新型電解水實驗裝置的研制與應用

黃媛 柯志超 黃丹青

摘要：針對霍夫曼水電解器存在的問題，設計一種新型電解水實驗裝置及其操作步驟，從“分”與“合”兩角度證明了水的組成，讓教學更有趣、課堂更高效。

關鍵詞：核心素養，電解水，實驗裝置，水的組成

文章編號：1008-0546（2020）05-0094-02 中圖分類號：G632.41 文獻標識碼：B

doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2020.05.025

一、實驗改進背景

《水的組成》在初中化學中具有重要的意義，其中既有知識的學習，又有方法的領會，還有認識視角的豐富。教師普遍采用霍夫曼水電解器進行電解水實驗教學，但在教學實踐中發現以下不足：一是在演示過程中，該裝置存在的問題有：重心過高、電解速率慢、氫氣燃燒過程放熱使玻璃管口變形、在尖嘴口檢驗氫氣和氧氣時現象不明顯且操作不便;二是教學過程中，較難以“合成”的視角認識水的組成，限制了學生的思維。

因此，改進電解水的實驗裝置，可以激發學生的學習興趣、培養學生的動手能力，提高實驗技能，增強實驗意識，提高中學化學教學的效益。通過實驗改進教學，培養學生創新思維，實現從感性到理性、定性到定量、宏觀到微觀、具體到抽象的轉化。

二、新型電解水裝置的研制

針對霍夫曼水電解器存在的問題，我對裝置進行重新設計、繪制CAD圖，并定制亞克力板進行粘合組裝，制成如圖1所示的新型裝置。具體說明如下：

1.大容量底座

底座采用亞克力板一次成型工藝制作大容量底座，容積約為500mL，可以盛裝足夠的電解質溶液，可確保裝置整體重心較低，放置更穩固。在靠近氫氣管的位置增設了一塊隔板，有效將氫氣管與氧氣管內的液體與外部的空氣隔絕，保障電解反應順利進行;同時隔板在混合氣體時，還可引導氧氣順利進入氫氣管。底座右側設計為14°的斜面，讓氧氣與氫氣的混合操作簡單、機械、高效。

2.亞克力管（注水管、氫氣管、氧氣管）

底座上方設置3根亞克力管，其中左側較短的管為注水管，在方便添加水的同時，通過打開、塞緊橡膠塞可以調節壓強，便于氣體的檢驗;中間管為氫氣管，右側管為氧氣管，兩管底部等高位置設置2根L型電極，氫氣管電極與電源負極相連，氧氣管電極與電源正極相連。采用的鎳合金電極導電性強，使電解水速率變快，而且該電極不易被電解液氧化，耐用性高，而且當管內液面低于電極時，電解實驗自動停止，無需擔心電解過度的問題。另外，氫氣管頂部增設了兩根導電金屬絲，兩根金屬絲相距2mm左右，接通脈沖點火器即可在兩根金屬絲間產生電火花，可引爆氫氣管內的混合氣體，使之沖落橡膠塞并發出尖銳的爆鳴聲。

3.氫氣點燃專用配件

氫氣點燃專用配件由橡膠塞、玻璃活塞、膠皮管與輸液器針頭連接而成。它用不銹鋼針頭取代原有裝置中的玻璃尖嘴口，規避了玻璃管口變形的問題，同時玻璃活塞可手動調節氫氣流速，讓氫氣燃燒更加穩定和持久。

三、新型電解水裝置的教學應用

1.利用新型電解水裝置從分解角度（即“分法”）證明水的組成

（1）電解水

往短管中注入500mL 5%的氫氧化鈉溶液，塞緊3個橡膠塞，倒置裝置，使水充滿氫氣管和氧氣管，接通12V直流電源使水分解，30s即可明顯觀察到正極管與負極管中產生的氣體的體積比為1：2。

