电解水实验的再改进

姜跟华

摘要： 针对现行人教版初中化学“电解水实验”存在的不足，通过文献分析和实践摸索，提出新的改进方案。新方案立足于教材原型实验，采取自制加长型试管刷、增添30mL滴瓶滴管、涂抹凡士林在“连通”上边沿、更换铂电极为304不锈钢棒电极等措施对实验进行改进。改进后的实验装置简约，具有操作简便、效果显著等优点。

关键词： 电解水； 霍夫曼水电解器； 实验改进

文章编号： 1005-6629（2023）03-0073-03

中图分类号： G633.8

文献标识码： B

1  问题提出

“电解水实验”是初中化学教材中非常重要的启蒙实验，也是化学经典实验之一，在目前所有版本的初中化学教材中都有此内容。其中人教版初中化学教材多年来一直使用如图1所示的实验方案，其对帮助学生认识“物质的组成”“化学变化的实质”“物质组成的研究方法”等有非常重要的意义。其中霍夫曼水电解器是该实验的经典仪器，具有定量测量、方便检验、不直接接触电解液等优点。然而实际教学时却发现了一些问题，例如：（1）玻璃管又细又长，难以进行彻底清洗；（2）实验时常出现泡沫现象，对实验造成干扰，影响数据观察；（3）实验耗时较长，收集20mL氢气需要5分10秒左右；（4）收集的氧气偏少，两气体的实际体积比与理论比有较大误差；（5）气体检验时，常有液体喷出，造成检验失败。由此看出，霍夫曼水电解器虽有明显的优点，但也存在一些问题，为此决定对该实验再次进行改进，以期能更好地服务于教学。

2  文献改进实验案例简介

以“霍夫曼水电解器”“电解水”为关键词进行文献检索，发现不少研究者作了创新设计与改进，归纳起来有以下几种情形。

情形一：如图2所示整体结构缩小方案［1］。郭晓丽等进行模块设计，将装置小型化，并调整反应室和储液室的位置，让２个反应室紧紧相邻，缩短两个电极距离，其通电约１min即可获得所需的氧气和氢气。

情形二：如图3所示U型管式改进方案［2］。杨绍武从改变反应场所的结构着眼，使用具支Ｕ型管作为电解装置，电炉丝从U型管上方接入，产生的气体导出到管外注射器中，简化了气体测量和检测。

情形三：如图4所示两室形态整合方案［3］。为了能使装置更为简约化、整体化，任有良等借用共用的思维方法，将反应室和储液室进行合并，利用废弃的电灯泡制成电解槽，以断开的灯丝为电极，再配以试管为集气管，在8到12V电压下电解5% NaOH溶液，仅需3分钟左右，就可收集20mL氢气。

情形四：如图5所示供电方式改变方案［4］。突破固定思维束缚，黄海燕等对电源供电方式作了改进，以自制酒精灯产生的热作为热源，采用循环水冷的方式自制温差发电装置，电解时将温差发电片与电解水装置相连，可实现电压、电流都较小的情况下，成功将水电解。此外还有的研究者使用太阳能、干电池［5］为电源进行供电。

将上述改进实验与教材原型实验相比，不难看出原型实验虽操作简便、观察方便，但可惜电解效率偏低。已有的改进实验虽然装置小型化、提高了电解效率等方面做了大量工作，但依然存在一些问题：如有的改进实验部分仪器难以准备，制作也有困难，不够简约，影响其推广应用；有的改进实验电解效率依然很低，如用温差发电装置、干电池作电源等；有的改进实验实验结果误差更大，不适合应用于教学；还有的检验气体时需要将反应装置取出并进行清洗，操作上很不方便。霍夫曼水电解器作为教材的原型装置，在实验教学中可以减少学生的认知障碍，获得较好的教学效果。为此笔者决定立足于教材原型实验，吸取改进实验的优点，不断实践与反思，最终形成了如下改进方案。

3  实验再改进

3.1  实验用品

10%氢氧化钠溶液、霍夫曼水电解器（江阴市正中科教器材有限公司J2606型）、学生电源（泰州市永创教学仪器有限公司）、导线、304不锈钢棒（0.3cm）、胶带、橡胶塞、试管刷、细铁丝（0.2cm）、橡胶管、30mL滴瓶滴管、小木条、铁架台、玻璃棒等

3.2  实验操作

（1） 取一根长约35cm的细铁丝，用胶带固定在试管刷的尾部，制成加长型试管刷（见图6）；再取长约8cm的不锈钢棒，在靠近橡胶塞边沿部位插入橡胶塞，长端留5cm左右即可（见图7），备用。

