学生实践活动“水的组成探究”实验设计

陈颖　薛志明　吴民生

摘要： 通过验证电解水的产物可以推知水的组成。在剖析现行使用的多个电解水实验装置后，从学生自主探究实验的视角讨论了电解水实验的六个要素，设计出用于“学生必做实验或实践活动”的“水的组成探究”的实验装置和实验步骤，有利于发展学生的科学探究与实践素养。

关键词： 水的组成探究； 电解水； 学生实践活动； 实验设计

文章编号： 10056629（2023）08007004中图分类号： G633.8文献标识码： B

《义务教育化学课程标准（2022年版）》要求“初步学习利用物质的性质和化学反应探究物质组成的基本思路与方法”“认识水的组成”，并将“水的组成及变化的探究”列为学生必做实验或实践活动。我国多个版本的九年级化学教科书中，认识水的组成的学习一般安排在学年的中段，此时学生知道的物质种类和化学反应并不多，探究水的组成都借助电解水的实验予以实现。我们重新设计了电解水的实验，适合学生以自主探究实践活动的方式认识水的组成。

1 现行使用的电解水实验装置

电解水的经典装置是霍夫曼水电解器［1］，如图1所示。该装置利用高位水准管中的水压，将生成的气体从尖嘴排出。其优点是仪器集成度高，装配和使用方便。该装置属于较精致的仪器，配有专用铂电极，购置成本较高；左右两玻璃管之间依靠下部的三通管固定连接，较易损坏。因此此装置用于学生实验不太现实。

图2［2］是简易装置，使用中学常规仪器组装而成。从装置和操作视角考虑明显存在两个问题：一是导线与电极的焊接处浸泡在电解液中，存在漏电等隐患；二是部分操作要在液面下进行，皮肤不可避免地会与电解液接触，必须有周全的防护措施。

吕东才［3］（图3）、李娜娜［4］（图4）等研究者用矿泉水瓶或罐头瓶做容器，导线从下方橡皮塞处引出，解决了导线浸泡在溶液中的问题。但图3没有解决皮肤与溶液接触的问题；图4给出的氢气检验操作不合理（取下右侧注射器针头处的泡沫块，在针头处点火）。

张婉佳［5］（图5）、钱莉［6］（图6）等研究者使用注射器辅助实验，导线在装置上部连接电极。图5用玻璃管密封导线（需自制）连接金属铂作电极，图6直接用注射器活塞固定电极、选用强碱溶液作电解液等都不宜用在学生实验中。

还有研究者开发出非常规的定制仪器用于电解水的实验，因其教学功能不足，不在这里讨论。

2 学生自主探究用电解水实验要素归纳

电解水实验包含电源、电极、电解液、容器、实验条件及操作设计等六大要素，用作学生自主探究水组成的电解水实验需要从实验的育人价值、可探究性、高安全性、易操作性、高成功率和可行性等方面重新审视这六大要素。

2.1 用电安全

直流稳压电源。一种将220V交流電转换为低压直流电的仪器，多数产品有过载保护和多级电压选择。实验中需要学生将电源插头插入插座取用220V交流电，存在一定的安全风险。

干电池。常规一次性化学电池由于电压低、电容量小，不建议选用。市售二次电池电压较高的是9V的方形锂电池，电容量相对比较大，能满足本实验的要求。

太阳能发电板。太阳能发电板绿色环保，其教育价值能充分发挥，经济价值和可持续发展理念也能充分体现。但对光照强度有要求，一般晴天时室内散光条件下36V的发电板即能正常产生所需电量，若阴雨天等光照不好的条件下，发电量不足，不能保证实验的成功率。

2.2 电极选择

铂电极。金属铂化学性质稳定，是理想的惰性电极材料。铂属于贵重金属，价格偏高，难以普及应用于学生实验中。

石墨电极。纯石墨电极安全可靠，但在电解水实验中，存在电解电压偏高、吸附气体、与生成的氧气反应［7］、电解过程中有石墨脱落等不足，致使石墨用作电极时对实验会产生一定的干扰。

