水電解實(shí)驗(yàn)探究及裝置創(chuàng)新

　　摘要：水電解實(shí)驗(yàn)是初中非常重要的實(shí)驗(yàn)。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(yàn)裝置，小膠試管和直通閥作氧氣檢驗(yàn)裝置對電解水實(shí)驗(yàn)裝置進(jìn)一步創(chuàng)新。

　　關(guān)鍵詞：水電解實(shí)驗(yàn);注射器;實(shí)驗(yàn)探究;裝置創(chuàng)新

　　1、實(shí)驗(yàn)探究背景

　　1.1水電解實(shí)驗(yàn)的意義

　　初中化學(xué)教科書是通過電解水實(shí)驗(yàn)即“分法”讓學(xué)生認(rèn)識水的組成，進(jìn)而讓學(xué)生形成運(yùn)用“分”的方法來研究物質(zhì)的一般方法。通過分析實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象培養(yǎng)學(xué)生基于證據(jù)推理的思維，聯(lián)系水電解的宏觀現(xiàn)象與微觀本質(zhì)進(jìn)而培養(yǎng)學(xué)生宏微結(jié)合的思想[1]。因此水電解實(shí)驗(yàn)重要性不言而喻。

　　1.2當(dāng)前水電解實(shí)驗(yàn)的不足

　　初中化學(xué)教科書給出水電解實(shí)驗(yàn)都是霍夫曼水電解器電解NaOH溶液或稀H2SO4，該實(shí)驗(yàn)有很多不足。

　　1.2.1裝置不理想 一是利用高處液體產(chǎn)生的壓強(qiáng)把氣體快速擠壓到管口而逸出，氣流快而時(shí)間短，不利于氣體檢驗(yàn)。二是氣體檢驗(yàn)的效果不佳。玻璃中含有鈉離子干擾氫氣檢驗(yàn)，火焰呈黃色不呈淡藍(lán)色。氧氣從管口出來時(shí)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(fù)燃。三是添加電解液的漏斗容量小，電解時(shí)電解液易從漏斗處溢出。四是裝置主要為玻璃材質(zhì)，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(yàn)氫氣時(shí)易造成干擾。若用稀H2SO4電解，正極生成的氧氣會進(jìn)一步氧化硫酸根[2]等因素，導(dǎo)致氫氣與氧氣的體積比大于2：1。

　　1.2.3電源局限 學(xué)生電源電壓較低導(dǎo)致電解速率較慢，影響課堂教學(xué)效果。

　　2、裝置創(chuàng)新及實(shí)驗(yàn)探究

　　2.1實(shí)驗(yàn)材料 注射器4個(gè)(20毫升2個(gè)，60毫升2個(gè))，針頭3根，塑料直通閥2個(gè)，塑料濾盤1個(gè)，塑料小試管1只，內(nèi)絲螺紋堵頭1個(gè)，電解器底座，可調(diào)壓電源(0-24V)，塑料軟管，AB膠。

　　2.2實(shí)驗(yàn)裝置(見圖1)

　　2.3實(shí)驗(yàn)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(gè)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(fù)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(gè)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(nèi)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(guān)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(jìn)行電解 接通電源進(jìn)行實(shí)驗(yàn)(提醒有小試管對應(yīng)的接線柱連正極)。

　　2.3.5氣體檢驗(yàn) 一定要先擰上堵頭。負(fù)極氣體檢驗(yàn)：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(jī)點(diǎn)燃?xì)怏w，然后用冷而干燥的燒杯罩在火焰上方。正極氣體檢驗(yàn)：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(shí)驗(yàn)用注射器針頭作電極也是不錯(cuò)的選擇。針頭作電極不浪費(fèi)，節(jié)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(jìn)實(shí)驗(yàn)電解液用NaOH、Na2CO3等含鈉的物質(zhì)[5]，但鈉離子干擾氫氣檢驗(yàn)。為了消除干擾因素，決定采用實(shí)驗(yàn)室常見的KOH作電解液進(jìn)行實(shí)驗(yàn)探究。

　　電壓是電解水關(guān)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(shí)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(shí)間分別為2′17，1′32″，1′2″。通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析，結(jié)合KOH溶液濃度越大腐蝕性越強(qiáng)，電解時(shí)也容易產(chǎn)生泡沫。建議利用改進(jìn)裝置在電壓20v電解5%KOH溶液實(shí)驗(yàn)。

　　2.5改進(jìn)后的優(yōu)點(diǎn)與不足

　　2.5.1優(yōu)點(diǎn) 一是氣體檢驗(yàn)效果非常好。通過平緩?fù)谱⑸淦骰钊玫狡椒€(wěn)的氣流，點(diǎn)燃負(fù)極針頭處氣體可見持續(xù)地淡藍(lán)色火焰，正極小試管內(nèi)帶火星的小木條復(fù)燃。二是安全性更好。電解液添加不用手接觸，檢驗(yàn)氣體時(shí)直通閥上面的電解液不會隨氣體噴出，裝置重心更低，穩(wěn)定性更好，塑料材質(zhì)不易損壞。三是利用可調(diào)電壓電源升高到合適的電壓電解速率快，課堂教學(xué)時(shí)效性更好。四是操作簡便，利用該裝置讓電解水演示實(shí)驗(yàn)可變?yōu)閷W(xué)生實(shí)驗(yàn)。

　　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(shí)驗(yàn)

　　3.1氫氣的爆鳴實(shí)驗(yàn)

　　將裝置中的直通閥改為三通開關(guān)，注射器與三通開關(guān)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(shí)驗(yàn)。

　　3.2完成其他實(shí)驗(yàn)

　　利用該裝置完成電解氯化鈉溶液及氯氣的性質(zhì)實(shí)驗(yàn)。該裝置還可以用于銅與濃稀硝酸反應(yīng)及氮氧化物的性質(zhì)等實(shí)驗(yàn)。

　　參考文獻(xiàn)：

　　[1]王國崢.微粒觀建構(gòu)教學(xué)設(shè)計(jì)賞析與思考[J].中學(xué)化學(xué)教學(xué)參考，2014，(6)：62-65

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

　　[4]潘國榮.電解水實(shí)驗(yàn)中的疑難問題與現(xiàn)象解析[J].化學(xué)教與學(xué)，2014，(11)：78-79

　　[5][6]王寶權(quán).電解水實(shí)驗(yàn)的再改進(jìn)[J].教學(xué)儀器與實(shí)驗(yàn)，2012，(3)：11-13

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