電解水實驗裝置的小型化改進

摘要： 對中學化學教科書上編排的“水在直流電作用下的變化”實驗進行了改進。利用方形電池、注射器、燕尾夾、一次性塑料杯、圖釘、鐵架臺等常規實驗儀器及生活用品設計實驗新裝置。新裝置具有制作簡單、反應可控、現象直觀、小型化等優點。

關鍵詞： 電解水； 小型化裝置； 實驗改進

文章編號： 1005-6629（2024）06-0077-03 中圖分類號： G633．8 文獻標識碼： B

1 問題的提出

在魯教版（2012）九年級《化學》（上冊）教材中，電解水實驗所用儀器主要有兩種［1］，一種是霍夫曼水電解器（如圖1所示），其優點是，可以準確測定產生氣體的體積比，氫氣可以直接在尖嘴處被點燃，避免實驗者直接接觸電解液等［2］。但也存在以下缺點，造價略高，玻璃材質易損壞，消耗的電解液較多，電解液對電極裝置具有腐蝕性等。

另一種是簡易的電解水裝置（如圖2所示），其裝置簡單，實驗室中即可以完成組裝。但存在以下弊端，檢驗氣體時操作麻煩，需將試管取出水面，為增強水的導電性通常會加入一些電解質，這就使溶液具有腐蝕性，致使學生在分組實驗操作時不夠安全，檢驗氫氣時，無法觀察到氫氣燃燒的現象等。

為解決以上問題，一些教師對電解水裝置作了改進。如陳穎［3］用純鎳絲作為電極材料，降低了電極的成本，用注射器對雙玻璃管進行取氣，操作方便可行，但玻璃制品極易損壞。郭曉麗［4］將電解和檢驗操作分開進行，還利用氫氧燃料電池的原理推動小風扇轉動，設想雖好，但一個人很難組裝完成。除此之外，還有部分教師從電催化劑［5］、電解水的實驗條件［6］等多個角度展開電解水實驗的探究。

綜合上述改進裝置的分析，并基于裝置安全、易操作、成本低等原則［7］，筆者經多次實踐探索對本實驗的裝置、電極材料、電解液、電壓等進行了相應的改進和取舍，取得了較好的實驗效果。

2 實驗部分

2.1 電解水實驗的原理

利用電流的化學效應，將水分子分解成氫氣和氧氣，這個過程需要能量的輸入。在水中存在氫離子和氫氧根離子，在通直流電的情況下，氫離子向負極移動，而氫氧根離子向正極移動，氫離子得負極的電子而變成氫氣，氫氧根離子在水的參與下失去電子而得到氧氣。

2.2 實驗用品

（1） 設備：9V方形電池。

（2） 材料：5mL注射器針筒（2個）、10mL注射器（3個）、得力S760中性筆替芯黑膠帽（2個）、25mm燕尾夾（2個）、一次性中厚款塑料杯子（容量200mL）、圖釘（2個）、棒香、小木條、鐵架臺、酒精燈。

（3） 試劑：蒸餾水、氫氧化鈉溶液（10%）。

2.3 實驗裝置的制作

利用生活中易得的材料，設計并制作如圖3所示的微型電解水裝置。

制作過程分為以下環節：

（1） 在塑料杯底部扎入兩枚金屬圖釘，兩枚圖釘間距與9V方形電池正負極間距一致（圖釘扎入塑料杯時確保一次性扎到位，不可多次反復，以免漏液）。

（2） 將注射器內的活塞抽出，用中性筆替芯黑膠帽用力按壓套到5毫升注射器針筒乳頭頂端。

（3） 將5毫升注射器針筒倒扣在圖釘上，用金屬燕尾夾固定。

（4） 配制好10%的氫氧化鈉溶液20毫升。

（5） 調節鐵架臺上鐵圈的位置，使其高度在電池上方，以保證其能穩定住塑料杯子。

3 實驗內容

3.1 優選實驗條件

3.1.1 對電解液的選用

加入電解質可增強水的導電性，在一定范圍內，電解液的濃度越大，導電能力越強［8］，以氫氧化鈉為例，表1是在9V移動電源下用氫氧化鈉溶液作為電解液的相關數據。

在相同電壓下，實驗所用時間是衡量實驗成功與否的重要指標，如果時間過長，學生會出現觀察疲勞，如果時間過短，則來不及觀察氣泡的產生實驗就已經結束。氫氧化鈉的質量分數為20%時導電率最大，導電能力最強，但溶液越濃，腐蝕性也越強，結合實際，選用10%左右的氫氧化鈉溶液即可。

