电解实验装置的改进

车耀 吴军 叶继东 刘小玲

摘 要：对教材上的电解实验和已有的电解实验改进案例进行分析，利用塑料板等易得材料对电解装置进行改进，设计出的改进装置携带更方便、操作更简单、耗时更短，适合学生在课堂上做分组实验，能更好地服务课堂教学。改进后的实验装置便于更换电极和电解液，用一个装置可以完成多个电化学实验。

关键词：电解装置；装置改进；实验探究

1  问题的提出

《普通高中化学课程标准（2017年版2020修订）》对教学提出实施建议：“条件有限的学校，可采取教师演示实验或利用替代品进行实验，鼓励实验的绿色化设计”，“充分认识化学实验的独特价值，精心设计实验探究活动”，“引导学生通过实验探究活动学习化学”。实验及探究活动建议为：“电解氯化铜溶液，电解饱和食盐水，简单的电镀实验”[1]。其精辟的论述理所当然地成为我们实验创新的理论依据和教学质量的衡量标准。

在人教版[2]、苏教版[3]高中化学教材中，均有电解CuCl2溶液的演示实验，鲁科版[4]高中化学教材在课后习题中呈现电解氯化铜溶液的装置图。三套高中化学教材中电解CuCl2溶液的装置结构相似，图1中从左到右分别是人教版、苏教版、鲁科版电解氯化铜溶液的装置图，均由U型管插入两根石墨棒作为电极，接直流电源电解CuCl2溶液，用铁架台固定电解装置。虽然教材上的电解装置可以有效地用于演示实验，但存在以下不足：（1）药品用量较大；（2）所选用的仪器组装后体积较大，不方便携带；（3）电解耗时比较长。因此，有必要作深入探进。

2  对已有实验改进案例的述评

针对教材电解装置的不足之处，众多化学教学工作者对电解装置进行了改进，优化了实验方案。在知网数据库中，查阅了近十年的电解原理实验文献，分析已有的电解实验改進案例，有的避免了有害气体的逸出[5～7]，但药品用量大，利用率不高；有的实现了微型化[8～11]，但没有解决实验仪器不方便携带的问题；李颖和廖钫[12]老师改进的装置可以重复使用，但会产生有害气体，影响学生身体健康。研究发现，上述改进装置具有简单化、生活化的特点，但携带不便的问题没有解决。为更好地服务化学课堂教学，我们将上述装置的优点进行整合，进一步改进电解装置，

3  实验装置再改进

在考虑使电解实验装置更简单、现象更明显、节约更环保、安全更可靠的同时，我们还考虑提高药品利用效率，考虑化学实验更好地服务于课堂教学，考虑是否便于课堂教学中实施。综合以上需求，对电解装置进行了如下改进。

3.1 实验的材料

取规格长150 mm、宽75 mm、厚5 mm的白色塑料板（白色便于观察实验现象，塑料板长宽可根据需求调整，没有白色塑料板也可以用木工板等代替），12V、23A小电池（含电池盒），电源开关，导线，螺旋铜丝，标签贴纸等。

3.2 装置的制作

改进后的电解装置原理及实物如图2所示，其制作过程如下：

取规格150 mm、宽75 mm、厚5 mm的白色塑料板，在中心位置的左右间隔30 mm、上下错开10 mm处开两个小孔，固定两根螺旋铜丝，用于连接电极和导线。

（2）在塑料板其中一端固定一个12V、23A的小型电池的电池盒，电池盒旁边开一个小孔以固定开关并引出导线，用透明胶带或胶水固定。

（3）在两个电极之间放置pH试纸或滤纸条，作为电解液的载体，代替U型管。

（4）在螺旋状铜丝中插入铅笔芯或其他的导体做电极（根据实验目的更换电极材料）。导线通过塑料板底面与电源相连，若需美观，可以在底面做出线槽安装导线。

3.3  装置的使用

3.3.1 实验器材及药品：

（1）改进电解装置一套、学生用电流表及导线（带鳄鱼夹）、淀粉-KI试纸、pH试纸、滤纸。

（2）电解质溶液：0.1 mol/LNaCl溶液、0.1 mol/LCuSO4溶液、0.1 mol/LCuCl2溶液、0.1 mol/LNa2SO4溶液。

（3）电极材料：石墨棒、铜丝、粗铜丝、铁丝（回形针）。

3.3.2 电解CuCl2溶液

在两根螺旋铜丝处分别插入石墨电极，用滤纸代替U形管，向滤纸上滴1～2滴氯化铜溶液。打开电源开关，可观察到阳极附近有气泡产生，用湿润的淀粉碘化钾试纸靠近，试纸变蓝，并可闻到有刺激性气味的气体产生，证明电解池阳极发生氧化反应产生Cl2；1分钟后翻转阴极石墨电极，观察到石墨电极上有红色物质（Cu）析出（如图3），说明有铜生成。

