一種簡易水電解器

任有良+張國春+陳助國

摘要：設計了一種簡易水電解器。電解槽由一只廢棄的扁形透明塑料鹽水瓶改制，即切割去鹽水瓶的底部使之成為一個橢圓形圓孔的容器。用兩根廢棄的相同規格的不銹鋼注射器針頭作電極，用經過特殊處理的兩支規格為20 mL的廢塑料注射器作量氣和集氣的容器。該電解器裝配簡單，操作簡便，形體美觀，成本低廉，且電解速度較快，收集20 mL氫氣，僅需要2～4分鐘。

關鍵詞：簡易水電解器；水的電解實驗；實驗改進

文章編號：1005–6629（2014）6–0045–03 中圖分類號：G633.8 文獻標識碼：B

水的電解實驗是現行中學化學課本中一個重要的啟蒙實驗。通過水的電解實驗及對實驗現象的觀察、分析和討論，說明水是由氫、氧兩種元素組成的。做好該實驗，對于培養學生學習化學興趣，形成正確的分子、原子等概念，并主動參與實驗探究至關重要。而實驗室電解水的常用裝置是“霍夫曼電解器”，用它電解水所得的氫氣和氧氣的體積比為2：1，用以證明水的組成是較理想的。但在使用中發現有以下缺點：（1）裝置中兩電極的距離較大且聯通面積小，電解的時間較長；（2）實驗時由長頸漏斗注水，造成裝置重心偏高不穩定，且需自選儀器如沉重的鐵架臺、滴定臺等固定；（3）H2的檢驗不方便、現象不明顯，且無法完成新教材[1]中的氫氣純度的檢驗實驗；（4）裝置成本高，且極易損壞（常易損壞的部位為兩支玻璃管上端的活塞部分和下端相連通的部位）。筆者利用醫用廢品制作的簡易水電解器則可克服上述不足，現介紹其裝配及使用方法。

1 裝配

1.1 材料用品

廢棄的扁形塑料鹽水瓶（容量為100 mL）一只；廢塑料注射器（規格為20 mL）2支；廢棄的中號注射器針頭2支；長約30cm的普通導線（一根為紅色，另一根為其他顏色）2根；廢鐵皮或銅皮1塊；強力萬能膠、302膠等。

1.2 制作方法

1.2.1 制作電解槽

（1）瓶底挖孔：取一只廢棄的100 mL的短頸扁形塑料鹽水瓶（如安徽雙鶴藥業有限責任公司生產的鹽水或糖水瓶），如圖1所示。用一根燒紅的鐵絲端頭將瓶底部中心的橢圓形凹槽沿著其邊沿燒割掉即成。

（2）將瓶底挖孔的鹽水瓶洗滌干凈；把兩根事先選好的相同規格的中號不銹鋼注射器針頭（其尾部的塑料套管需用刀子削去）垂直插入瓶口膠塞中（間距1.2～1.3 cm，即膠塞頂面上的虛線圓環的直徑），然后在其端頭連接兩根長約30 cm的導線（其中一根外皮為紅顏色），如圖2所示，并用302膠固定和粘封針頭底端口。

1.2.2 改造量氣和集氣的注射器

（1）如圖3所示，取兩支洗凈的規格為20 mL的廢塑料注射器。將端頭燒熱的一根玻璃管（管徑7～8 mm）分別從其小乳頭處垂直插入，以燒烙成一個平滑的圓孔。

（2）選取比注射器管徑稍大的兩塊金屬銅皮（或薄鐵皮），用打孔器在其邊上分別打一個圓孔（孔徑為7～8 mm），再分別用強力萬能膠孔對孔粘接在上述的兩支塑料注射器的端頭上。待萬能膠干結后，用剪刀將多出注射器端頭面外的金屬皮剪掉，修圓滑，如圖4所示。

1.2.3 裝配雙管注射式水電解器

將兩支改造好的塑料注射器分別插入用塑料鹽水瓶制作的電解槽中，扣在兩根電極上，如圖5所示，即裝配成了一只雙管注射式水電解器。

2 使用方法及步驟

（1）將塑料電解槽豎直地置于一只無色透明的廣口瓶上。

（2）將電解槽的紅導線接到低壓學生電源的直流輸出端的紅接線柱上，另一根導線接到其黑接線柱上。

（3）向槽中注入約100 mL 5% NaOH溶液；將兩支改造好的廢塑料注射器分別從槽內抽滿電解液（不留空氣泡）后，再小心地插入電解槽中。

（4）打開電源，調節電壓8～12V，即可看到兩支注射器中有大量氣體生成，其中一支注射器氣柱始終大約是另一支注射器中氣柱的兩倍。待氣體多的那支注射器快要集滿氣體（約留1 mL電解液）時關閉電源。

（5）輕輕地垂直取出集滿氣體的那支注射器，慢慢地移入盛水的大燒杯或水槽中以洗去注射器壁外的堿液。然后用手指堵住端頭上的圓孔拿出，并豎直向上將圓孔移近酒精燈焰，抬起指頭，可聽到一聲輕微的爆鳴聲，然后快速推動活塞，還可看到圓孔處氣體燃燒的淡藍色火焰，斷定該管收集的氣體是氫氣。采用同樣的方法，取出另半管氣的那支注射器，將帶火星的細長木條插入注射器中，可看到木條燃燒起來，確定收集的是氧氣。

