电解水实验装置的小型化改进

摘要： 对中学化学教科书上编排的“水在直流电作用下的变化”实验进行了改进。利用方形电池、注射器、燕尾夹、一次性塑料杯、图钉、铁架台等常规实验仪器及生活用品设计实验新装置。新装置具有制作简单、反应可控、现象直观、小型化等优点。

关键词： 电解水； 小型化装置； 实验改进

文章编号： 1005-6629（2024）06-0077-03 中图分类号： G633．8 文献标识码： B

1 问题的提出

在鲁教版（2012）九年级《化学》（上册）教材中，电解水实验所用仪器主要有两种［1］，一种是霍夫曼水电解器（如图1所示），其优点是，可以准确测定产生气体的体积比，氢气可以直接在尖嘴处被点燃，避免实验者直接接触电解液等［2］。但也存在以下缺点，造价略高，玻璃材质易损坏，消耗的电解液较多，电解液对电极装置具有腐蚀性等。

另一种是简易的电解水装置（如图2所示），其装置简单，实验室中即可以完成组装。但存在以下弊端，检验气体时操作麻烦，需将试管取出水面，为增强水的导电性通常会加入一些电解质，这就使溶液具有腐蚀性，致使学生在分组实验操作时不够安全，检验氢气时，无法观察到氢气燃烧的现象等。

为解决以上问题，一些教师对电解水装置作了改进。如陈颖［3］用纯镍丝作为电极材料，降低了电极的成本，用注射器对双玻璃管进行取气，操作方便可行，但玻璃制品极易损坏。郭晓丽［4］将电解和检验操作分开进行，还利用氢氧燃料电池的原理推动小风扇转动，设想虽好，但一个人很难组装完成。除此之外，还有部分教师从电催化剂［5］、电解水的实验条件［6］等多个角度展开电解水实验的探究。

综合上述改进装置的分析，并基于装置安全、易操作、成本低等原则［7］，笔者经多次实践探索对本实验的装置、电极材料、电解液、电压等进行了相应的改进和取舍，取得了较好的实验效果。

2 实验部分

2.1 电解水实验的原理

利用电流的化学效应，将水分子分解成氢气和氧气，这个过程需要能量的输入。在水中存在氢离子和氢氧根离子，在通直流电的情况下，氢离子向负极移动，而氢氧根离子向正极移动，氢离子得负极的电子而变成氢气，氢氧根离子在水的参与下失去电子而得到氧气。

2.2 实验用品

（1） 设备：9V方形电池。

（2） 材料：5mL注射器针筒（2个）、10mL注射器（3个）、得力S760中性笔替芯黑胶帽（2个）、25mm燕尾夹（2个）、一次性中厚款塑料杯子（容量200mL）、图钉（2个）、棒香、小木条、铁架台、酒精灯。

（3） 试剂：蒸馏水、氢氧化钠溶液（10%）。

2.3 实验装置的制作

利用生活中易得的材料，设计并制作如图3所示的微型电解水装置。

制作过程分为以下环节：

（1） 在塑料杯底部扎入两枚金属图钉，两枚图钉间距与9V方形电池正负极间距一致（图钉扎入塑料杯时确保一次性扎到位，不可多次反复，以免漏液）。

（2） 将注射器内的活塞抽出，用中性笔替芯黑胶帽用力按压套到5毫升注射器针筒乳头顶端。

（3） 将5毫升注射器针筒倒扣在图钉上，用金属燕尾夹固定。

（4） 配制好10%的氢氧化钠溶液20毫升。

（5） 调节铁架台上铁圈的位置，使其高度在电池上方，以保证其能稳定住塑料杯子。

3 实验内容

3.1 优选实验条件

3.1.1 对电解液的选用

加入电解质可增强水的导电性，在一定范围内，电解液的浓度越大，导电能力越强［8］，以氢氧化钠为例，表1是在9V移动电源下用氢氧化钠溶液作为电解液的相关数据。

在相同电压下，实验所用时间是衡量实验成功与否的重要指标，如果时间过长，学生会出现观察疲劳，如果时间过短，则来不及观察气泡的产生实验就已经结束。氢氧化钠的质量分数为20%时导电率最大，导电能力最强，但溶液越浓，腐蚀性也越强，结合实际，选用10%左右的氢氧化钠溶液即可。

