电解饱和食盐水的创新装置

2016-09-05窦卓

化学教学 2016年7期

窦卓

摘要：对教材中电解饱和食盐水装置进行改进，设计价格低廉的仪器，使实验现象更明显、检验气体方法更绿色环保、实验更容易成功。将阳离子交换膜引进高中课堂，使定性实验提升到定量实验，电解后生成的H2、Cl2吸附在电极上，构成氢、氯燃料电池，启动二极管发光。该装置还能用于电解其他溶液。

关键词：电解；饱和食盐水；电解装置；阳离子交换膜；燃料电池

文章编号：1005–6629（2016）7–0050–04 中图分类号：G633.8 文献标识码：B

1 问题的提出

电解饱和食盐水实验是高中电化学部分一个非常重要的实验，其在鲁科版教材[1]中使用的装置如图1所示，笔者通过多次教学实践发现此套装置有一些欠妥之处。

第一，此装置在U型管两侧均设有支管，产生的H2中会混入空气，进行点燃或爆鸣时不易成功；第二，实验时有Cl2外逸，对环境有污染；第三，此装置只能定性检验两极产生的气体，不能定量测试H2、Cl2气体的体积；第四，电极间的距离较大，影响电解速率；第五，由于阴极产生的NaOH会扩散到阳极区域与Cl2反应，导致部分产物发生变化；第六，学生没有亲眼看到教材上提及的隔膜的作用，导致学生对此缺少感性认识，也不利于学生对该部分内容的理解和掌握。综上所述，有不少教师对该实验进行了大胆改进。

陈达[2]老师的改进装置选用了排水法收集气体（如图2）。此法便于收集气体、有效减少了污染；在试管底部戳一个直径约为3mm的小孔，便于检验操作时，H2从试管底部小孔集中扩散出来，容易点燃；Cl2逸出量少，湿润的淀粉碘化钾试纸会变成深蓝色，污染小；还可以将小试管从固定片中取出，供学生近距离观察，气体不会泄漏。

但该装置在制作时存在一些困难：试管底部的小孔要用酒精喷灯烧至红热，然后用铁钉戳制而成，耗时耗能；得到的孔径可能大小不一，易导致试管破裂浪费；小孔虽利于气体的检验，但是也增大了电阻，需要用28V的电压才能实现明显的实验效果，消耗了更多的电能，而且大多数学校用的学生电源都不高于16V，不便于学生分组实验和普及使用。

成向前[3]等老师直接使用注射器代替上述底部有小孔的试管（如图3），无需再烧制小孔，收集到的气体纯净；注射器的活塞可以移动，检验气体时，推动活塞，就可慢慢将气体赶出，阴极产生的气体靠近酒精灯火焰时会发出“噗噗”声或者淡蓝色的火焰，现象更明显。极少量的阳极气体可以使湿润的淀粉碘化钾试纸变蓝，进一步减少了泄漏。

该装置的不足之处是电极需固定在塑料瓶上，其电极一旦固定，则不能改变电极间的距离，无法改善电极距离对电解速率的影响。

另有一些电解实验的设计[4，5]，具有装置简易或取材方便、绿色环保等优点，却也同时存在可见度小或操作较不方便、耗时较多等不足。

集合教材及诸多文献资料对该实验设计的优点和长处，经取长补短、综合平衡，反复进行实验测试和再改进，给出了该实验的如下改进装置。

2 电解食盐水装置的改进创新

2.1 实验用品

20mL注射器2支，2B、4B、6B铅笔芯若干，导线若干，0～30V学生直流电源，定制容器（嵌阳离子交换膜），酒精灯，火柴，玻璃棒，表面皿，发光二极管；饱和食盐水，酚酞，淀粉碘化钾试纸

2.2 自制电解装置

注射器结构见图4，注射器的改进见图5：先将注射器胶塞、活塞拆开（见图4、图5-a），用针头将注射器的胶塞中间、活塞底部边缘各钻个孔（图5-b），铅笔芯电极穿过胶塞孔，导线穿过活塞孔（图5-c），用皮筋将导线和电极连接。再将胶塞和活塞重新结合起来（图5-d），就实现了电极的固定。再套上注射器空筒（图5-e），就可和烧杯等玻璃仪器配套进行电解实验。

定制容器的改进方式见图6：用亚克力板组装成一个长方体容器，容器中间开个凹槽（图6-a）。用塑料螺丝将阳离子交换膜固定在中空的薄片上（图6-b），然后将其嵌到容器中间的凹槽里（图6-c）。

2.3 对装置的优化探究

向烧杯中注入适量滴有酚酞的饱和食盐水。用改进后的注射器各抽取20mL溶液，排尽空气。两支注射器浸入烧杯中，两根导线分别连接学生电源的正负极，打开开关，实验即可开始。

查阅文献可知，电压越大，电极间距离越小，电极材料长度越长，电解速率就越大。将电压调到30V（最大量程），电极长度定为6cm（尽可能长），电极间距离设为2.2cm（达到最近），分别选取不同的铅笔芯做电极，进行实验。见表1中实验1～3，测得收集9mL H2所需时间。