阴极：Cu2+ + 2e- = Cu

阳极：2Cl--2e- = Cl2↑

3.3.3 电解NaCl溶液

在两根螺旋铜丝处分别插入石墨电极，用pH试纸代替U形管，向pH试纸上滴1～2滴NaCl溶液。打开电源开关，可观察到两极都有气泡产生。阳极pH试纸变红，20秒之后用湿润的淀粉碘化钾试纸靠近，试纸变蓝，并可闻到有刺激性气味的气体（Cl2）产生；阴极pH试纸变蓝，证明有碱性物质（NaOH）生成。一段时间后，观察到阳极附近pH试纸红色褪去（产生HClO，体现漂白性）（如图4）。

阳极：2Cl--2e- = Cl2↑

阴极：2H2O + 2e- = H2↑ + 2OH-

3.3.4 电镀铜实验

在阳极螺旋铜丝处插入纯铜丝做电极，阴极螺旋铜丝处连接回形针（铁制）。在两电极间滤纸条上滴两滴硫酸铜溶液，并打开电源开关，1分钟之后翻转回形针，观察到回形针表面附着一层红色物质（如图5）。

阳极：Cu-2e- =Cu2+

阴极：Cu2+ + 2e- = Cu

3.3.5 演示燃料电池

在两根螺旋铜丝处分别插入石墨电极，电极间放置一片pH试纸，向pH试纸上滴加硫酸钠溶液。打开电源开关，观察到两极上均有气泡产生，根据pH试纸颜色变化情况，分析得出两极分别产生H2和O2。断开电解装置的开关后，迅速用带鳄鱼夹的导线连接电流表的两个电极，发现电流表指针发生大幅度偏转（如图6），然后电流逐渐变小。该实验装置成功利用两极产生的H2、O2模拟燃料电池。

阳极：2H2O-4e- = O2↑ + 4H+

阴极：4H2O + 4e- = 2H2↑ + 4OH-

3.4 装置的优点

3.4.1 制作材料易得

在电解实验的改进装置中用到的白色塑料板、电池（含电池盒）、电源开关、导线、螺旋铜丝等，都容易得到，且不受条件限制，能为条件有限的学校开展实验教学提供便利，提高学生实验开出率。可以让学生自己寻找相关材料、购买电池自制电解装置，教师只需提供电解液就可以在新授课中完成探究活动，利于培养学生的动手能力与创新精神。

3.4.2 一套裝置 多个实验

改进后的装置便于更换电极和电解液，用一个装置可以完成多个电化学实验。在实验过程中，学生通过利用自制电解装置或者老师提供的电解装置（往届学生制作的精品），自主更换电极材料和实验药品，观察在同一电解液条件下，选择不同的电极材料，其电极产物发生的变化；或观察在同一电极材料条件下，选择不同电解液，其电极产物发生的变化。学生通过实验探究活动，既加深了对电解原理的理解，突破了电解原理应用的难点；同时，也强化了学生控制实验条件的意识，培养了学生的实验探究能力。

3.4.3 携带方便 操作简单

电解实验的改进装置体积小，方便携带；便于更换电极、试纸和电解液，操作简单；电路短，电阻较小，十秒左右产生明显现象。改进后的电解实验特别适合在课堂上做学生分组实验，可以更好地服务于课堂教学。该改进装置被很好地运用到实际课堂教学中，参选课例成为全国中小学实验精品课；《一种微型电解实验装置》取得了国家实用新型专利，这些成果正是对我们不断追求改进创新的肯定和鼓励。

参考文献：

[1] 中华人民共和国教育部制定.普通高中化学课程标准（2017年版2020年修订）[S].北京：人民教育出版社，2020：29，72～73.

[2] 王晶，郑长龙主编.普通高中化学教科书·化学（选择性必修）第一册[M].北京：人民教育出版社，2019：104.

[3] 王祖浩主编.普通高中化学教科书·化学（选择性必修）第一册[M].江苏：凤凰教育出版社，2021：24.

[4] 王磊，陈光巨主编.普通高中化学教科书·化学（选择性必修）第一册[M].北京：人民教育出版社，2019：28.

[5] 吴小辉，伍俊文.电解氯化铜溶液装置的改进与思考[J].化学教学，2018，（10）：72～74.

[6] 李楠，罗兵，唐其生.电解饱和食盐水实验装置的新设计[J].化学教学，2019，（4）：66～69.

[7] 魏崇启.电解氯化铜溶液实验改进[J].化学教与学，2012，（7）：97.

[8] 陈秀娟.电解池装置微型化改进及教学探究[J].化学教与学，2019，（12）：90～92.

[9] 邹雪连，张邱.电解氯化铜溶液微型化实验改进[J].中学化学教学参考，2016，（6）：53.

[10] 张瑞超，卓颖，沈卫所，郑迅红.电解氯化铜溶液实验的改进[J].实验教学与仪器，2016，（5）：29～30.

[11] 黄程，邵志新.输液皮条在电解实验改进装置中的应用[J].化学教育，2015，（9）：56～57.

[12] 李颖，廖钫.电解氯化铜溶液实验的改进[J].中学化学教学参考，2017，（10）：61～61.