电解饱和食盐水实验装置的改进

李小芬

（浙江桐乡市凤鸣高级中学 浙江嘉兴 314500）

一、问题的提出

电解饱和食盐水实验是高中化学教材中重要的演示实验，是学生学习电解原理的重要载体。苏教版必修1和鲁科版教材中的电解饱和食盐水装置图如图1所示，苏教版化学反应原理和人教版选择性必修1教材中，出现的离子交换膜法电解饱和食盐水示意图如图2。

图1 电解饱和食盐水装置图

图2 离子交换膜法电解饱和食盐水示意图

笔者发现，图1的装置存在以下欠妥之处：第一，实验室没有带向上和向下支管的U 型管，若自己烧制，难度太大，在做实验时，会直接用U 型管进行电解；第二，若要检验产生的Cl2，需把导管从氢氧化钠溶液中取出，这时会闻到刺激性气味，逸出的氯气也会污染空气；第三，阴极产生的OH-会扩散到阳极区，不利于观察酚酞变色的现象，OH-同时也会与阳极的Cl2发生反应。

图2的装置是学习电解原理之后一个重要的应用实例。虽然教材中给出了离子交换膜的电解装置图，但教学中没有进行真实的实验，导致学生缺乏宏观现象的直观认识，不利于培养学生宏观辨识和微观探析的化学核心素养。

文献调研发现，很多老师对电解饱和食盐水实验提出了改进措施。如陈达老师的改进装置，利用底部带小孔的试管装石墨电极，利用排溶液法收集两级的气体，并检验，［1］但试管底部的小孔较难处理，容易打破试管；宋晓锋老师采用自制双孔V 型管，用针筒电解并收集气体产物，［2］但双孔V型管制备难度较大；李楠等老师利用三颈烧瓶和针筒改进装置，［3］但装置需要用铁架台固定，比较笨重。

笔者在文献调研的基础上，利用常见的生活用品和实验室常见仪器进行实验创新设计，不仅使装置更轻便，实验现象更明显，而且可以使有毒气体不外泄，提升课堂演示的效果。

二、实验原理

电解饱和食盐水的反应原理：

阳极反应：2Cl--2e-====Cl2

阴极反应：2H2O+2e-====H2+2OH-

离子交换膜是用对离子具有选择性透过的高分子材料制成的薄膜，在通电情况下，阳离子交换膜允许阳离子透过，阴离子交换膜允许阴离子透过。

三、实验用品

1.仪器：20 mL 注射器2 支、红蓝导线各1 根、充电宝1只、石墨电极（直径大约4 mm）2支、生活收纳盒小号和中号各1个（网购）、火柴、酒精灯、镊子、离子交换膜（网购），502胶水。

2.试剂：饱和食盐水、饱和硫酸钠溶液、酚酞、石蕊、淀粉碘化钾试纸。

3.装置的制作

（1）可收集两极气体的电解池装置：将注射器的活塞取出，把顶端的橡胶塞取下，用小剪刀在橡胶塞上开一个小孔，把连接有导线的石墨棒固定在橡胶塞上，再把橡胶塞和活塞结合起来（见图3），针筒上连接针的端用剪刀戳成小孔，使石墨棒能恰好被挤出，最后将活塞装回注射器，可收集气体的电极就做好了（见图4），然后用烧杯进行电解实验。

图3 石墨棒和导线连接的活塞

图4 石墨棒和导线连接的活塞装回到针筒中

（2）有离子交换膜的电解装置：网上购买小型物品收纳盒，中间的夹层可拆卸，把阳离子交换膜用502 胶水粘在容器的中间，并确保中间不漏水。装有阳离子交换膜的装置见图5，装有阴阳离子交换膜的装置见图6。在盖子上打孔，使石墨电极刚好嵌入。

图5 装有阳离子交换膜的容器

图6 装有阴阳离子交换膜的容器

四、实验步骤与现象

1.可收集氢气和氯气的电解饱和食盐水实验

实验步骤：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20 mL溶液，并把注射器下端浸入烧杯的食盐水中，红蓝两根导线分别接充电宝的正负极，打开电源，电解便开始进行。

实验现象：接通电源后，即可看到两极上产生气泡，产生氢气的电极上气泡明显比产生氯气的电极上气泡要多；由于气体的产生，注射器的液面开始下降，相同时间收集的氢气体积更多，可能原因是氯气的溶解性较大；阴极注射器中溶液变红（见图7）。

图7 阴极的溶液变红

电解3 min后，拇指堵住注射器下端的小孔，取出注射器，并对收集的气体进行检验。阳极产生的氯气用湿润的淀粉碘化钾试纸检验（见图8）；阴极产生的氢气用爆鸣法检验（见图9），可以听到“噗”的声音。为防止氯气泄漏，实验检验完成后，可以把注射器中的气体注入氢氧化钠溶液中。

图8 用淀粉碘化钾试纸检验Cl2

图9 用爆鸣法检验H2

2.用离子交换膜装置电解

实验步骤：（1）在装有阳离子交换膜的容器中分别注入等量的饱和食盐水，并在膜两边滴入数滴酚酞。取出带石墨棒和导线的注射器活塞，从容器盖上的小孔插入，连接好后进行电解。

（2）在装有阴阳离子交换膜的容器中分别注入等量的饱和硫酸钠溶液，装有阴离子交换膜的一侧接电源正极并滴入石蕊，装有阳离子交换膜的一侧接电源负极并滴入酚酞，再分别和石墨的阴极和阳极连接，进行电解。

实验现象：（1）用装有阳离子交换膜的容器电解饱和食盐水，可以看到阴极区域溶液变红，而阳极区域溶液没有变化（见图10）。

图10 用阳离子交换膜电解饱和食盐水

（2）用装有阴阳离子交换膜的容器电解饱和硫酸钠溶液，可以看到阴极区域酚酞溶液变红，而阳极区域石蕊溶液略微变红（见图11）。

图11 用阴阳离子交换膜电解饱和硫酸钠溶液

五、实验装置改进的意义

1.装置简单，实验效果明显且环保

改进后的实验装置取材简单、操作方便、实验耗时短、实验现象直观明显。方便课堂演示和学生观察，采用排溶液法收集气体，防止有毒气体的泄漏，符合绿色化的理念。可以加强学生对实验原理的理解和对知识的掌握。该实验不仅可用于课堂演示实验，也可用于学生分组实验和课外研究性学习实验。

2.贴合课改，提升能力

新课改要求注重学生化学核心素养的培育，此实验改进使实验现象更明显，有利于学生从微观粒子角度分析离子的移动，从而培育学生的宏观辨识和微观探析素养。离子交换膜实验的引入，突破了教材局限，让学生近距离感受到工业生产的应用，激发学生探求未知的欲望。

3.实验拓展，功能多样

改进后的装置还可用于电解其他常见的溶液，满足高中化学电解教学的要求，如：氯化铜溶液、氢氧化钠溶液等，便于综合复习教学，促进学生思维的发展。