(從活塞至活塞柄末端用塑料軟管連通并在末端配上內絲螺紋堵頭)。

　　2.3.2檢查氣密性 擰開堵頭，在塑料軟管口用60毫升注射器給裝置注空氣或水，不能注入則氣密性好。

　　2.3.3注入電解液 首先要打開直通閥，擰開活塞柄上的堵頭，用注射器從塑料軟管口注入足量電解液，再擰上堵頭，用活塞柄推壓電解液漫過直通閥，然后關上直通閥，最后把堵頭擰開后緩慢地把活塞拉到最高處。

　　2.3.4進行電解 接通電源進行實驗(提醒有小試管對應的接線柱連正極)。

　　2.3.5氣體檢驗 一定要先擰上堵頭。負極氣體檢驗：打開直通閥，一只手緩慢地推注射器活塞，另一只手用打火機點燃氣體，然后用冷而干燥的燒杯罩在火焰上方。正極氣體檢驗：打開直通閥，一只手緩慢推注射器活塞，另一只手將帶火星的小木條伸入小試管里。

　　2.4選擇電極、電解液、電壓

　　2.4.1選擇電極 鉑作電極是最好的選擇[3]，本實驗用注射器針頭作電極也是不錯的選擇。針頭作電極不浪費，節約成本(注射器配有針頭)，更重要地是針頭為含鎳的不銹鋼，在堿性條件下比較耐腐蝕[4]。

　　2.4.2選擇電解液與電壓 很多水電解改進實驗電解液用NaOH、Na2CO3等含鈉的物質[5]，但鈉離子干擾氫氣檢驗。為了消除干擾因素，決定采用實驗室常見的KOH作電解液進行實驗探究。

　　電壓是電解水關鍵的因素之一[6]。因電解液種類、濃度、電極等因素不同，所需電壓也不一樣。電壓為10V，15V，20V電解濃度為5%的KOH溶液，正極10ml氫氣所用時間分別為2′1″，1′23″，1′5″。電壓為10V，15V，20V電解濃度為10%的KOH溶液，正極20ml氫氣所用時間分別為2′17，1′32″，1′2″。通過實驗數據分析，結合KOH溶液濃度越大腐蝕性越強，電解時也容易產生泡沫。建議利用改進裝置在電壓20v電解5%KOH溶液實驗。

　　2.5改進后的優點與不足

　　2.5.1優點 一是氣體檢驗效果非常好。通過平緩推注射器活塞得到平穩的氣流，點燃負極針頭處氣體可見持續地淡藍色火焰，正極小試管內帶火星的小木條復燃。二是安全性更好。電解液添加不用手接觸，檢驗氣體時直通閥上面的電解液不會隨氣體噴出，裝置重心更低，穩定性更好，塑料材質不易損壞。三是利用可調電壓電源升高到合適的電壓電解速率快，課堂教學時效性更好。四是操作簡便，利用該裝置讓電解水演示實驗可變為學生實驗。

　　2.5.2不足與建議 手工組裝的裝置在連接上氣密性不能保證。建議用耐酸堿腐蝕的材料(如亞克力板)一次成型裝置。

　　3、拓展實驗

　　3.1氫氣的爆鳴實驗

　　將裝置中的直通閥改為三通開關，注射器與三通開關連接好即可抽取氫氣和氧氣，把抽取地混合氣注射入肥皂液或保鮮膜袋等，用燃著的木條做爆鳴實驗。

　　3.2完成其他實驗

　　利用該裝置完成電解氯化鈉溶液及氯氣的性質實驗。該裝置還可以用于銅與濃稀硝酸反應及氮氧化物的性質等實驗。

　　參考文獻：

　　[1]王國崢.微粒觀建構教學設計賞析與思考[J].中學化學教學參考，2014，(6)：62-65

　　[2][3]錢莉，丁偉. 電解水實驗的創新裝置[J].教育與裝置研究，2019，(8)：23-26

　　[4]潘國榮.電解水實驗中的疑難問題與現象解析[J].化學教與學，2014，(11)：78-79

　　[5][6]王寶權.電解水實驗的再改進[J].教學儀器與實驗，2012，(3)：11-13

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