電解飽和食鹽水實(shí)驗(yàn)裝置的新設(shè)計(jì)

李楠 羅兵 唐其生

摘要： 利用實(shí)驗(yàn)室中常見的儀器——三頸燒瓶等設(shè)計(jì)一套電解飽和食鹽水的實(shí)驗(yàn)裝置，具體介紹實(shí)驗(yàn)改進(jìn)后的實(shí)驗(yàn)用品、實(shí)驗(yàn)裝置、實(shí)驗(yàn)步驟和實(shí)驗(yàn)方法。該套裝置不僅儀器常見易得，而且操作簡單、現(xiàn)象明顯、趣味性強(qiáng)、基本無污染，以最短時(shí)間可以實(shí)現(xiàn)最佳的實(shí)驗(yàn)效果，十分適合于課堂演示。

關(guān)鍵詞： 電解飽和食鹽水; 改進(jìn)裝置; 實(shí)驗(yàn)探究

文章編號： 10056629（2019）4006603中圖分類號： G633.8文獻(xiàn)標(biāo)識碼： B

1 問題的提出

電解飽和食鹽水是高中化學(xué)的重要實(shí)驗(yàn)之一，通過對該實(shí)驗(yàn)的深入分析，不僅可幫助學(xué)生較好地理解電解反應(yīng)的原理，還可讓學(xué)生體會(huì)到科技進(jìn)步對工業(yè)發(fā)展的巨大推動(dòng)力。

在現(xiàn)行滬教版高一教材第二章“開發(fā)海水中的鹵素資源”第一節(jié)“以食鹽為原料的化工產(chǎn)品”圖2.5中出現(xiàn)了該實(shí)驗(yàn)的裝置[1]，見圖1。然而圖示中所使用的裝置在大部分中學(xué)實(shí)驗(yàn)室并未普及，所以教師通常會(huì)按照魯科版教材所示裝置進(jìn)行實(shí)驗(yàn)（即利用帶有支管的U形管，見圖2）。該套裝置儀器雖常見易得，但在實(shí)際操作過程中卻存在以下三點(diǎn)不足： 一是氣體制備、收集、檢驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)是分開進(jìn)行的，所涉及到的儀器較多、操作繁瑣;二是兩極看到氣泡速度雖快，但要收集一試管的H2，仍需要較長一段時(shí)間，一定程度上降低了課堂的時(shí)效性，而且產(chǎn)生的H2會(huì)混入空氣，進(jìn)行點(diǎn)燃或爆鳴時(shí)不易成功，影響實(shí)驗(yàn)效果;三是驗(yàn)證Cl2時(shí)，Cl2容易逃逸到空氣中而污染環(huán)境，不利于培養(yǎng)學(xué)生的環(huán)保意識。

針對以上問題，查閱了大量文獻(xiàn)，發(fā)現(xiàn)已有不少同行對該實(shí)驗(yàn)做了改進(jìn)研究，取得了較多成果。

如林靜靜“電解飽和食鹽水的微型實(shí)驗(yàn)改進(jìn)”[2]，

見圖3。該套裝置用電池盒來代替笨重的學(xué)生電源，以極細(xì)的鉛筆芯作電極，用培養(yǎng)皿來作發(fā)生裝置，不僅簡化了實(shí)驗(yàn)教具，而且試劑用量少，現(xiàn)象明顯，節(jié)能又環(huán)保。但是，微型實(shí)驗(yàn)裝置適合于學(xué)生分組實(shí)驗(yàn)，若將其作為課堂演示實(shí)驗(yàn)可視性較差。

又如陳花蕊的“J型管改進(jìn)電解飽和食鹽水實(shí)驗(yàn)”[3]，見圖4。該套裝置具備傳統(tǒng)裝置中清楚展示電解過程的優(yōu)點(diǎn)，且利用J型管將氯氣封閉起來，不僅便于學(xué)生觀察氯氣的顏色，同時(shí)不會(huì)造成環(huán)境污染，符合綠色環(huán)保理念。然而，J型管在大部分普通中學(xué)實(shí)驗(yàn)室并不常見，而且根據(jù)J型管長短加工成的一長一短的石墨棒也不易尋找。

