水电解实验探究及装置创新

　　摘要：水电解实验是初中非常重要的实验。利用注射器针头作电极，注射器空筒作储气室，滤盘和注射器针头及直通阀作氢气检验装置，小胶试管和直通阀作氧气检验装置对电解水实验装置进一步创新。

　　关键词：水电解实验;注射器;实验探究;装置创新

　　1、实验探究背景

　　1.1水电解实验的意义

　　初中化学教科书是通过电解水实验即“分法”让学生认识水的组成，进而让学生形成运用“分”的方法来研究物质的一般方法。通过分析实验现象培养学生基于证据推理的思维，联系水电解的宏观现象与微观本质进而培养学生宏微结合的思想[1]。因此水电解实验重要性不言而喻。

　　1.2当前水电解实验的不足

　　初中化学教科书给出水电解实验都是霍夫曼水电解器电解NaOH溶液或稀H2SO4，该实验有很多不足。

　　1.2.1装置不理想 一是利用高处液体产生的压强把气体快速挤压到管口而逸出，气流快而时间短，不利于气体检验。二是气体检验的效果不佳。玻璃中含有钠离子干扰氢气检验，火焰呈黄色不呈淡蓝色。氧气从管口出来时携带残留在管口的电解液一起喷出，使带火星的小木条不易复燃。三是添加电解液的漏斗容量小，电解时电解液易从漏斗处溢出。四是装置主要为玻璃材质，不小心易损坏。

　　1.2.2电解液选择不佳 用NaOH溶液作电解液，由于钠离子在检验氢气时易造成干扰。若用稀H2SO4电解，正极生成的氧气会进一步氧化硫酸根[2]等因素，导致氢气与氧气的体积比大于2：1。

　　1.2.3电源局限 学生电源电压较低导致电解速率较慢，影响课堂教学效果。

　　2、装置创新及实验探究

　　2.1實验材料 注射器4个(20毫升2个，60毫升2个)，针头3根，塑料直通阀2个，塑料滤盘1个，塑料小试管1只，内丝螺纹堵头1个，电解器底座，可调压电源(0-24V)，塑料软管，AB胶。

　　2.2实验装置(见图1)

　　2.3实验步骤

　　2.3.1组装装置 用注射器针头作电极并固定在储液室的橡胶塞上。用两个20毫升的注射器空筒作储气室。在两空筒上端连接直通阀，负极空筒上连接虑盘和针头，正极空筒上连接小试管。在储液室上两注射器空筒中间靠后位置连接一个60毫升注射器(从活塞至活塞柄末端用塑料软管连通并在末端配上内丝螺纹堵头)。

　　2.3.2检查气密性 拧开堵头，在塑料软管口用60毫升注射器给装置注空气或水，不能注入则气密性好。

　　2.3.3注入电解液 首先要打开直通阀，拧开活塞柄上的堵头，用注射器从塑料软管口注入足量电解液，再拧上堵头，用活塞柄推压电解液漫过直通阀，然后关上直通阀，最后把堵头拧开后缓慢地把活塞拉到最高处。

　　2.3.4进行电解 接通电源进行实验(提醒有小试管对应的接线柱连正极)。

　　2.3.5气体检验 一定要先拧上堵头。负极气体检验：打开直通阀，一只手缓慢地推注射器活塞，另一只手用打火机点燃气体，然后用冷而干燥的烧杯罩在火焰上方。正极气体检验：打开直通阀，一只手缓慢推注射器活塞，另一只手将带火星的小木条伸入小试管里。

　　2.4选择电极、电解液、电压

　　2.4.1选择电极 铂作电极是最好的选择[3]，本实验用注射器针头作电极也是不错的选择。针头作电极不浪费，节约成本(注射器配有针头)，更重要地是针头为含镍的不锈钢，在碱性条件下比较耐腐蚀[4]。

　　2.4.2选择电解液与电压 很多水电解改进实验电解液用NaOH、Na2CO3等含钠的物质[5]，但钠离子干扰氢气检验。为了消除干扰因素，决定采用实验室常见的KOH作电解液进行实验探究。

　　电压是电解水关键的因素之一[6]。因电解液种类、浓度、电极等因素不同，所需电压也不一样。电压为10V，15V，20V电解浓度为5%的KOH溶液，正极10ml氢气所用时间分别为2′1″，1′23″，1′5″。电压为10V，15V，20V电解浓度为10%的KOH溶液，正极20ml氢气所用时间分别为2′17，1′32″，1′2″。通过实验数据分析，结合KOH溶液浓度越大腐蚀性越强，电解时也容易产生泡沫。建议利用改进装置在电压20v电解5%KOH溶液实验。

　　2.5改进后的优点与不足

　　2.5.1优点 一是气体检验效果非常好。通过平缓推注射器活塞得到平稳的气流，点燃负极针头处气体可见持续地淡蓝色火焰，正极小试管内带火星的小木条复燃。二是安全性更好。电解液添加不用手接触，检验气体时直通阀上面的电解液不会随气体喷出，装置重心更低，稳定性更好，塑料材质不易损坏。三是利用可调电压电源升高到合适的电压电解速率快，课堂教学时效性更好。四是操作简便，利用该装置让电解水演示实验可变为学生实验。

　　2.5.2不足与建议 手工组装的装置在连接上气密性不能保证。建议用耐酸碱腐蚀的材料(如亚克力板)一次成型装置。

　　3、拓展实验

　　3.1氢气的爆鸣实验

　　将装置中的直通阀改为三通开关，注射器与三通开关连接好即可抽取氢气和氧气，把抽取地混合气注射入肥皂液或保鲜膜袋等，用燃着的木条做爆鸣实验。

　　3.2完成其他实验

　　利用该装置完成电解氯化钠溶液及氯气的性质实验。该装置还可以用于铜与浓稀硝酸反应及氮氧化物的性质等实验。

　　参考文献：

　　[1]王国峥.微粒观建构教学设计赏析与思考[J].中学化学教学参考，2014，(6)：62-65

　　[2][3]钱莉，丁伟. 电解水实验的创新装置[J].教育与装置研究，2019，(8)：23-26

　　[4]潘国荣.电解水实验中的疑难问题与现象解析[J].化学教与学，2014，(11)：78-79

　　[5][6]王宝权.电解水实验的再改进[J].教学仪器与实验，2012，(3)：11-13

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