一种泡体槽式水电解装置

任有良+石启英+张本玺

摘要：巧妙地利用延伸切割法将废弃的普通白炽电灯泡底部割去一个直径大约4cm的圆孔，后稍加处理即制成了一只大肚球状电解槽；再配以小试管为集气管即成为一种简易水电解装置。该水电解装置装配简单，操作简便；形体美观，成本低廉；且电解速度极快，在8～12V电压下，用5% NaOH溶液做电解液进行电解，收集到20mL氢气，仅需2～4分钟。

关键词：白炽电灯泡；电解槽；水电解装置

文章编号：1005–6629（2015）6–0062–03 中图分类号：G633.8 文献标识码：B

电解水的实验是现行中学化学课本中一个重要的启蒙实验。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。但在使用中发现缺点很多[1～2]且无法完成新教材[3]中的氢气纯度的检验试验。笔者利用日常生活中废弃的白炽电灯泡制作的简易水电解装置则可克服上述不足。现介绍其装配及使用方法。

1 装配

1.1 材料用品

废弃的普通白炽电灯泡（其容量不小于 120mL，常用的40W左右灯泡即可）一只、两根长约30cm的普通导线（其中一根为红色，另一根颜色不限）、两支小号试管（15mm×150mm）、小胶塞一个、直径为1mm的细铁丝一根（长约20cm）、焊锡及电烙铁等。

1.2 制作泡体电解槽

（1）制造裂纹：取一只废弃的普通白炽电灯泡，将底部放在酒精灯火焰上烧热后，用蘸有冷水的细铁丝端头触及底部的正中央，即可在触点为中心、直径约1cm的区域产生许多裂纹。

（2）画切割线：待灯泡底部冷却后，将其头部插入一广口瓶中竖直放置。然后将25mL的小坩埚（其口径约4cm）扣在底部的正中央，用钢笔或特种铅笔笔尖沿着口沿旋转画一圈，即得到一个圆形切割线。

（3）切割去底：选择离切割线较近的一个裂纹（即最突出的一个裂纹），用延伸切割的方法，即将烧热的玻璃棒头或电烙铁头[4]触及裂纹的前端，使裂纹延伸至切割线上，并绕切割线旋转一周。然后用尖锐的器具轻轻敲打泡底（切割线内的区域），即可敲掉泡底。

（4）打磨、修理：用镊子或尖嘴钳将泡体内伞状的烧断的细钨丝及支撑钨丝的细金属丝夹掉，再将电导丝夹端正，并折成适当间距的“U”字形。然后用120#砂纸将切割后的泡体口沿轻轻打磨光滑。

（5）固定导线：用焊锡将两根长约30cm的导线分别固定于灯泡尖端的两个触点（处）上；或直接将导线接到事先配套的灯头的接线柱上（使用时，将灯头安装到灯泡上即可。这样更便于保管）。

至此，即制成了一个完整的泡体电解槽，如图1所示。

1.3 制作带柄胶塞

按15mm×150mm试管管口的大小，配一个小胶塞，将一根细铁丝（φ1mm）插入其中，然后弯成钩型状，如图2所示。带柄胶塞是该水电解器的一个重要辅助工具，为方便收集气体的试管放入或取出电解槽之用。

2 使用方法及步骤

（1）将泡体电解槽竖直地置于一只无色透明的广口瓶上。

（2）向泡体中注入约100mL 5% NaOH溶液。

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

（4）打开学生电源开关，调节电压在6～8V，即可看到电解槽内的两根电极上有大量的气泡冒出。约3～5分钟，关闭电源。

（5）用一支干净的废塑料注射器（规格为20mL），从电解槽内抽满电解液后，小心注入到一支15mm×150mm的试管中（试管夹需夹持在试管的中间部位）。待注满后将带柄的小胶塞轻轻放入试管口中。然后慢慢地倒置试管（注意用手扶持住胶塞手柄）于电解槽中液面下，小心取下胶塞，将试管扣在一电极上。采用同样办法，将另一支试管装满电解液后扣在另一电极上。

（6）重新打开电源，调节电压8～12V，即可看到两只试管中有大量气体生成，其中一支试管中气柱始终大约是另一支试管中气柱的两倍，如图3所示。待气体多的那支试管刚收满气体后关闭电源。

（7）用试管夹和带柄胶塞取出收满气体的那支试管。移近酒精灯焰，拔下胶塞，可听到轻微的爆鸣声，断定是氢气。取出另外有半管气的那支试管，将带火星的细木条插入试管中，可看到木条燃烧起来，断定是氧气。

若重复实验，从步骤（5）开始即可。

3 说明

（1）该电解器的电极是镀镍的铁丝，因此只能使用NaOH或KOH的溶液作为电解液[5，6]。因为在此条件下进行电解，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。

（2）电解刚开始的几分钟内不收集气体，是为了让氧气和氢气在电解液中充分溶解[7，8]，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。为了节省课堂时间，这一步可在当节课的课前完成。

（3）电极要固定使用。连接红导线的电极为阳极，要永远作为阳极使用。要求使用者务必将其与学生电源的正极（即红色接线柱）相接。

（4）若将收集的氢气通过一次性头皮针塑料细管，在一只盛水的玻璃水槽（或大烧杯）中转入到注射器中，再通过针头点燃，就可看到氢气燃烧的火焰。其实验效果更佳。

（5）电灯泡内有的玻璃芯柱端头过大而使试管难以扣在电极上，可用尖嘴钳子小心将其端头夹破、夹掉即可。

（6）若电极根部距扣住的试管口壁较近，可事先在电极的根部长约0.5～1cm一小段上用溶化的石蜡点封（若长期使用，最好用溶解在丙酮中的有机玻璃或赛璐珞点封），以防止电解过程中产生的气泡逃逸。

（7）当试管注满电解液用带柄胶塞封口时，不要用力塞，即轻轻将塞子放入即可（有大气的压力作用，倒置时不需担心它会滑脱），这样进槽后取下时就非常省力。

（8）若用大功率的废红外线灯泡，采用同样方法，制成的水电解槽，其容积可达到800mL（如图1-b所示），将会有更大的用途。

4 评价

（1）该水电解器的主要部件——泡体电解槽是完全利用废弃的灯泡制作的，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、探究及发明创造能力。

（3）制作简单，操作方便。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，不必使用铁架台；另外，集气的小试管也不需再固定。

（4）与实验室现用的J2606水电解器相比，它不仅价钱低廉，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20mL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六分之一到五分之一。另外，它的两个电极可适当调近或调远，这给实验教学，特别是高师化学教学论实验的探究教学活动，带来了极大的方便。

总之，该水电解装置无论在装配、操作、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]任有良，张国春，陈助国.一种简易水电解器[J].化学教学，2014，（6）：45～47.

[2]韩斌.对通电分解水简易装置的改进[J].中小学实验与装备，2011，（3）：25.

[3]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）（第2版）[M].北京：人民教育出版社，2006：47.

[4]任有良，张国春，金振国等.废真空集热管在基础化学实验中的应用[J].化学教育，2008，（6）：61～63.

[5]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.

[6]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.

[7]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.

[8]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.