3 說明及簡論

（1）因一般注射針頭的長度較短，為3～3.5 cm；故可直接使用的瓶子是頸短的扁形廢塑料鹽水瓶（如安徽雙鶴藥業有限責任公司生產的鹽水或糖水瓶）。對于頸長的瓶子，經用鋼鋸條將其頸鋸短、另配一個3號膠塞后，也可使用。

（2）電極要固定使用，即連接紅導線的電極為陽極，要永遠作為陽極使用。要求使用者一定將其與學生電源的正極（即紅接線柱）相接。

（3）若在電解液中加入數滴紅墨水，就可使整個電解液顯示紅色。管內無色的氣體與管外紅色的溶液形成了鮮明的對比，有利于提高實驗的演示效果（即使遠離講臺的學生也能清楚地觀察到兩個氣柱的情形）。也可使用酚酞[2]，但效果不如紅墨水，因酚酞在濃堿液中顯色后會很快褪去，而紅墨水著色后則很穩定。

（4）該電解器的電極是不銹鋼針頭，是一種以鐵為主成分，含有一定量鉻、鎳的合金鋼（SUS304）或鉻、鎳、鉬的合金鋼（SUS316）。具有優良的耐腐蝕性及不容易生銹的特性。因其耐堿性比耐酸性要強。所以，該電解器使用NaOH或KOH的溶液作為電解液[3～4]較為合適。因為在此種條件下進行電解，電極的陽極表面能形成難溶的保護膜。不僅保護了電極，提高了電極的使用壽命，而且消除了氧氣在電極上的消耗，從而確保了氫、氧體積比為2：1結論的準確性。

（5）為了保證兩種氣體的體積比為2：1，在正式實驗之前，還必須將電解液進行預電解處理[5，6]，預電解時間以20～30 min為好。一方面讓氧氣和氫氣在電解液中先溶解至飽和，以消除兩種氣體在收集過程中因在溶液中溶解度不同而帶來的偏差，另一方面使電極上吸附的氣體飽和。

（6）檢驗氧氣時，用菊科植物艾的干燥莖桿比一般的木條要好。優點有二：一是艾桿點燃以后呈余燼狀態的火星不易熄滅，遇到純氧時能劇烈燃燒；二是燃燒以后有天然的芳香味。

（7）檢驗氫氣時，由于氫分子有很大的擴散速度，即使管內是純氫氣，點燃時也會發出輕微的爆鳴聲。應該告訴學生這個聲音與氫氣混有空氣時遇火由管內發出來的較尖銳且聲音較大的爆鳴聲是有很明顯的區別的。隨即做氫氣中含有空氣的爆鳴試驗，讓學生注意體驗：在上述驗證氫氣的試驗時，一次不要燒完。當注射器的活塞推至氫氣大約還剩1/3容積時，迅速用手指頭堵住管口，使管口的火焰熄滅。然后抽動活塞并松開手指頭，使適量的空氣進入。再將注射器拿至燈焰上重新點燃，便可聽到較尖銳且較強的爆鳴聲。注意引導學生在聽發聲的同時，要仔細觀察酒精燈火焰受爆炸氣浪影響而發生的擺動情況。

4 評價

（1）該水電解器的主要部件全部是利用一次性醫用廢品制作的，它不僅來源廣泛、易得，而且變廢為寶，對充分利用資源、保護環境、降低實驗成本大有裨益。

（2）裝置精巧、美觀，對培養學生學習興趣，提高學生創新意識很有幫助。若讓學生嘗試制作，可培養他們動手、探究及發明創造的能力。

（3）制作簡單、操作簡便。電解時可借助廣口試劑瓶或集氣瓶直接擺放在實驗臺或講臺上，勿須使用鐵架臺；另外，量氣和集氣的注射器也剛好卡在開孔的塑料電解槽上，不需再固定。

（4）與實驗室現用的J2606水電解器相比，它不僅機械強度高，不易破裂，幾乎不需要花錢；而且電解速度快，實驗效果明顯。在8～12V電壓下，用5% NaOH溶液做電解液進行電解，若要收集到20 mL氫氣，僅需要2～4分鐘，是同等條件下J2606水電解器所用時間的1/6～1/5。

總之，該水電解器無論從裝置上、操作上，還是實驗成本及教學功能上都不失為一種理想的實驗教具。

參考文獻：

[1]課程教材研究所，化學課程教材研究開發中心.義務教育課程標準實驗教科書·化學（九年級上冊）[M].北京：人民教育出版社，2006：47.

[2]楊桂英.水電解實驗的改進[J].實驗教學與儀器，2003，（5）：15.

[3]西南師范學院化學系.中學化學教學法實驗[M].北京：高等教育出版社，1997：17.

[4]課程教材研究所，化學課程教材研究開發中心.義務教育課程標準實驗教科書·化學（九年級上冊）·教師教學用書（第3版）[M].北京：人民教育出版社，2007：80～81.

[5]石啟英.電解水實驗的探討[J].商洛師范專科學校學報，2004，18（3）：114～116.

[6]朱莉，蘇同福，周斌等.提高水電解實驗效果的方法[J].河南農業，2008，（10）：57.