电解水实验改进“三部曲”

陈丽娟

电解水实验出自人教版九年级化学上册第四单元《水的组成》。水是学生学习的第一种重要化合物，电解水是初中化学教学中重要的实验。它是学生第一次观察到物质元素的组成，并用微观视角诠释物质元素变化的实验。用常用的实验仪器做实验，实验现象可视化程度低，导致教师借用已有的实验视频代替演示实验，把现象和结论直接教给学生。鉴于此，改进电解水实验十分必要。

一、在常规实验中发现问题

水虽然是学生非常熟悉的物质，但以化学的眼光认识水，对学生来说是陌生的。电解水实验的常用装置是“26002水电解实验器”，该仪器由塑料机身（注水口、贮水盒、合金电极）、玻璃导气管、乳胶连接管等组成。笔者根据这种实验仪器的特点构想的教学思路是：通过水的生成的演示实验和水的分解的分组实验，引导学生掌握水是由氢、氧两种元素组成的，初步感知通过分析反应的产物推断物质组成的思想，了解人类认识物质世界的过程和方法。

课上，笔者首先展示视频资料《擦肩而过的真相》，引入水的话题，接着带学生助手做演示实验，观察氢气燃烧的现象，探究氢气的燃烧条件，明确氢气验纯的操作过程，然后组织学生进行小组合作探究，观察、分析电解水的实验过程，得出水的组成的结论，最后引导学生从微观角度认识水的构成，感知化学变化的概念。课上，师生互动效果好，但10个小组中，只有2个小组的学生把实验做成功了。

如何提高实验的成功率呢？笔者回顾教学过程：在小组合作学习环节，笔者事先按照说明书建议配制了10%的NaOH溶液做电解液，当学生利用“26002水电解实验器”进行探究水的电解实验时，笔者观察到罩住两电极的玻璃管内，气体的收集速率比较快，但其中混有较多氣泡，在检验气体时，管内的气泡随气体迅速上升，即使负极端玻璃管内的气体被点燃了，也会马上被气泡熄灭，而且在正极端玻璃管处，带火星的木条并没有如期复燃。基于此，笔者总结：实验收集到的气体中混有气泡是导致气体检验环节不成功的关键，同时NaOH溶液有腐蚀性，存在一定的安全隐患。由此笔者得出：改变药品溶液至关重要。

二、抓住关键，改变药品溶液

为提高实验成功率，笔者对实验药品溶液及“26002水电解实验器”进行了改进。原实验采用NaOH溶液增强水的导电性，效果不佳。究其原因，有如下几点：当NaOH溶液浓度较低时，电解产生足量的氢气、氧气的时间较长，使人难以观察到理想的实验现象;当NaOH溶液浓度较高时，则会产生较多的泡沫，影响气体的检验，且高浓度的NaOH溶液会严重腐蚀塑料管、乳胶管等实验仪器。

如何改进呢？笔者查阅相关文献资料并深入研究后，发现Na2SO4溶液可以满足实验要求，且其酸碱度呈中性，更加安全可靠，于是笔者决定改用Na2SO4溶液做电解水实验的电解液。但是，Na2SO4溶液的最佳实验浓度尚无具体数据可以参考。笔者在实验室通过多次对比实验，发现采用饱和的Na2SO4溶液进行电解水实验效果最佳。同时，当电压为16V时，收集18mL的H2约需5～6分钟，反应速率比较快，能节约反应时间。

教学时，笔者用饱和的Na2SO4溶液做水的电解实验药品，大约2～3分钟就可以得到10mL的H2、5mL的O2。为了提升实验效率，笔者将原仪器中的塑料管改为乳胶管，这样能够较快地将液体药品装满仪器。经过尝试，10个实验小组中，有6个小组实验成功。学生收集到的气体没有大量泡沫，氢气易被点燃，氧气能使带火星的木条复燃，实验的可视化程度显著提高。

课后，学生在整理实验仪器时发现正极金属电极因为被氧化而变细了，同时还存在乳胶管老化、塑料材料开裂导致电解液渗漏等问题。这批实验仪器大多只能被淘汰。

三、再度创新，更换电极材料

电极变细导致实验仪器报废的问题让笔者难以释怀。怎样进一步改进实验装置，找到能避免因氧化而变细的电极替代材料呢？

笔者查阅资料发现，为了改进电解水实验仪器而选用的电极材料主要有石墨棒、保险丝、镀铬曲别针、铜片等。经过分析，笔者认为，石墨棒虽是很好的惰性电极，但其质地疏松、空隙较大，对气体的吸附作用强，会导致逸出气体的速率过慢，另外，若制取过程处理不当，对环境的污染也较大;镀铬曲别针表面积太小，电解速率慢，且其镀铬层在装置安装和拆卸的过程中，很容易因为受到扭动而破损，导致铁芯裸露;铜丝做电极，电解时易被产生的氧气氧化，影响氧气的生成量。一一排除上述材料后，笔者想到优质电极材料——铂金，但昂贵的价格让人望而却步。最后，笔者选用了铅锑合金的保险丝作为替代材料，因为它不仅能克服上述材料的不足，而且方便易得，是相对理想的实验材料。

如何用改进后的材料制作出理想的实验仪器呢？笔者发现生活中的透明大饮料瓶非常适合做水电解器的主体结构，于是，笔者取一个饮料瓶，把它从腰部剪开，一半做电解器，一半做固定底座，并在底座两侧各开一个小孔，以便于导线与电极相连。然后，笔者选取一个大小与饮料瓶口相当的橡皮塞，在上面打两个小孔，孔间距约1cm，用铅锑合金的保险丝穿过小孔，再取8cm长，将其回折做成电极，余下部分弯曲起来，将橡皮塞塞入瓶口后，再用蜡把空隙封住。为了方便观察正、负极收集到的气体体积，笔者选用了带刻度的试管，并自制一个卡板，将试管固定并倒扣在电极上。

改进后的装置取材方便，制作工艺简单，便于操作。该装置与“26002水电解实验器”相比，可视化程度大大提高，尤其是检验气体时，实验现象明显。同时，笔者改变了收集、检验气体的方法。教学时，笔者引导学生把带刻度的试管装满Na2SO4溶液，用拇指堵住管口，将它倒立在电解器中，罩在电极上，当收集到足量的气体后，再在液面下堵住管口并移出液面，然后分别对正、负两极的气体进行检验。学生在与教师一起制作装置并进行实验的过程中，体验到实验探究的乐趣，提升了创新能力。

（作者单位：汉川市城关中学）