从中发现，6B铅笔芯做电极时，电解速率最大。因此以下实验都选用6B电极材料。

为了进一步提高电解速率，减小电阻，又尝试将注射器空筒底部钻孔（见图7），并测得不同孔径对电解速率的影响，见表1实验4～6。

通过对比实验发现，若空筒底部不钻孔，需要30V电压才能达到一定的电解速率。而空筒有孔的装置电解速率将是无孔的7倍以上，这也就是影响电解速率的最关键因素。孔径越大，电解速率越快。

保持大孔直径8mm，又尝试降低电压，见表1实验7～8。发现用16V学生电源电解，收集9mL H2只要85s。这种电解条件，既适用于上课教师演示，又节约了电能，适合学生分组实验。

3 实验现象及气体检验

3.1 实验现象

用表1中实验8对应的条件进行电解实验。很快观察到两极上产生大量气体。如图7所示，阴极针筒内溶液变为红色（滴加了酚酞）。阳极针筒内溶液逐渐变成浅黄绿色。而且可以定量测得气体体积，同时发现V（阴极气体）>V（阳极气体）。阴极红色溶液逐渐从针筒内扩散出来，并逐渐向阳极移动。

离子交换膜对不同电荷的离子具有选择透过性。若使用有阳离子交换膜容器（如图8），则阴极红色溶液（OH-）不会扩散到阳极区。通过观察现象，使学生体会到离子交换膜带来的神奇效果和化学实验的无穷魅力。

3.2 检验气体

将电源关闭，此时注射器内仍留有溶液。检验阴极气体时，在水下用食指将大孔堵住。注射器带上针头，靠近燃着的酒精灯（如图9），推动活塞，将气体赶出，听到明显的“噗噗”声，证明有H2生成。发生的电极反应是2H++2e-=H2↑，阴极附近溶液变红，说明生成了OH-。

检验阳极气体时，同样将大孔堵住，将注射器带上针头。稍稍推动注射器活塞，仅使少许阳极产生的气体靠近湿润的淀粉碘化钾试纸，试纸变蓝，证明阳极有Cl2生成。发生的电极反应是2Cl--2e-=Cl2↑。检验完毕，立即将注射器倒立于原溶液中，多余的Cl2可以用阴极生成的NaOH溶液吸收。

4 本改进装置的优点

（1）该装置材料简单，注射器、铅笔芯等材料便宜易得。

（2）巧妙地将电极固定在注射器的胶塞上，可以任意改变电极间距离，以探讨电极距离、电极长度等对电解速率的影响。

（3）巧用“大孔+小孔”设计：有了“大孔”设计，只要16V电压就可很快完成实验，降低能耗。检验气体时使用“小孔”（注射器乳头），成功率高，不会产生污染。而且多余的Cl2可以与阴极产生的NaOH溶液反应，制取消毒液（NaClO），消除污染。实验操作方便，现象明显。既适用于教师上课时给学生演示，又适用于学生分组实验，便于观察。

（4）突破了教学难点。不仅容易检验到两极产物，还可观察到使用阳离子交换膜后的效果，使学生对离子交换膜不再陌生，帮助学生更好地建立电解池分析模型。

（5）实验由定性到定量，把单纯的演示、验证性实验转变为具有探讨环节的探究性实验。使用改进后的装置可随时定量地测得两极产生的气体体积。由实验中V（H2）>V（Cl2）的现象，可引发学生深入的探究、思考。分析原因如下：①Cl2可溶于水（阳极溶液显浅黄绿色就是证明），使阳极气体体积减小；②随着电解的进行，c（Cl-）不断减少，后期可能转变成OH-放电，生成O2。V（H2）：V（O2）=2：1，也可能使阳极气体体积减小；③Cl2和水反应生成的HClO逐渐分解生成O2也是使阳极气体体积减小的一个原因（光照越好，时间越长，现象越明显）。只要向电解后的阳极注射器中抽取NaOH溶液，使Cl2完全被吸收，空筒内剩余的气体即是O2的体积。

5 几点说明

（1）为了增加密封性，在固定电极时可在电极和胶塞结合处粘上少许AB胶。

（2）为了增加测量的准确性，可先做空白实验，测电极的体积。例如，当测量发现阴极产生H2为9.5mL时，要扣除6B电极在气体中所占的体积0.5mL，因此实际气体体积应约为9.0mL。

（3）为了更方便地检验气体，可适当减小电极的长度。因为电极过长在推动活塞时，电极很快会顶住针筒。需在水下向反方向拉动活塞，再进行检验操作，使操作稍繁琐。

6 实验的拓展

该装置还可以用于：

（1）电解盐酸溶液、CuCl2溶液，防止Cl2的泄漏。

（2）电解NaOH溶液、H2SO4溶液等，便于观察产生的H2、O2的体积关系。

（3）本装置电解后还可以构成H2、Cl2燃料电池，使二极管发光。电极在固定前可经灼烧、淬火处理[6]，以增大其吸附面积。实验发现：检验完两极气体后，剩余的气体还可以带动二极管发光。因此该装置也适用于电化学综合复习的教学。

参考文献：

[1]王明召等.普通高中课程标准实验教科书·化学反应原理（选修）[M].济南：山东科学技术出版社，2009：13.

[2]陈达，庄华清.电解饱和食盐水实验的新改进[J].化学教学，2012，（11）：49～50.