一种简易水电解器

任有良+张国春+陈助国

摘要：设计了一种简易水电解器。电解槽由一只废弃的扁形透明塑料盐水瓶改制，即切割去盐水瓶的底部使之成为一个椭圆形圆孔的容器。用两根废弃的相同规格的不锈钢注射器针头作电极，用经过特殊处理的两支规格为20 mL的废塑料注射器作量气和集气的容器。该电解器装配简单，操作简便，形体美观，成本低廉，且电解速度较快，收集20 mL氢气，仅需要2～4分钟。

关键词：简易水电解器；水的电解实验；实验改进

文章编号：1005–6629（2014）6–0045–03 中图分类号：G633.8 文献标识码：B

水的电解实验是现行中学化学课本中一个重要的启蒙实验。通过水的电解实验及对实验现象的观察、分析和讨论，说明水是由氢、氧两种元素组成的。做好该实验，对于培养学生学习化学兴趣，形成正确的分子、原子等概念，并主动参与实验探究至关重要。而实验室电解水的常用装置是“霍夫曼电解器”，用它电解水所得的氢气和氧气的体积比为2：1，用以证明水的组成是较理想的。但在使用中发现有以下缺点：（1）装置中两电极的距离较大且联通面积小，电解的时间较长；（2）实验时由长颈漏斗注水，造成装置重心偏高不稳定，且需自选仪器如沉重的铁架台、滴定台等固定；（3）H2的检验不方便、现象不明显，且无法完成新教材[1]中的氢气纯度的检验实验；（4）装置成本高，且极易损坏（常易损坏的部位为两支玻璃管上端的活塞部分和下端相连通的部位）。笔者利用医用废品制作的简易水电解器则可克服上述不足，现介绍其装配及使用方法。

1 装配

1.1 材料用品

废弃的扁形塑料盐水瓶（容量为100 mL）一只；废塑料注射器（规格为20 mL）2支；废弃的中号注射器针头2支；长约30cm的普通导线（一根为红色，另一根为其他颜色）2根；废铁皮或铜皮1块；强力万能胶、302胶等。

1.2 制作方法

1.2.1 制作电解槽

（1）瓶底挖孔：取一只废弃的100 mL的短颈扁形塑料盐水瓶（如安徽双鹤药业有限责任公司生产的盐水或糖水瓶），如图1所示。用一根烧红的铁丝端头将瓶底部中心的椭圆形凹槽沿着其边沿烧割掉即成。

（2）将瓶底挖孔的盐水瓶洗涤干净；把两根事先选好的相同规格的中号不锈钢注射器针头（其尾部的塑料套管需用刀子削去）垂直插入瓶口胶塞中（间距1.2～1.3 cm，即胶塞顶面上的虚线圆环的直径），然后在其端头连接两根长约30 cm的导线（其中一根外皮为红颜色），如图2所示，并用302胶固定和粘封针头底端口。

1.2.2 改造量气和集气的注射器

（1）如图3所示，取两支洗净的规格为20 mL的废塑料注射器。将端头烧热的一根玻璃管（管径7～8 mm）分别从其小乳头处垂直插入，以烧烙成一个平滑的圆孔。

（2）选取比注射器管径稍大的两块金属铜皮（或薄铁皮），用打孔器在其边上分别打一个圆孔（孔径为7～8 mm），再分别用强力万能胶孔对孔粘接在上述的两支塑料注射器的端头上。待万能胶干结后，用剪刀将多出注射器端头面外的金属皮剪掉，修圆滑，如图4所示。

1.2.3 装配双管注射式水电解器

将两支改造好的塑料注射器分别插入用塑料盐水瓶制作的电解槽中，扣在两根电极上，如图5所示，即装配成了一只双管注射式水电解器。

2 使用方法及步骤

（1）将塑料电解槽竖直地置于一只无色透明的广口瓶上。

（2）将电解槽的红导线接到低压学生电源的直流输出端的红接线柱上，另一根导线接到其黑接线柱上。

（3）向槽中注入约100 mL 5% NaOH溶液；将两支改造好的废塑料注射器分别从槽内抽满电解液（不留空气泡）后，再小心地插入电解槽中。

（4）打开电源，调节电压8～12V，即可看到两支注射器中有大量气体生成，其中一支注射器气柱始终大约是另一支注射器中气柱的两倍。待气体多的那支注射器快要集满气体（约留1 mL电解液）时关闭电源。

（5）轻轻地垂直取出集满气体的那支注射器，慢慢地移入盛水的大烧杯或水槽中以洗去注射器壁外的碱液。然后用手指堵住端头上的圆孔拿出，并竖直向上将圆孔移近酒精灯焰，抬起指头，可听到一声轻微的爆鸣声，然后快速推动活塞，还可看到圆孔处气体燃烧的淡蓝色火焰，断定该管收集的气体是氢气。采用同样的方法，取出另半管气的那支注射器，将带火星的细长木条插入注射器中，可看到木条燃烧起来，确定收集的是氧气。