3.1.2 对电压的选择

为研究电压对电解水实验产生气体速度的影响，采用电解液为10%的氢氧化钠溶液，以产生4mL氢气为即时时段（见表2）。

分析数据可知，电压过低，气体收集时间过长，导致无法在课内完成实验，随着电压增大，消耗时间逐渐缩短［9］，但时间过短，学生来不及观察电极现象，且电压过高也具有一定危险性。综合分析，选择9V的电压较为理想。

3.1.3 对电极材料的选取

查阅大量资料，不锈钢材料的导电性能较好，且对实验数据的影响较小［10］。因此，确定从生活中的不锈钢制品中挑选电极材料，最终确定以金属图钉作为电极。

基于以上分析，电解水实验的较优条件为：电解液为10%的氢氧化钠溶液，电源采用9V的方形电池，用金属图钉作为电极，实验效果最佳。

3.2 实验步骤及现象

（1） 向塑料杯中加入20毫升10%的氢氧化钠溶液，用10毫升带针头的注射器抽取小注射器内的空气，可观察到小注射器内的液面不断上升直至管内的空气排尽（见图4）。

（2） 将整套装置放于铁圈上，调整电池的位置，使电池正负极和两枚图钉对齐。

（3） 观察实验现象，及时记录实验数据。

观察到与电源正极接触的图钉上产生气泡的速率较慢，与电源负极接触的图钉产生气泡的速率较快，通过对记录数据的分析可说明正极和负极产生的气体体积比为1∶2。

（4） 移走电池，检验电极产物。

用10毫升的注射器抽取正极产生的气体（注意不要将针头插到液面以下，以免电解液进入注射器），用带火星的棒香检验，缓慢推动注射器活塞，观察到棒香复燃，说明是氧气。

用另一支10毫升的注射器抽取负极产生的气体（注意不要将针头插到液面以下，以免电解液进入注射器），用燃着的细木条检验，缓慢推动注射器活塞，观察到气体被点燃，火焰呈淡蓝色，用冷而干燥的烧杯罩在火焰上方，发现有水雾，说明是氢气。

（5） 将电解液倒入废液缸，整理实验仪器。

4 结语

（1） 实验成本低。改进实验所需材料均为易获用品且价格低廉。节约了装备资源、降低了实验成本。

（2） 可用于学生分组实验，培养学生的实验操作能力。制作过程简单，整套实验装置安全可靠。

（3） 电解液低消耗可循环使用。

（4） 实验装置微型小巧美观，现象明显，趣味性强。

参考文献：

［1］中华人民共和国教育部. 义务教育课程方案（2022年版）［M］. 北京： 北京师范大学出版社， 2022.

［2］杨邵武. 霍夫曼水电解器的嬗变［J］. 化学教学， 2006， （6）： 10～11.

［3］陈颖， 薛志明， 吴民生. 学生实践活动“水的组成探究”实验设计［J］. 化学教学， 2023， （8）： 70～72， 96.

［4］郭晓丽， 李淑芳， 魏锐. 一种小型电解水装置的设计［J］. 化学教育， 2018， （1）： 66～69.

［5］武兰兰， 刘桂华， 杜晓航. NiP/FF双功能电催化剂的制备及电解水性能研究综合教学实验设计［J］. 广州化工， 2023， 51（6）： 232～235.

［6］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.

［7］陈丽娟. 电解水实验改进三部曲［J］. 湖北教育， 2021， （11）： 8～9.

［8］［10］曾文忠. 电解水实验探究［J］. 考试周刊， 2020， （21）： 131～132.

［9］张晓， 崔建花， 侯玉翠等. 利用生活材料自制简易电解水实验装置［J］. 实验教学与仪器， 2023， 40（3）： 75～78.

*2023年山东省中小学实验教学说课的成果（课题编号：202309259）；山东省教学研究课题“学困生转化策略研究”（课题编号：2015YB0355）研究成果之一。