陳達(dá)等“電解飽和食鹽水的新改進(jìn)”[4]，見圖5。該裝置選用排水法收集氣體，在試管底部戳一個(gè)直徑約為3mm的小孔，便于檢驗(yàn)實(shí)驗(yàn)操作時(shí)點(diǎn)

燃H2，且Cl2逸出量少，污染小。但該裝置在制作時(shí)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(shí)耗能，得到的孔徑可能大小不一，易導(dǎo)致試管破裂浪費(fèi)，小孔雖有利于氣體的檢驗(yàn)，但也增大了電阻，需要用28V以上的電壓才能實(shí)現(xiàn)明顯的實(shí)驗(yàn)效果。

張亞文等“電解飽和食鹽水實(shí)驗(yàn)的改進(jìn)”[5]，見圖6。利用亞克力板自制的離子交換膜電解槽輕巧易攜帶，兩個(gè)氣孔被膠帽堵住，氣體不會(huì)逸出，且膠帽還便于在后續(xù)檢驗(yàn)過程中將注射器直接插入吸取氣體，操作十分方便;由于陽離子交換膜的作用，通過酚酞檢驗(yàn)兩極產(chǎn)物時(shí)陰極室的紅色溶液不能擴(kuò)散到陽極室，不僅便于學(xué)生理解產(chǎn)物，也大

大激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情。然而，該電解槽形狀特殊，普通亞克力板硬度低、延展性差，自己很難制作成功，尋問淘寶上多家亞克力加工廠也以工藝有限制為由拒絕加工，給裝置的制作帶來困難，而且裝置中所使用的陽離子交換膜價(jià)格十分昂貴，若是按照陽離子膜的制備工藝流程來制作，操作又十分復(fù)雜，不便于學(xué)生分組實(shí)驗(yàn)和普及使用。

集合教材及諸多文獻(xiàn)資料對該實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)，經(jīng)取長補(bǔ)短、綜合平衡，設(shè)計(jì)了如下該實(shí)驗(yàn)的再改進(jìn)裝置。

2 實(shí)驗(yàn)再改進(jìn)

2.1 實(shí)驗(yàn)原理

陽極： 2Cl--2eCl2↑

陰極： 2H++2eH2↑

總反應(yīng)方程式： 2NaCl+2H2O通電2NaOH+Cl2↑+H2↑

2.2 實(shí)驗(yàn)用品

儀器： 學(xué)生電源、250mL三頸燒瓶、長頸漏斗、石墨棒（5mm×80mm）、5mL針筒、鱷魚導(dǎo)線夾、鐵架臺、橡膠塞、翻口塞、酒精燈、火柴

藥品： 飽和食鹽水、淀粉碘化鉀溶液、酚酞試劑

2.3 實(shí)驗(yàn)裝置

2.4 實(shí)驗(yàn)步驟及現(xiàn)象

（1） 組裝儀器，加入試劑。

按圖7搭建好裝置后，加入飽和食鹽水直至三頸燒瓶左右兩口處，以保證最終收集的氣體純凈，并滴入4～5滴酚酞試劑。

（2） 接通電源，開始電解。

用導(dǎo)線將石墨電極分別與電源的正負(fù)極相連，接通電源，調(diào)節(jié)電壓為15V，反應(yīng)開始。觀察到兩極立刻產(chǎn)生大量氣泡，長頸漏斗中液面上升，與電源負(fù)極相連的陰極附近顏色變紅。

（3） 關(guān)閉電源，檢驗(yàn)氣體。

當(dāng)長頸漏斗中的液面快滿時(shí)可停止反應(yīng)，整個(gè)過程約2min。

① 檢驗(yàn)氯氣。取一支注射器（帶針頭，下同），先吸取少量淀粉碘化鉀溶液，再插入陽極翻口塞中，抽出少量氣體，淀粉碘化鉀溶液變藍(lán)，證明產(chǎn)生的氣體為氯氣。

