電解飽和食鹽水的創新裝置

竇卓

摘要：對教材中電解飽和食鹽水裝置進行改進，設計價格低廉的儀器，使實驗現象更明顯、檢驗氣體方法更綠色環保、實驗更容易成功。將陽離子交換膜引進高中課堂，使定性實驗提升到定量實驗，電解后生成的H2、Cl2吸附在電極上，構成氫、氯燃料電池，啟動二極管發光。該裝置還能用于電解其他溶液。

關鍵詞：電解；飽和食鹽水；電解裝置；陽離子交換膜；燃料電池

文章編號：1005–6629（2016）7–0050–04 中圖分類號：G633.8 文獻標識碼：B

1 問題的提出

電解飽和食鹽水實驗是高中電化學部分一個非常重要的實驗，其在魯科版教材[1]中使用的裝置如圖1所示，筆者通過多次教學實踐發現此套裝置有一些欠妥之處。

第一，此裝置在U型管兩側均設有支管，產生的H2中會混入空氣，進行點燃或爆鳴時不易成功；第二，實驗時有Cl2外逸，對環境有污染；第三，此裝置只能定性檢驗兩極產生的氣體，不能定量測試H2、Cl2氣體的體積；第四，電極間的距離較大，影響電解速率；第五，由于陰極產生的NaOH會擴散到陽極區域與Cl2反應，導致部分產物發生變化；第六，學生沒有親眼看到教材上提及的隔膜的作用，導致學生對此缺少感性認識，也不利于學生對該部分內容的理解和掌握。綜上所述，有不少教師對該實驗進行了大膽改進。

陳達[2]老師的改進裝置選用了排水法收集氣體（如圖2）。此法便于收集氣體、有效減少了污染；在試管底部戳一個直徑約為3mm的小孔，便于檢驗操作時，H2從試管底部小孔集中擴散出來，容易點燃；Cl2逸出量少，濕潤的淀粉碘化鉀試紙會變成深藍色，污染?。贿€可以將小試管從固定片中取出，供學生近距離觀察，氣體不會泄漏。

但該裝置在制作時存在一些困難：試管底部的小孔要用酒精噴燈燒至紅熱，然后用鐵釘戳制而成，耗時耗能；得到的孔徑可能大小不一，易導致試管破裂浪費；小孔雖利于氣體的檢驗，但是也增大了電阻，需要用28V的電壓才能實現明顯的實驗效果，消耗了更多的電能，而且大多數學校用的學生電源都不高于16V，不便于學生分組實驗和普及使用。

成向前[3]等老師直接使用注射器代替上述底部有小孔的試管（如圖3），無需再燒制小孔，收集到的氣體純凈；注射器的活塞可以移動，檢驗氣體時，推動活塞，就可慢慢將氣體趕出，陰極產生的氣體靠近酒精燈火焰時會發出“噗噗”聲或者淡藍色的火焰，現象更明顯。極少量的陽極氣體可以使濕潤的淀粉碘化鉀試紙變藍，進一步減少了泄漏。

該裝置的不足之處是電極需固定在塑料瓶上，其電極一旦固定，則不能改變電極間的距離，無法改善電極距離對電解速率的影響。

另有一些電解實驗的設計[4，5]，具有裝置簡易或取材方便、綠色環保等優點，卻也同時存在可見度小或操作較不方便、耗時較多等不足。

集合教材及諸多文獻資料對該實驗設計的優點和長處，經取長補短、綜合平衡，反復進行實驗測試和再改進，給出了該實驗的如下改進裝置。

2 電解食鹽水裝置的改進創新

2.1 實驗用品

20mL注射器2支，2B、4B、6B鉛筆芯若干，導線若干，0～30V學生直流電源，定制容器（嵌陽離子交換膜），酒精燈，火柴，玻璃棒，表面皿，發光二極管；飽和食鹽水，酚酞，淀粉碘化鉀試紙