3.1.2 對電壓的選擇

為研究電壓對電解水實驗產生氣體速度的影響，采用電解液為10%的氫氧化鈉溶液，以產生4mL氫氣為即時時段（見表2）。

分析數據可知，電壓過低，氣體收集時間過長，導致無法在課內完成實驗，隨著電壓增大，消耗時間逐漸縮短［9］，但時間過短，學生來不及觀察電極現象，且電壓過高也具有一定危險性。綜合分析，選擇9V的電壓較為理想。

3.1.3 對電極材料的選取

查閱大量資料，不銹鋼材料的導電性能較好，且對實驗數據的影響較小［10］。因此，確定從生活中的不銹鋼制品中挑選電極材料，最終確定以金屬圖釘作為電極。

基于以上分析，電解水實驗的較優條件為：電解液為10%的氫氧化鈉溶液，電源采用9V的方形電池，用金屬圖釘作為電極，實驗效果最佳。

3.2 實驗步驟及現象

（1） 向塑料杯中加入20毫升10%的氫氧化鈉溶液，用10毫升帶針頭的注射器抽取小注射器內的空氣，可觀察到小注射器內的液面不斷上升直至管內的空氣排盡（見圖4）。

（2） 將整套裝置放于鐵圈上，調整電池的位置，使電池正負極和兩枚圖釘對齊。

（3） 觀察實驗現象，及時記錄實驗數據。

觀察到與電源正極接觸的圖釘上產生氣泡的速率較慢，與電源負極接觸的圖釘產生氣泡的速率較快，通過對記錄數據的分析可說明正極和負極產生的氣體體積比為1∶2。

（4） 移走電池，檢驗電極產物。

用10毫升的注射器抽取正極產生的氣體（注意不要將針頭插到液面以下，以免電解液進入注射器），用帶火星的棒香檢驗，緩慢推動注射器活塞，觀察到棒香復燃，說明是氧氣。

用另一支10毫升的注射器抽取負極產生的氣體（注意不要將針頭插到液面以下，以免電解液進入注射器），用燃著的細木條檢驗，緩慢推動注射器活塞，觀察到氣體被點燃，火焰呈淡藍色，用冷而干燥的燒杯罩在火焰上方，發現有水霧，說明是氫氣。

（5） 將電解液倒入廢液缸，整理實驗儀器。

4 結語

（1） 實驗成本低。改進實驗所需材料均為易獲用品且價格低廉。節約了裝備資源、降低了實驗成本。

（2） 可用于學生分組實驗，培養學生的實驗操作能力。制作過程簡單，整套實驗裝置安全可靠。

（3） 電解液低消耗可循環使用。

（4） 實驗裝置微型小巧美觀，現象明顯，趣味性強。

參考文獻：

［1］中華人民共和國教育部. 義務教育課程方案（2022年版）［M］. 北京： 北京師范大學出版社， 2022.

［2］楊邵武. 霍夫曼水電解器的嬗變［J］. 化學教學， 2006， （6）： 10～11.

［3］陳穎， 薛志明， 吳民生. 學生實踐活動“水的組成探究”實驗設計［J］. 化學教學， 2023， （8）： 70～72， 96.

［4］郭曉麗， 李淑芳， 魏銳. 一種小型電解水裝置的設計［J］. 化學教育， 2018， （1）： 66～69.

［5］武蘭蘭， 劉桂華， 杜曉航. NiP/FF雙功能電催化劑的制備及電解水性能研究綜合教學實驗設計［J］. 廣州化工， 2023， 51（6）： 232～235.

［6］李娜娜. 水電解器創新設計研究［J］. 教育與裝備研究， 2020， 36（6）： 34～37.

［7］陳麗娟. 電解水實驗改進三部曲［J］. 湖北教育， 2021， （11）： 8～9.

［8］［10］曾文忠. 電解水實驗探究［J］. 考試周刊， 2020， （21）： 131～132.

［9］張曉， 崔建花， 侯玉翠等. 利用生活材料自制簡易電解水實驗裝置［J］. 實驗教學與儀器， 2023， 40（3）： 75～78.

*2023年山東省中小學實驗教學說課的成果（課題編號：202309259）；山東省教學研究課題“學困生轉化策略研究”（課題編號：2015YB0355）研究成果之一。