（2） 用试管刷清洗霍夫曼水电解器后，用玻璃棒挑少量凡士林，采取“向里送”的方式将其涂抹在边沿，塞紧电极橡胶塞，固定在铁架台上；再取长约6cm橡胶管与滴瓶滴管一同连接到水电解器尖嘴上（见图8）。

（3） 打开活塞，从漏斗口加入10%的氢氧化钠溶液，过程中不时上下移动漏斗，最后加液至玻璃管内液面刚好至活塞处、漏斗内只留少量液体即可，关闭活塞。

（4） 将电解器与学生电源相连，旋转铁夹旋钮，使电解器向负极相连的一侧倾斜约20°，固定。开启电源，调节电压至最大15V，即可观察到两侧玻璃管中有大量气体产生，且负极产生的气体更多（见图9），当气体多的那一侧液面最高点到刻度时，关闭电源，回正电解器，片刻后读取数据。

（5） 缓慢旋转活塞，用燃着的木条检验气体，可观察到正极产生的气体能使燃着的木条燃烧更旺，可知是氧气；将负极产生的气体先放出一部分，再进行检验，可观察到气体能够燃烧，可知是氢气。

（6） 断开导线，打开活塞，取下电解器，将漏斗倾斜下放到烧杯口，使大部分电解液从漏斗口倒出、收集，少量电解液从一侧的玻璃管尖嘴处流出、收集。

（7） 清洗霍夫曼水電解器，晾干，装箱，备用；电解液装入试剂瓶，留着后续化学实验时使用。

3.3  几点说明

（1） 对试管刷进行加长，目的是便于将试管刷伸入到玻璃管底，从而对电解器进行彻底清洗，有效避免电解时出现泡沫现象。

（2） 304不锈钢棒具有较大的表面积，可以非常好地提高电解效率；同时其耐碱性较强，电解时还会形成难溶的保护膜，避免氧气被消耗，可提高气体体积比值的准确性。

（3） 电解过程中氢氧化钠电解液颜色不会发生改变，同时其浓度越大，电解效率越高；但超过10%后，电解效率增幅会明显减缓，为此笔者综合考量电解液选用10%的氢氧化钠溶液。

（4） 在保证电解效率的同时，控制有效电极长度，沿橡胶塞边沿插入电极，倾斜电解器，涂抹凡士林，均为有效地防止气体跑出反应室，减小测量误差。

（5） 滴瓶滴管不仅能增加尖嘴部位的高度，还具有“较大”的横截面积（滴管“胖肚”部位），可以有效地避免电解液喷出。

（6） 上下移动漏斗，目的是使电解液上下流动，排出气泡，排除干扰。同时开始时漏斗中不可有过多液体，是为了防止电解过程中大量液体进入，造成液体溢出。

（7） 在检验氢气时，先放出一部分气体再点燃，目的是排尽滴管中的空气，防止检验氢气时发生意外。

3.4  小结

（1） 立足教材，回归原点。改进实验立足于教材原型实验，保留霍夫曼水电解器，回归教学的原点，依然与教学目标相适宜，与基本学情相切合，与师生认知水平相贴近，符合知识内容、认识思路和核心观念相统一的原则。

（2） 操作简便，简约易行。本改进实验装置简约，仅自制了加长型试管刷、增添了滴管和凡士林、更换了电极，完全保留了教材原型实验操作简便、容易观察、定性与定量相结合等优点。

（3） 效果显著，服务教学。经过改进，实验效果显著，其不仅解决了原实验难以清洗、易起泡沫、易喷出液体、结果误差大等问题，而且电解效率也得到了极大提升，如收集20mL氢气，只需要2分15秒左右，不到原型实验时间的一半，完全可以非常好地服务于化学教学。

参考文献：

［1］郭晓丽， 李淑芳， 魏锐. 一种小型电解水装置的设计［J］. 化学教育（中英文）， 2018， 39（1）： 66～69.

［2］楊绍武. 霍夫曼水电解器的嬗变［J］. 化学教学， 2006， （6）： 10～11.

［3］任有良， 石启英， 张本玺. 一种泡体槽式水电解装置［J］. 化学教学， 2015， （6）： 62～64.

［4］黄海燕， 王泽安. 电解水小型实验装置的设计［J］. 化学教学， 2021， （8）： 72～75.

［5］宋守娟， 张洁. 塑料矿泉水瓶在初中化学实验中的妙用［J］. 化学教学， 2015， （11）： 69～72.