电解水实验的改进与实际操作

2016-04-19蒋发强

课程教育研究 2016年3期

初中化学教材经过多次改版，内容发生了较大的变化。

自从“氢气还原氧化铜”淡出后，课本中吸引人眼球的实验项目似乎已经很少。因而，“电解水”的演示质量不容忽视。

在教材中，“水的组成”是通过电解水实验来证明的。这个实验的看点在于，看似单纯的水，经过电解以后，生成了两种截然不同的气体——氧气和氢气，而且它们的体积比为2：1。实验中可以看到大量气泡从电极上产生并冒出，生成的气体可以检验，一种能够使带火星的木条复燃，另一种则能够燃烧。观察实验现象，可以使学生获得广泛的想象空间，看似单纯的水，在电流的作用下变成两种单质，有助于学生对分解反应的认识和理解。也可以帮助学生理解化学反应的本质，理解原子，分子，以及一些物质是由分子构成的等等基本概念和知识。

“电解水”实验的典型装置是“霍夫曼电解器”，电极材料使用昂贵的铂，学校一般没有配置。虽然上级配给的仪器中也有类似的，但是，制作工艺粗糙，而且损坏以后修理困难，订货的周期又比较漫长，并且跑冒滴漏现象严重，由于电解水的时候，要在水中加入硫酸或者烧碱，因此，这样的瑕疵是无法容忍的。因此，在实际教学时，往往使用自制简易装置。不过，实验效果并不理想，主要的缺点包括：手需要多次接触有腐蚀性的电解液，如果使用手套，操作又显笨拙，检验氢气的时候效果不理想，老师对此有改进的要求。经过查找资料和动手实验，我们对实验中的一些问题有了成套的改进方案。图一是过去常用的简易电解水装置，图二是现在改进后的电解水装置。

一、改进的实验方案如下：

1.电解液：用NaOH溶液，根据实测经验，质量分数为15%～18%最理想，最好用纯度较高的试剂和蒸馏水配制。实际用10%NaOH溶液效果就很好了。

2.电解池：曾经使用1000ml烧杯。由于烧杯上有文字和标识刻度，会影响观察，最好用塑料缸，定制。但是，学校没有这样的条件。现在改用定制的长方形有机玻璃缸，量身定制，与收集气体的容器（注射器匹配），不浪费药品。

3.电极材料：最理想的是铂。当电解液为碱性时，可用铁丝代替，效果较好，实际操作中，选用自行车的辐条，套上电线绝缘皮，留出大约3公分露在外面，作为电极。阴极的电极材料要求不太高，可以用铜导线，剥去末端部分绝缘皮。电极部分可以绕成螺旋状，长度约10cm，足以防止当电解产生的氢气较多时，注射器浮起而倾倒。当氧气占据注射器一半容量时，注射器不会浮起，所以不必采取这一措施。

4.电源：选用普通学生电源。电压16V。电压对电解的速度有很大的影响，电压大时电解速度较快。实际用10V就可以了。电压太高时，电流增大，电源可能会因为过载而采取保护措施，并停止工作。

5.集气装置：用排水法收集，使用两个30ML的注射器，在针头处各接上6cm长的橡胶管，里面各放入一粒光滑的圆球（钢珠，类似碱式滴定管的设施），使用时捏住圆球，使电解液进入，残余的空气通过橡胶管上端用洗耳球吸出，手不与电解液接触。

6.导线：用两根长约30CM的多股导线，一头各接上鳄鱼夹，或在另一头接鱼头夹。可以方便地夹住连接电极的导体的金属外露部分，另一头可以方便地接在电源上。

7.为了让学生看清现象，可以使用投影，或者视频展示。实际操作时，是在靠近电解池的地方，放一个微型摄像头。摄像头是免驱动的，使用方便。而且像素很高，响应很快，利于观察。

二、实验操作的步骤与方法：

正式实验开始前，进行“预电解”，就是，不收集气体，进行一段时间的电解。时间可以稍长一点，10分钟左右，预电解时，电压可以调低至6V。预电解的目的，是使作为正极的铁处于被氧化的状态，这样正极在正式电解时不发生更多的副反应，同时使溶解在水中的气体达到饱和。以便使产生的氧气和氢气的比例非常接近于1：2。

正式演示的时候，步骤大致如下：

1.如图装置，向电解池倒入电解液，至液面距离电解池上沿还有3cm时停止。

2.安放集气装置，用一只手挤压橡胶管内的圆球，电解液进入注射器内，稍后，用另一只手使用洗耳球，吸电解液至圆球处，如果稍有超过，可以放回至圆球处。

3.将铜丝连接电源负极，铁丝连接电源负极。

4.连接电源，电压选择10伏。不到5分钟，氧气达到约15ml，氢气达到约30ml，针筒内即将充满气体。停止通电，断开电源。

5.挤压负极这端的圆球，排出一部分氢气，然后，点燃一根火柴，并马上挤压圆球放出剩余的大部分氢气，这时候，可以看到氢气燃烧时的火焰。