镀镍铁丝（或电阻丝）。在碱性电解液中实验效果更好，在酸性和中性电解液中表现不佳［8］。

工业上镍基电极的研究和使用较多，镍具有高度的抗腐蚀性，对强酸和强碱稳定，不与硝酸等氧化剂溶液反应，与铂、钯等金属一样（都位于周期表Ⅷ族第3列）有良好的电化学性能［9］。镍虽不是常见金属，但工业应用比较普遍，直径为1mm长1m的纯镍丝市售价格小于15元人民币，选择纯镍作电极是可行且经济的选择。

2.3 优化导电介质

为增强导电性，需在水中加入电解质，一般选择硫酸或氢氧化钠，其浓度分别为1∶10和10%［10］时电解效率较高。硫酸钠等盐类物质的电解效率不高、浓度要求较大，在课堂实验中一般不选择。这些研究的前提是在3分钟内收集到不小于10mL的氢气。作为学生自主探究实验，至少有15～20分钟左右的充裕时间，硫酸钠溶液电解效率低的问题得以弥补；同时强酸、强碱溶液因其强腐蚀性，在本实验中应尽量避免使用。硫酸钠的价格比硫酸和氢氧化钠要低，且硫酸钠在20℃时溶解度为19.5g，使用其浓溶液甚至饱和溶液作电解液从经济性、安全性和可行性方面考虑都能实现。

2.4 取气方便

电解池容器用于盛放电解液和聚集气体，其中聚集气体的容器一般采用直立双玻璃管的设计，不同之处是玻璃管上端是否封闭：上端完全封闭的如倒置的试管等；上端有旋塞开关的如霍夫曼水电解器等。前者取用气体不便，后者用高位水槽（水准管）辅助取用气体。

2.5 提高电解效率

本实验的主要控制条件有电压、电极距离（两电极在溶液中电流流经的最短距离）、电流密度（单位时间内通过单位面积的电量）等。理论上电压越高、电极距离越短、电流密度越大电解效率越高；学生实验必须使用安全电压；在中学化学实验室条件下提高电流密度较难实现，且电流密度越大，用电安全风险越高；可以尽量通过在安全电压范围内提升电压（低于36V）和缩短两电极间的距离来保证电解效率。

2.6 操作安全

除组装仪器、气密性检查和连接导线通电等操作外，氢气和氧气的收集、检验是本实验的重点。

氢气的收集和检验方案。氢气的验证主要有：方案①点燃纯净气体；方案②小试管收集点火爆鸣；方案③鼓气泡点火爆炸等三种。

从操作视角分析：将氢气转移至注射器中再排出点燃，气体流速易于控制；收集在小试管中点火爆鸣会因学生的畏惧心理致使动作变形；鼓气泡点火爆炸操作比较容易，趣味性强。

从认知视角分析：方案①能观察到有水生成，更易确认被点燃气体的成分是氢气，为分析水的组成提供直接证据；方案②和③都不能直接证明有水生成，难以将实验结果与水中含有氢元素直接建立联系。

所以检验氢气用方案①比较合理。而氧气一般用带火星木条检验。

3 适合学生操作的电解水实验设计

3.1 实验装置设计

综合多种因素，设计了适合学生探究水组成的电解水实验装置（见图7），实验设计说明如下：

（1） 双玻璃管设计。在综合分析多个电解水装置后，我们采用双玻璃管紧密排列（用橡皮筋捆绑）的设计，尽可能地缩短电极间距。玻璃管下端伸入溶液中，上端配发泡硅胶试管塞（简称硅胶塞，是橡皮塞的升级换代产品），起密封和固定电极的作用。硅胶塞小端中空，大端封闭（见图8），其最薄处能被较细的玻璃导管或铁丝等刺穿且不会出现漏气等现象。

（2） 取气方式设计。普通注射针头较难插进橡皮塞中，且插入后针管易被橡胶小颗粒堵塞。硅胶经发泡处理后质地较软，不堵塞针管，用注射器针头直接插入硅胶塞内中空处即可抽取气体，仪器装配和操作更加简捷。