（2）檢驗電解產生的氣體

當電解產生的氫氣位于5cm刻度線時，開始檢驗陰陽兩極管中的氣體，將燃著的木條直接伸人負極管中，氣體燃燒，發出“噗”的一聲，說明該氣體是氫氣;將帶火星的木條伸人正極管中，木條復燃，說明該氣體是氧氣。由實驗可以得出水在通電的條件下可以分解產生氫氣和氧氣，根據元素的種類在化學變化中保持不變，得出結論：水是由氫元素和氧元素組成。

2.利用新型電解水裝置從合成角度（即“合法”）證明水的組成

（1）點燃管中純凈的氫氣

按照上述步驟電解水，先收集半管的氫氣，旋轉直通管的活塞，控制氫氣流速，在不銹鋼針頭處點燃氫氣，并在火焰的上方罩一支干冷的試管，發現試管內壁產生水珠，得出結論：水是由氫元素和氧元素組成。

（2）混合氫氣和氧氣，引爆混合氣體

先收集2cm刻度的氫氣和lcm刻度的氧氣，利用隔板與底座右側的斜面設計，師生只需簡單、機械地傾斜一下裝置即可將氫氣與氧氣混合，然后即可在氫氣管中進行氫氣爆炸試驗：①敞口明火引爆：打開橡膠塞，往氫氣管中伸人燃著的木條，聽到尖銳的爆鳴聲，則氫氣爆炸;②密閉電火花引爆：利用氫氣管頂部的兩根金屬絲，采用改造后的脈沖點火裝置，直接引爆氫氣管內的混合氣體，使混合氣體爆炸，如圖2所示。通過本實驗，巧妙地以爆炸的方式說明氫氣能劇烈燃燒產生水，使“合法”證明水的組成更有趣味。

四、新型電解水裝置的創新與優點

與傳統的霍夫曼水電解器相比，該新型電解水裝置的創新與優點如下：

（1）加大底座，降低兩管的高度，使重心降低，更穩固，消除安全隱患;

（2）采用5%的氫氧化鈉溶液作為電解質溶液，以鎳合金作為電極材料，電解速率變快;

（3）在氫氣管和氧氣管間設置了刻度板，可以更直觀觀察兩極管中的氣體體積比。利用橡膠塞封閉兩極管，貯存電解過程產生的氣體，將燃燒的木條伸人兩極管中檢驗，操作方便且現象很明顯;

（4）改用不銹鋼針頭取代原有裝置的玻璃管，規避玻璃管口變形的問題，通過活塞控制氫氣流速，實現氫氣穩定和持續地燃燒;實現了學生們所喜聞樂見的氫氣爆炸試驗。

（5）利用本套裝置能實現從多元的視角認識水的組成，既可以利用使水分解的“分法”證明，也可利用合成水的“合法”證明，拓展了學生認識物質組成的思維。

五、實踐反思

化學實驗是中學化學教育的重點與難點，化學實驗教學的質量直接影響到化學教育質量的提升和學生的化學核心素養的培養。化學實驗教學需要改進，以期很好地體現應有的教育、教學價值，發展學生的實驗素養。

（1）將教材實驗重新整理、拓展、延伸、整合，實驗教學內容由淺入深、由簡到繁、再回歸實驗教學的本源，任務由單一到復雜，難度由易到難，使化學實驗成為一個相對獨立的教學載體。

（2）根據學生的認知水平和能力大小，將零碎、分散的實驗素材進行整合或改進，由點陣式的實驗教學體系轉變為化學實驗新體系。實驗教學中積累、整理出典型案例，既相對獨立，又能結合與課本素材使用，體現學生學習實際，不僅可以作為教師上課的素材，也可用作課外活動的輔助素材，以激發學生的學習興趣。

（3）通過對實驗裝置的改進，教學中融合轉化觀、微粒觀、守恒觀。

（4）將實驗方法和實驗思想滲透在典型的實驗案例中，使學生對化學實驗的基本知識與基本技能有較全面和系統的了解，對從事科學研究，獲取實驗素材有較清晰的認識，為高中階段學習化學奠定基礎。

（5）探索提升實驗教學有效性的教學策略，逐步實現實驗教學內容的呈現方式、學生的學習方式、教師的教學方式、師生互動方式以及評價方式的根本性變革，有效提升學生的科學素養。