3 说明及简论

（1）因一般注射针头的长度较短，为3～3.5 cm；故可直接使用的瓶子是颈短的扁形废塑料盐水瓶（如安徽双鹤药业有限责任公司生产的盐水或糖水瓶）。对于颈长的瓶子，经用钢锯条将其颈锯短、另配一个3号胶塞后，也可使用。

（2）电极要固定使用，即连接红导线的电极为阳极，要永远作为阳极使用。要求使用者一定将其与学生电源的正极（即红接线柱）相接。

（3）若在电解液中加入数滴红墨水，就可使整个电解液显示红色。管内无色的气体与管外红色的溶液形成了鲜明的对比，有利于提高实验的演示效果（即使远离讲台的学生也能清楚地观察到两个气柱的情形）。也可使用酚酞[2]，但效果不如红墨水，因酚酞在浓碱液中显色后会很快褪去，而红墨水着色后则很稳定。

（4）该电解器的电极是不锈钢针头，是一种以铁为主成分，含有一定量铬、镍的合金钢（SUS304）或铬、镍、钼的合金钢（SUS316）。具有优良的耐腐蚀性及不容易生锈的特性。因其耐碱性比耐酸性要强。所以，该电解器使用NaOH或KOH的溶液作为电解液[3～4]较为合适。因为在此种条件下进行电解，电极的阳极表面能形成难溶的保护膜。不仅保护了电极，提高了电极的使用寿命，而且消除了氧气在电极上的消耗，从而确保了氢、氧体积比为2：1结论的准确性。

（5）为了保证两种气体的体积比为2：1，在正式实验之前，还必须将电解液进行预电解处理[5，6]，预电解时间以20～30 min为好。一方面让氧气和氢气在电解液中先溶解至饱和，以消除两种气体在收集过程中因在溶液中溶解度不同而带来的偏差，另一方面使电极上吸附的气体饱和。

（6）检验氧气时，用菊科植物艾的干燥茎杆比一般的木条要好。优点有二：一是艾杆点燃以后呈余烬状态的火星不易熄灭，遇到纯氧时能剧烈燃烧；二是燃烧以后有天然的芳香味。

（7）检验氢气时，由于氢分子有很大的扩散速度，即使管内是纯氢气，点燃时也会发出轻微的爆鸣声。应该告诉学生这个声音与氢气混有空气时遇火由管内发出来的较尖锐且声音较大的爆鸣声是有很明显的区别的。随即做氢气中含有空气的爆鸣试验，让学生注意体验：在上述验证氢气的试验时，一次不要烧完。当注射器的活塞推至氢气大约还剩1/3容积时，迅速用手指头堵住管口，使管口的火焰熄灭。然后抽动活塞并松开手指头，使适量的空气进入。再将注射器拿至灯焰上重新点燃，便可听到较尖锐且较强的爆鸣声。注意引导学生在听发声的同时，要仔细观察酒精灯火焰受爆炸气浪影响而发生的摆动情况。

4 评价

（1）该水电解器的主要部件全部是利用一次性医用废品制作的，它不仅来源广泛、易得，而且变废为宝，对充分利用资源、保护环境、降低实验成本大有裨益。

（2）装置精巧、美观，对培养学生学习兴趣，提高学生创新意识很有帮助。若让学生尝试制作，可培养他们动手、探究及发明创造的能力。

（3）制作简单、操作简便。电解时可借助广口试剂瓶或集气瓶直接摆放在实验台或讲台上，勿须使用铁架台；另外，量气和集气的注射器也刚好卡在开孔的塑料电解槽上，不需再固定。

（4）与实验室现用的J2606水电解器相比，它不仅机械强度高，不易破裂，几乎不需要花钱；而且电解速度快，实验效果明显。在8～12V电压下，用5% NaOH溶液做电解液进行电解，若要收集到20 mL氢气，仅需要2～4分钟，是同等条件下J2606水电解器所用时间的1/6～1/5。

总之，该水电解器无论从装置上、操作上，还是实验成本及教学功能上都不失为一种理想的实验教具。

参考文献：

[1]课程教材研究所，化学课程教材研究开发中心.义务教育课程标准实验教科书·化学（九年级上册）[M].北京：人民教育出版社，2006：47.

[2]杨桂英.水电解实验的改进[J].实验教学与仪器，2003，（5）：15.

[3]西南师范学院化学系.中学化学教学法实验[M].北京：高等教育出版社，1997：17.

[4]课程教材研究所，化学课程教材研究开发中心.义务教育课程标准实验教科书·化学（九年级上册）·教师教学用书（第3版）[M].北京：人民教育出版社，2007：80～81.

[5]石启英.电解水实验的探讨[J].商洛师范专科学校学报，2004，18（3）：114～116.

[6]朱莉，苏同福，周斌等.提高水电解实验效果的方法[J].河南农业，2008，（10）：57.