（3） 电极和给电方式设计。考虑到学生实验的安全性，我们采用上部接线方式，电源采用9V二次锂电池或36V太阳能发电板供电。电极用纯镍丝直接固定于硅胶塞上。

（4） 氢气和氧气检验方法设计。

①正极气体检验。将注射器插入正极硅胶塞，抽取气体，用排水法转移至小试管中，将带火星的木条伸入小试管中，观察现象。

②负极气体检验。将注射器插入负极硅胶塞，抽取气体，将针头靠近酒精灯火焰，缓缓地推动注射器活塞，燃着后用干燥的小烧杯罩在火焰上，观察实验现象。

3.2 实验用品

仪器：烧杯、玻璃管、发泡硅胶试管塞、9V锂电池、导线（带鳄鱼夹）、铁架台（带铁夹）、注射器（带针头）、镍丝、水槽、酒精灯、小试管、木条等

试剂：接近饱和的硫酸钠溶液

3.3 实验过程

（1） 在铁架台上放上烧杯，用橡皮筋捆绑住两支玻璃管，用铁夹固定立于烧杯中，如图7所示。取一根长约25cm的直镍丝，将其一端在玻璃棒上卷4～5圈做成螺旋状，另一端从硅胶塞小端中空处伸入插进硅胶塞，从大端穿出。将硅胶塞塞进玻璃管上端，调整镍丝高度，使螺旋部分位于玻璃管正中并与玻璃管下端齐平或伸出玻璃管不超过5mm。

（2） 向烧杯中加入约150mL硫酸钠溶液，取带针头的注射器从硅胶塞上部离电极3～5mm处斜向插入，针头刚好插至硅胶塞中空处，见图8。抽拉注射器活塞至刚好有溶液吸进注射器为止，取下注射器，静置一段时间，确保玻璃管内液面不下降。

（3） 将两根导线上的鳄鱼夹分别夹在电源正负极和两根镍电极上，接通电源，观察实验现象。

（4） 当收集到一定量气体后，停止通电，取下鳄鱼夹。用注射器抽取两玻璃管中的气体，分别检验。

4 结语

重新设计的电解水实验装置，在烧杯中加入硫酸钠浓溶液，用下端浸在溶液中的玻璃管聚集气体，纯镍丝做电极固定于发泡硅膠试管塞上，选择9V可充电方形锂电池或36V太阳能发电板做电源，用注射器直接插入硅胶塞中抽除空气或抽取生成的气体，用常规方法检验电解生成的氢气和氧气。该设计仪器装配、实验操作、安全系数等都符合九年级学生的认知水平和安全要求，能满足义务教育课程标准要求的学生自主探究水的组成的需要，有利于发展学生“科学探究与实践”素养。

参考文献：

［1］伍秀兰， 刘怀乐. 该对霍夫曼水电解器说“不”［J］. 中学化学教学参考， 2013， （5）： 42～44.

［2］解树生. 电解水实验探析［J］. 化学教与学， 2012， （3）： 94～96.

［3］吕东才. 自制微型水电解器［J］. 化学教与学， 2010， （3）： 70，28.

［4］李娜娜. 水电解器创新设计研究［J］. 教育与装备研究， 2020， 36（6）： 34～37.

［5］张婉佳， 杜东双， 李燕红. 电解水演示实验的探究［J］. 化学教育， 2011， 32（7）： 54～56，61，63，76.

［6］钱莉， 丁伟. 电解水实验的创新装置［J］. 教育与装备研究， 2019， 35（8）： 23～26.

［7］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.

［8］龙威. 非铂电极电解水实验的探究［J］. 教学月刊（中学版）， 2010， （6）： 55～56.

［9］杨丽君， 毛媛媛， 杨丽维. 电解水实验条件探究［J］. 玉溪师范学院学报， 2022， 38（3）： 120～123.

［10］姜跟华. 电解水实验的再改进［J］. 化学教学， 2023， （3）： 73～75.

*上海市教育科学研究项目“以化学实验实现核心素养4S进阶的构建与应用研究”（编号：C2023245）阶段性研究成果。