② 檢驗(yàn)氫氣。另取一支注射器，插入陰極翻口塞中，抽出少量氣體，將注射器移至酒精燈處，緩緩?fù)瞥鰵怏w，氣體安靜地燃燒，火焰呈淡藍(lán)色，證明產(chǎn)生的氣體為氫氣。

2.5 實(shí)驗(yàn)優(yōu)點(diǎn)

（1） 儀器常見，操作簡單。

利用實(shí)驗(yàn)室中常見的儀器——三頸圓底燒瓶搭建了一套集制備、收集、檢驗(yàn)于一體的電解裝置，既簡化了實(shí)驗(yàn)操作，又避免了自制實(shí)驗(yàn)教具的麻煩。

（2） 耗時(shí)短，現(xiàn)象明顯。

所用玻璃儀器大且透明，可視性極佳，陰陽兩極產(chǎn)生氣泡、長頸漏斗中液面上升、陰極附近溶液顏色變紅等現(xiàn)象都非常明顯，在產(chǎn)物檢驗(yàn)過程中，不用收集一試管的氫氣，大大縮短了實(shí)驗(yàn)時(shí)間，提高了教學(xué)效率，且所得氫氣純凈，驗(yàn)證安全。

（3） 基本沒有污染。

整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程都是在密閉環(huán)境中進(jìn)行的，氯氣沒有泄露，實(shí)現(xiàn)零污染;飽和食鹽水還可重復(fù)利用，如需下一個(gè)班級使用，只要在溶液中滴入鹽酸，調(diào)節(jié)溶液的pH至中性即可，有效避免了藥品的浪費(fèi)。

（4） 趣味性強(qiáng)，成功率高。

利用注射器針筒集氣取用方便、純度高，極大提高了實(shí)驗(yàn)的成功率，使得整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程一氣呵成，期間所展現(xiàn)出的顏色變化等現(xiàn)象不僅增添了化學(xué)的魅力，更大大激發(fā)了學(xué)生的探究熱情。

（5） 適用性廣，實(shí)用性強(qiáng)。

上述實(shí)驗(yàn)裝置同樣適用于其他電解質(zhì)溶液、其他電極材料的電解，例如將其應(yīng)用于電解水、電解氯化銅溶液依然能取得成功。

3 實(shí)驗(yàn)展望

查閱文獻(xiàn)可知[6]，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。該套實(shí)驗(yàn)裝置盡管不能改變電極間的距離，但可研究不同電壓、不同電極長度、不同粗細(xì)的鉛筆芯對電解速率的影響，把單純的演示、驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)轉(zhuǎn)變?yōu)榫哂刑接懎h(huán)節(jié)的探究性實(shí)驗(yàn)。同時(shí)，實(shí)現(xiàn)定性到定量，本套裝置可隨時(shí)定量測定兩極產(chǎn)生氣體的體積，由實(shí)驗(yàn)中V（H2）>V（Cl2）引發(fā)學(xué)生作深入的探究思考。

參考文獻(xiàn)：

[1]上海市中小學(xué)課程改革委員會(huì). 高級中學(xué)課本·化學(xué)（高一上）[M]. 上海： 上海科學(xué)技術(shù)出版社， 2015： 26.

[2]林靜靜. 電解飽和食鹽水的微型實(shí)驗(yàn)改進(jìn)[J]. 中學(xué)生導(dǎo)報(bào)， 2013， （6）： 96.

[3]陳花蕊. J型管改進(jìn)電解飽和食鹽水實(shí)驗(yàn)[J]. 中學(xué)化學(xué)教學(xué)參考， 2015， （6）： 61～62.

[4]陳達(dá)， 莊華清. 電解飽和食鹽水的新改進(jìn)[J]. 化學(xué)教學(xué)， 2012， （11）： 49～50.

[5]張亞文， 黃彥新. 電解飽和食鹽水實(shí)驗(yàn)的改進(jìn)[J]. 實(shí)驗(yàn)教學(xué)與儀器， 2016， （12）： 26～27.

[6]竇卓. 電解飽和食鹽水的創(chuàng)新裝置[J]. 化學(xué)教學(xué)， 2016， （7）： 50～53.