新型电解水实验装置的研制与应用

黄媛 柯志超 黄丹青

摘要：针对霍夫曼水电解器存在的问题，设计一种新型电解水实验装置及其操作步骤，从“分”与“合”两角度证明了水的组成，让教学更有趣、课堂更高效。

关键词：核心素养，电解水，实验装置，水的组成

文章编号：1008-0546（2020）05-0094-02 中图分类号：G632.41 文献标识码：B

doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2020.05.025

一、实验改进背景

《水的组成》在初中化学中具有重要的意义，其中既有知识的学习，又有方法的领会，还有认识视角的丰富。教师普遍采用霍夫曼水电解器进行电解水实验教学，但在教学实践中发现以下不足：一是在演示过程中，该装置存在的问题有：重心过高、电解速率慢、氢气燃烧过程放热使玻璃管口变形、在尖嘴口检验氢气和氧气时现象不明显且操作不便;二是教学过程中，较难以“合成”的视角认识水的组成，限制了学生的思维。

因此，改进电解水的实验装置，可以激发学生的学习兴趣、培养学生的动手能力，提高实验技能，增强实验意识，提高中学化学教学的效益。通过实验改进教学，培养学生创新思维，实现从感性到理性、定性到定量、宏观到微观、具体到抽象的转化。

二、新型电解水装置的研制

针对霍夫曼水电解器存在的问题，我对装置进行重新设计、绘制CAD图，并定制亚克力板进行粘合组装，制成如图1所示的新型装置。具体说明如下：

1.大容量底座

底座采用亚克力板一次成型工艺制作大容量底座，容积约为500mL，可以盛装足够的电解质溶液，可确保装置整体重心较低，放置更稳固。在靠近氢气管的位置增设了一块隔板，有效将氢气管与氧气管内的液体与外部的空气隔绝，保障电解反应顺利进行;同时隔板在混合气体时，还可引导氧气顺利进入氢气管。底座右侧设计为14°的斜面，让氧气与氢气的混合操作简单、机械、高效。

2.亚克力管（注水管、氢气管、氧气管）

底座上方设置3根亚克力管，其中左侧较短的管为注水管，在方便添加水的同时，通过打开、塞紧橡胶塞可以调节压强，便于气体的检验;中间管为氢气管，右侧管为氧气管，两管底部等高位置设置2根L型电极，氢气管电极与电源负极相连，氧气管电极与电源正极相连。采用的镍合金电极导电性强，使电解水速率变快，而且该电极不易被电解液氧化，耐用性高，而且当管内液面低于电极时，电解实验自动停止，无需担心电解过度的问题。另外，氢气管顶部增设了两根导电金属丝，两根金属丝相距2mm左右，接通脉冲点火器即可在两根金属丝间产生电火花，可引爆氢气管内的混合气体，使之冲落橡胶塞并发出尖锐的爆鸣声。

3.氢气点燃专用配件

氢气点燃专用配件由橡胶塞、玻璃活塞、胶皮管与输液器针头连接而成。它用不锈钢针头取代原有装置中的玻璃尖嘴口，规避了玻璃管口变形的问题，同时玻璃活塞可手动调节氢气流速，让氢气燃烧更加稳定和持久。

三、新型电解水装置的教学应用

1.利用新型电解水装置从分解角度（即“分法”）证明水的组成

（1）电解水

往短管中注入500mL 5%的氢氧化钠溶液，塞緊3个橡胶塞，倒置装置，使水充满氢气管和氧气管，接通12V直流电源使水分解，30s即可明显观察到正极管与负极管中产生的气体的体积比为1：2。

（2）检验电解产生的气体

当电解产生的氢气位于5cm刻度线时，开始检验阴阳两极管中的气体，将燃着的木条直接伸人负极管中，气体燃烧，发出“噗”的一声，说明该气体是氢气;将带火星的木条伸人正极管中，木条复燃，说明该气体是氧气。由实验可以得出水在通电的条件下可以分解产生氢气和氧气，根据元素的种类在化学变化中保持不变，得出结论：水是由氢元素和氧元素组成。

2.利用新型电解水装置从合成角度（即“合法”）证明水的组成

（1）点燃管中纯净的氢气

按照上述步骤电解水，先收集半管的氢气，旋转直通管的活塞，控制氢气流速，在不锈钢针头处点燃氢气，并在火焰的上方罩一支干冷的试管，发现试管内壁产生水珠，得出结论：水是由氢元素和氧元素组成。

（2）混合氢气和氧气，引爆混合气体

先收集2cm刻度的氢气和lcm刻度的氧气，利用隔板与底座右侧的斜面设计，师生只需简单、机械地倾斜一下装置即可将氢气与氧气混合，然后即可在氢气管中进行氢气爆炸试验：①敞口明火引爆：打开橡胶塞，往氢气管中伸人燃着的木条，听到尖锐的爆鸣声，则氢气爆炸;②密闭电火花引爆：利用氢气管顶部的两根金属丝，采用改造后的脉冲点火装置，直接引爆氢气管内的混合气体，使混合气体爆炸，如图2所示。通过本实验，巧妙地以爆炸的方式说明氢气能剧烈燃烧产生水，使“合法”证明水的组成更有趣味。

四、新型电解水装置的创新与优点

与传统的霍夫曼水电解器相比，该新型电解水装置的创新与优点如下：

（1）加大底座，降低两管的高度，使重心降低，更稳固，消除安全隐患;

（2）采用5%的氢氧化钠溶液作为电解质溶液，以镍合金作为电极材料，电解速率变快;

（3）在氢气管和氧气管间设置了刻度板，可以更直观观察两极管中的气体体积比。利用橡胶塞封闭两极管，贮存电解过程产生的气体，将燃烧的木条伸人两极管中检验，操作方便且现象很明显;

（4）改用不锈钢针头取代原有装置的玻璃管，规避玻璃管口变形的问题，通过活塞控制氢气流速，实现氢气稳定和持续地燃烧;实现了学生们所喜闻乐见的氢气爆炸试验。

（5）利用本套装置能实现从多元的视角认识水的组成，既可以利用使水分解的“分法”证明，也可利用合成水的“合法”证明，拓展了学生认识物质组成的思维。

五、实践反思

化学实验是中学化学教育的重点与难点，化学实验教学的质量直接影响到化学教育质量的提升和学生的化学核心素养的培养。化学实验教学需要改进，以期很好地体现应有的教育、教学价值，发展学生的实验素养。

（1）将教材实验重新整理、拓展、延伸、整合，实验教学内容由浅入深、由简到繁、再回归实验教学的本源，任务由单一到复杂，难度由易到难，使化学实验成为一个相对独立的教学载体。

（2）根据学生的认知水平和能力大小，将零碎、分散的实验素材进行整合或改进，由点阵式的实验教学体系转变为化学实验新体系。实验教学中积累、整理出典型案例，既相对独立，又能结合与课本素材使用，体现学生学习实际，不仅可以作为教师上课的素材，也可用作课外活动的辅助素材，以激发学生的学习兴趣。

（3）通过对实验装置的改进，教学中融合转化观、微粒观、守恒观。

（4）将实验方法和实验思想渗透在典型的实验案例中，使学生对化学实验的基本知识与基本技能有较全面和系统的了解，对从事科学研究，获取实验素材有较清晰的认识，为高中阶段学习化学奠定基础。

（5）探索提升实验教学有效性的教学策略，逐步实现实验教学内容的呈现方式、学生的学习方式、教师的教学方式、师生互动方式以及评价方式的根本性变革，有效提升学生的科学素养。