電解飽和食鹽水實驗裝置的改進

李小芬

（浙江桐鄉市鳳鳴高級中學 浙江嘉興 314500）

一、問題的提出

電解飽和食鹽水實驗是高中化學教材中重要的演示實驗，是學生學習電解原理的重要載體。蘇教版必修1和魯科版教材中的電解飽和食鹽水裝置圖如圖1所示，蘇教版化學反應原理和人教版選擇性必修1教材中，出現的離子交換膜法電解飽和食鹽水示意圖如圖2。

圖1 電解飽和食鹽水裝置圖

圖2 離子交換膜法電解飽和食鹽水示意圖

筆者發現，圖1的裝置存在以下欠妥之處：第一，實驗室沒有帶向上和向下支管的U 型管，若自己燒制，難度太大，在做實驗時，會直接用U 型管進行電解；第二，若要檢驗產生的Cl2，需把導管從氫氧化鈉溶液中取出，這時會聞到刺激性氣味，逸出的氯氣也會污染空氣；第三，陰極產生的OH-會擴散到陽極區，不利于觀察酚酞變色的現象，OH-同時也會與陽極的Cl2發生反應。

圖2的裝置是學習電解原理之后一個重要的應用實例。雖然教材中給出了離子交換膜的電解裝置圖，但教學中沒有進行真實的實驗，導致學生缺乏宏觀現象的直觀認識，不利于培養學生宏觀辨識和微觀探析的化學核心素養。

文獻調研發現，很多老師對電解飽和食鹽水實驗提出了改進措施。如陳達老師的改進裝置，利用底部帶小孔的試管裝石墨電極，利用排溶液法收集兩級的氣體，并檢驗，［1］但試管底部的小孔較難處理，容易打破試管；宋曉鋒老師采用自制雙孔V 型管，用針筒電解并收集氣體產物，［2］但雙孔V型管制備難度較大；李楠等老師利用三頸燒瓶和針筒改進裝置，［3］但裝置需要用鐵架臺固定，比較笨重。

筆者在文獻調研的基礎上，利用常見的生活用品和實驗室常見儀器進行實驗創新設計，不僅使裝置更輕便，實驗現象更明顯，而且可以使有毒氣體不外泄，提升課堂演示的效果。

二、實驗原理

電解飽和食鹽水的反應原理：

陽極反應：2Cl--2e-====Cl2

陰極反應：2H2O+2e-====H2+2OH-

離子交換膜是用對離子具有選擇性透過的高分子材料制成的薄膜，在通電情況下，陽離子交換膜允許陽離子透過，陰離子交換膜允許陰離子透過。

三、實驗用品

1.儀器：20 mL 注射器2 支、紅藍導線各1 根、充電寶1只、石墨電極（直徑大約4 mm）2支、生活收納盒小號和中號各1個（網購）、火柴、酒精燈、鑷子、離子交換膜（網購），502膠水。

2.試劑：飽和食鹽水、飽和硫酸鈉溶液、酚酞、石蕊、淀粉碘化鉀試紙。

3.裝置的制作

（1）可收集兩極氣體的電解池裝置：將注射器的活塞取出，把頂端的橡膠塞取下，用小剪刀在橡膠塞上開一個小孔，把連接有導線的石墨棒固定在橡膠塞上，再把橡膠塞和活塞結合起來（見圖3），針筒上連接針的端用剪刀戳成小孔，使石墨棒能恰好被擠出，最后將活塞裝回注射器，可收集氣體的電極就做好了（見圖4），然后用燒杯進行電解實驗。

圖3 石墨棒和導線連接的活塞

圖4 石墨棒和導線連接的活塞裝回到針筒中

（2）有離子交換膜的電解裝置：網上購買小型物品收納盒，中間的夾層可拆卸，把陽離子交換膜用502 膠水粘在容器的中間，并確保中間不漏水。裝有陽離子交換膜的裝置見圖5，裝有陰陽離子交換膜的裝置見圖6。在蓋子上打孔，使石墨電極剛好嵌入。

圖5 裝有陽離子交換膜的容器

圖6 裝有陰陽離子交換膜的容器

四、實驗步驟與現象

1.可收集氫氣和氯氣的電解飽和食鹽水實驗

實驗步驟：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20 mL溶液，并把注射器下端浸入燒杯的食鹽水中，紅藍兩根導線分別接充電寶的正負極，打開電源，電解便開始進行。

實驗現象：接通電源后，即可看到兩極上產生氣泡，產生氫氣的電極上氣泡明顯比產生氯氣的電極上氣泡要多；由于氣體的產生，注射器的液面開始下降，相同時間收集的氫氣體積更多，可能原因是氯氣的溶解性較大；陰極注射器中溶液變紅（見圖7）。

圖7 陰極的溶液變紅

電解3 min后，拇指堵住注射器下端的小孔，取出注射器，并對收集的氣體進行檢驗。陽極產生的氯氣用濕潤的淀粉碘化鉀試紙檢驗（見圖8）；陰極產生的氫氣用爆鳴法檢驗（見圖9），可以聽到“噗”的聲音。為防止氯氣泄漏，實驗檢驗完成后，可以把注射器中的氣體注入氫氧化鈉溶液中。

圖8 用淀粉碘化鉀試紙檢驗Cl2

圖9 用爆鳴法檢驗H2

2.用離子交換膜裝置電解

實驗步驟：（1）在裝有陽離子交換膜的容器中分別注入等量的飽和食鹽水，并在膜兩邊滴入數滴酚酞。取出帶石墨棒和導線的注射器活塞，從容器蓋上的小孔插入，連接好后進行電解。

（2）在裝有陰陽離子交換膜的容器中分別注入等量的飽和硫酸鈉溶液，裝有陰離子交換膜的一側接電源正極并滴入石蕊，裝有陽離子交換膜的一側接電源負極并滴入酚酞，再分別和石墨的陰極和陽極連接，進行電解。

實驗現象：（1）用裝有陽離子交換膜的容器電解飽和食鹽水，可以看到陰極區域溶液變紅，而陽極區域溶液沒有變化（見圖10）。

圖10 用陽離子交換膜電解飽和食鹽水

（2）用裝有陰陽離子交換膜的容器電解飽和硫酸鈉溶液，可以看到陰極區域酚酞溶液變紅，而陽極區域石蕊溶液略微變紅（見圖11）。

圖11 用陰陽離子交換膜電解飽和硫酸鈉溶液

五、實驗裝置改進的意義

1.裝置簡單，實驗效果明顯且環保

改進后的實驗裝置取材簡單、操作方便、實驗耗時短、實驗現象直觀明顯。方便課堂演示和學生觀察，采用排溶液法收集氣體，防止有毒氣體的泄漏，符合綠色化的理念?？梢约訌妼W生對實驗原理的理解和對知識的掌握。該實驗不僅可用于課堂演示實驗，也可用于學生分組實驗和課外研究性學習實驗。

2.貼合課改，提升能力

新課改要求注重學生化學核心素養的培育，此實驗改進使實驗現象更明顯，有利于學生從微觀粒子角度分析離子的移動，從而培育學生的宏觀辨識和微觀探析素養。離子交換膜實驗的引入，突破了教材局限，讓學生近距離感受到工業生產的應用，激發學生探求未知的欲望。

3.實驗拓展，功能多樣

改進后的裝置還可用于電解其他常見的溶液，滿足高中化學電解教學的要求，如：氯化銅溶液、氫氧化鈉溶液等，便于綜合復習教學，促進學生思維的發展。