电解装置的改进创新设计及应用

陕西省西安市第一中学(710082) 邢丽丽

1 问题的提出

电解实验是高中电化学的重要实验。现行人教版和苏教版课程标准实验教科书高二化学选修4“化学反应原理”采用U型管进行此实验，存在反应耗时长，现象不明显，产生的有毒气体易逸出污染环境、损害师生健康，无法实现分组实验等缺陷导致课堂教学效果不理想。

关于电解实验的改进有很多同行进行了研究，主要从微型化、趣味化和生活化入手，以上改进均有可取之处，但是还存在许多问题，主要体现在装置不够稳定、用途单一、实用性不大、不便于推广、电源没有进行改进等方面。

本文基于解决以上问题，在他人研究的基础上，运用相关科学理论进行此装置的改进创新设计。力求充分发挥化学实验教学的主体作用，激发学生学习的兴趣，达到预期的教学目标，从而培养出更具创造性的学生。

2 改进的科学方法与原理

主要采用文献法、实验法、对比法等方式进行研究。研究时从电解池的基本构造和现行教材装置的缺陷入手，以绿色化、实用化、微型化和生活化为原则进行改进设计。

3 改进装置用品

废旧的普通干电池、亚克力材质的透明方形塑料盒、医用注射导管、数字电压电流数显调压模块、9 V干电池若干节、带导线的鳄鱼夹、橡胶塞、玻璃瓶(10 mL)、小型表面皿、镊子、酒精喷灯、电烙铁、火柴、打孔器等。

4 电解装置改进创新设计

依据事先设计好的图纸,如图1所示，逐步进行下列制作。

具体制作过程：

4.1 阴、阳电极的制备

将废旧的2节普通干电池剥去外壳，取中间的碳棒先在酒精喷灯火焰上灼烧至红热，然后迅速浸入冷水中进行淬火处理即得电极,用电烙铁在每个电极上部焊接导线以便与电源相连。

4.2 电解槽的制备

根据多次试验摸索，确定选取大小为5 cm×3 cm×7 cm的亚克力材质的透明方形塑料盒制作电解槽，上部为可活动的密封塑料盖，用烧热的打孔器在其上部取合适间距(约4 cm)凿取2个小孔，以便插入电极。

4.3 电极产物的收集检验装置

通过多次试验，在电解槽两侧的合适高度(约5 cm)用烧热的打孔器分别凿取2个小孔，孔径大小与截取的医用注射器的两通管正好吻合，插入固定好的2个两通管，再分别连接尾气处理装置(10 mL玻璃瓶)和气体检验装置(小型表面皿)即可。

4.4 微型电源制作

将数字电压电流数显调压模块与2节9 V干电池进行连接即制作成数显可调电压式微型电源。

4.5 电解实验一体化装置

在电解槽可活动的密封塑料盖上插入2个打磨好的石墨电极，组装好气体检验装置，再用带导线的鳄鱼夹与数显可调电压式微型电源相连固定，即制备完成电解实验的一体化装置，加入不同的电解质溶液即完成相应电解实验。

5 实验操作步骤及方法

利用上述改进的电解装置,如图2所示,可以完成高中化学所要求掌握的4种电解类型(惰性电极)的实验，且可以实现对这些不同电极产物的观察分析、气体检验和尾气处理等。

具体实验过程(以电解氯化铜溶液为例):

(1)依次组装好实验装置(电极、电解槽以及气体检验和尾气处理装置)。若是课堂演示，可提前组装好，以便节约时间。

(2)向电解槽中加入适量氯化铜溶液至浸没到电极1/3部位，玻璃瓶内加入适量氢氧化钠溶液，接通电源，调节电压，开始反应。

(3)约10 s后，即可清晰看到阴极有紫红色的物质附着在碳棒上，证实为有铜生成；用镊子将湿润的淀粉-KI试纸靠近连接阳极的两通管一端，可清晰观察到试纸变蓝，证明有氯气产生，快速关闭此通管，打开另一通管用氢氧化钠溶液进行多余尾气处理，分别如图3、图4所示。

特点与说明：

(1)氯化铜溶液浓度越大，反应越快，但是若浓度太大，阴极区溶液容易出现黑色，多次试验发现，采用浓度为25%的氯化铜溶液(呈亮绿色)效果最好。

(2)电压越大，反应耗时越短，综合考虑，电解所用电压以8 V左右为宜。

(3)电解氯化铜溶液时，因阴极不会产生气体，故可将与阴极一侧相连的小孔用橡胶塞密封，只打开阳极一侧小孔即可。

(4)采用此套装置进行实验，操作简单，耗时短，反应现象明显，体系密封，安全环保无污染，既可进行教师演示实验也可开展学生分组实验，大大提高了教学效果。

利用上述改进的电解装置，还可以完成电解饱和食盐水、电解硫酸铜溶液、电解氢氧化钠溶液等实验。

6 实验创新点

(1)成本低廉、安全环保。装置取材源于生活，材料易得，实现废物充分利用；整个装置密封环保，有效防止有毒气体逸散。

(2)装置简单、实用性强。装置不需要特殊设备和器件，值得推广，尤其适合实验室条件相对落后的农村中学。

(3)设计巧妙、应用广泛。装置稳定美观，稍加改变即可实现高中化学要求掌握的全部电解类型的电解实验，一套装置多种用途，仪器重复使用率高。

(4)操作简便、现象明显。取配好的不同电解质溶液直接进行电解实验，1 min左右即可清晰观察到不同实验现象，实验效果好。

(5)创新理念、培育素养。仪器的设计完成可以分组实验，有利于培养学生“科学探究与创新意识”“证据推理与模型认知”“科学精神与社会责任”等核心素养。

7 装置的使用情况和进一步完善的设想

此套改进装置已在多个教学班使用，并在省级公开课成功展示，通过课堂表现和反馈来看，学生实验时兴趣高涨，对电解知识的理解更加深刻。值得一提的是，在参与的省级规划课题“中学化学实验教学创新实践研究”研究过程中，此项目也被评为优秀研究成果，受邀在名校化学教师中进行交流展示。此改进装置进一步完善的设想：视教学实际需要，拟与数字化传感器连接实时定量检测分析产生气体体积的变化。