2.2 自制電解裝置

注射器結構見圖4，注射器的改進見圖5：先將注射器膠塞、活塞拆開（見圖4、圖5-a），用針頭將注射器的膠塞中間、活塞底部邊緣各鉆個孔（圖5-b），鉛筆芯電極穿過膠塞孔，導線穿過活塞孔（圖5-c），用皮筋將導線和電極連接。再將膠塞和活塞重新結合起來（圖5-d），就實現了電極的固定。再套上注射器空筒（圖5-e），就可和燒杯等玻璃儀器配套進行電解實驗。

定制容器的改進方式見圖6：用亞克力板組裝成一個長方體容器，容器中間開個凹槽（圖6-a）。用塑料螺絲將陽離子交換膜固定在中空的薄片上（圖6-b），然后將其嵌到容器中間的凹槽里（圖6-c）。

2.3 對裝置的優化探究

向燒杯中注入適量滴有酚酞的飽和食鹽水。用改進后的注射器各抽取20mL溶液，排盡空氣。兩支注射器浸入燒杯中，兩根導線分別連接學生電源的正負極，打開開關，實驗即可開始。

查閱文獻可知，電壓越大，電極間距離越小，電極材料長度越長，電解速率就越大。將電壓調到30V（最大量程），電極長度定為6cm（盡可能長），電極間距離設為2.2cm（達到最近），分別選取不同的鉛筆芯做電極，進行實驗。見表1中實驗1～3，測得收集9mL H2所需時間。

從中發現，6B鉛筆芯做電極時，電解速率最大。因此以下實驗都選用6B電極材料。

為了進一步提高電解速率，減小電阻，又嘗試將注射器空筒底部鉆孔（見圖7），并測得不同孔徑對電解速率的影響，見表1實驗4～6。

通過對比實驗發現，若空筒底部不鉆孔，需要30V電壓才能達到一定的電解速率。而空筒有孔的裝置電解速率將是無孔的7倍以上，這也就是影響電解速率的最關鍵因素?？讖皆酱?，電解速率越快。

保持大孔直徑8mm，又嘗試降低電壓，見表1實驗7～8。發現用16V學生電源電解，收集9mL H2只要85s。這種電解條件，既適用于上課教師演示，又節約了電能，適合學生分組實驗。

3 實驗現象及氣體檢驗

3.1 實驗現象

用表1中實驗8對應的條件進行電解實驗。很快觀察到兩極上產生大量氣體。如圖7所示，陰極針筒內溶液變為紅色（滴加了酚酞）。陽極針筒內溶液逐漸變成淺黃綠色。而且可以定量測得氣體體積，同時發現V（陰極氣體）>V（陽極氣體）。陰極紅色溶液逐漸從針筒內擴散出來，并逐漸向陽極移動。

離子交換膜對不同電荷的離子具有選擇透過性。若使用有陽離子交換膜容器（如圖8），則陰極紅色溶液（OH-）不會擴散到陽極區。通過觀察現象，使學生體會到離子交換膜帶來的神奇效果和化學實驗的無窮魅力。

3.2 檢驗氣體

將電源關閉，此時注射器內仍留有溶液。檢驗陰極氣體時，在水下用食指將大孔堵住。注射器帶上針頭，靠近燃著的酒精燈（如圖9），推動活塞，將氣體趕出，聽到明顯的“噗噗”聲，證明有H2生成。發生的電極反應是2H++2e-=H2↑，陰極附近溶液變紅，說明生成了OH-。

檢驗陽極氣體時，同樣將大孔堵住，將注射器帶上針頭。稍稍推動注射器活塞，僅使少許陽極產生的氣體靠近濕潤的淀粉碘化鉀試紙，試紙變藍，證明陽極有Cl2生成。發生的電極反應是2Cl--2e-=Cl2↑。檢驗完畢，立即將注射器倒立于原溶液中，多余的Cl2可以用陰極生成的NaOH溶液吸收。

4 本改進裝置的優點

（1）該裝置材料簡單，注射器、鉛筆芯等材料便宜易得。

（2）巧妙地將電極固定在注射器的膠塞上，可以任意改變電極間距離，以探討電極距離、電極長度等對電解速率的影響。

（3）巧用“大孔+小孔”設計：有了“大孔”設計，只要16V電壓就可很快完成實驗，降低能耗。檢驗氣體時使用“小孔”（注射器乳頭），成功率高，不會產生污染。而且多余的Cl2可以與陰極產生的NaOH溶液反應，制取消毒液（NaClO），消除污染。實驗操作方便，現象明顯。既適用于教師上課時給學生演示，又適用于學生分組實驗，便于觀察。

（4）突破了教學難點。不僅容易檢驗到兩極產物，還可觀察到使用陽離子交換膜后的效果，使學生對離子交換膜不再陌生，幫助學生更好地建立電解池分析模型。

（5）實驗由定性到定量，把單純的演示、驗證性實驗轉變為具有探討環節的探究性實驗。使用改進后的裝置可隨時定量地測得兩極產生的氣體體積。由實驗中V（H2）>V（Cl2）的現象，可引發學生深入的探究、思考。分析原因如下：①Cl2可溶于水（陽極溶液顯淺黃綠色就是證明），使陽極氣體體積減?。虎陔S著電解的進行，c（Cl-）不斷減少，后期可能轉變成OH-放電，生成O2。V（H2）：V（O2）=2：1，也可能使陽極氣體體積減?。虎跜l2和水反應生成的HClO逐漸分解生成O2也是使陽極氣體體積減小的一個原因（光照越好，時間越長，現象越明顯）。只要向電解后的陽極注射器中抽取NaOH溶液，使Cl2完全被吸收，空筒內剩余的氣體即是O2的體積。

5 幾點說明

（1）為了增加密封性，在固定電極時可在電極和膠塞結合處粘上少許AB膠。

（2）為了增加測量的準確性，可先做空白實驗，測電極的體積。例如，當測量發現陰極產生H2為9.5mL時，要扣除6B電極在氣體中所占的體積0.5mL，因此實際氣體體積應約為9.0mL。

（3）為了更方便地檢驗氣體，可適當減小電極的長度。因為電極過長在推動活塞時，電極很快會頂住針筒。需在水下向反方向拉動活塞，再進行檢驗操作，使操作稍繁瑣。

6 實驗的拓展

該裝置還可以用于：

（1）電解鹽酸溶液、CuCl2溶液，防止Cl2的泄漏。

（2）電解NaOH溶液、H2SO4溶液等，便于觀察產生的H2、O2的體積關系。

（3）本裝置電解后還可以構成H2、Cl2燃料電池，使二極管發光。電極在固定前可經灼燒、淬火處理[6]，以增大其吸附面積。實驗發現：檢驗完兩極氣體后，剩余的氣體還可以帶動二極管發光。因此該裝置也適用于電化學綜合復習的教學。

參考文獻：

[1]王明召等.普通高中課程標準實驗教科書·化學反應原理（選修）[M].濟南：山東科學技術出版社，2009：13.

[2]陳達，莊華清.電解飽和食鹽水實驗的新改進[J].化學教學，2012，（11）：49～50.

[3]成向前，張正飛.電解飽和食鹽水及產物檢驗實驗的創新設計[J].教學儀器與實驗，2014，（8）：35～36.

[4]朱鵬飛，徐惠.適合學生探究的微型電解實驗設計[J].化學教學，2014，（7）：57～58.

[5]殷莉莉，楊佳音.電解飽和食鹽水“罩式”裝置的設計[J].化學教學，2013，（4）：52～54.

[6]唐培付，蔡武生.簡易氫氧燃料電池的創新設計[J].中學化學教學參考，2014，（1）：49.