任有良+張國春+陳助國

摘要：設(shè)計(jì)了一種簡易水電解器。電解槽由一只廢棄的扁形透明塑料鹽水瓶改制，即切割去鹽水瓶的底部使之成為一個(gè)橢圓形圓孔的容器。用兩根廢棄的相同規(guī)格的不銹鋼注射器針頭作電極，用經(jīng)過特殊處理的兩支規(guī)格為20 mL的廢塑料注射器作量氣和集氣的容器。該電解器裝配簡單，操作簡便，形體美觀，成本低廉，且電解速度較快，收集20 mL氫氣，僅需要2～4分鐘。

關(guān)鍵詞：簡易水電解器；水的電解實(shí)驗(yàn)；實(shí)驗(yàn)改進(jìn)

文章編號：1005–6629（2014）6–0045–03 中圖分類號：G633.8 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B

水的電解實(shí)驗(yàn)是現(xiàn)行中學(xué)化學(xué)課本中一個(gè)重要的啟蒙實(shí)驗(yàn)。通過水的電解實(shí)驗(yàn)及對實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的觀察、分析和討論，說明水是由氫、氧兩種元素組成的。做好該實(shí)驗(yàn)，對于培養(yǎng)學(xué)生學(xué)習(xí)化學(xué)興趣，形成正確的分子、原子等概念，并主動參與實(shí)驗(yàn)探究至關(guān)重要。而實(shí)驗(yàn)室電解水的常用裝置是“霍夫曼電解器”，用它電解水所得的氫氣和氧氣的體積比為2：1，用以證明水的組成是較理想的。但在使用中發(fā)現(xiàn)有以下缺點(diǎn)：（1）裝置中兩電極的距離較大且聯(lián)通面積小，電解的時(shí)間較長；（2）實(shí)驗(yàn)時(shí)由長頸漏斗注水，造成裝置重心偏高不穩(wěn)定，且需自選儀器如沉重的鐵架臺、滴定臺等固定；（3）H2的檢驗(yàn)不方便、現(xiàn)象不明顯，且無法完成新教材[1]中的氫氣純度的檢驗(yàn)實(shí)驗(yàn)；（4）裝置成本高，且極易損壞（常易損壞的部位為兩支玻璃管上端的活塞部分和下端相連通的部位）。筆者利用醫(yī)用廢品制作的簡易水電解器則可克服上述不足，現(xiàn)介紹其裝配及使用方法。

1 裝配

1.1 材料用品

廢棄的扁形塑料鹽水瓶（容量為100 mL）一只；廢塑料注射器（規(guī)格為20 mL）2支；廢棄的中號注射器針頭2支；長約30cm的普通導(dǎo)線（一根為紅色，另一根為其他顏色）2根；廢鐵皮或銅皮1塊；強(qiáng)力萬能膠、302膠等。

1.2 制作方法

1.2.1 制作電解槽

（1）瓶底挖孔：取一只廢棄的100 mL的短頸扁形塑料鹽水瓶（如安徽雙鶴藥業(yè)有限責(zé)任公司生產(chǎn)的鹽水或糖水瓶），如圖1所示。用一根燒紅的鐵絲端頭將瓶底部中心的橢圓形凹槽沿著其邊沿?zé)畹艏闯伞?/p>

（2）將瓶底挖孔的鹽水瓶洗滌干凈；把兩根事先選好的相同規(guī)格的中號不銹鋼注射器針頭（其尾部的塑料套管需用刀子削去）垂直插入瓶口膠塞中（間距1.2～1.3 cm，即膠塞頂面上的虛線圓環(huán)的直徑），然后在其端頭連接兩根長約30 cm的導(dǎo)線（其中一根外皮為紅顏色），如圖2所示，并用302膠固定和粘封針頭底端口。

1.2.2 改造量氣和集氣的注射器

（1）如圖3所示，取兩支洗凈的規(guī)格為20 mL的廢塑料注射器。將端頭燒熱的一根玻璃管（管徑7～8 mm）分別從其小乳頭處垂直插入，以燒烙成一個(gè)平滑的圓孔。

（2）選取比注射器管徑稍大的兩塊金屬銅皮（或薄鐵皮），用打孔器在其邊上分別打一個(gè)圓孔（孔徑為7～8 mm），再分別用強(qiáng)力萬能膠孔對孔粘接在上述的兩支塑料注射器的端頭上。待萬能膠干結(jié)后，用剪刀將多出注射器端頭面外的金屬皮剪掉，修圓滑，如圖4所示。

1.2.3 裝配雙管注射式水電解器

將兩支改造好的塑料注射器分別插入用塑料鹽水瓶制作的電解槽中，扣在兩根電極上，如圖5所示，即裝配成了一只雙管注射式水電解器。

2 使用方法及步驟

（1）將塑料電解槽豎直地置于一只無色透明的廣口瓶上。

（2）將電解槽的紅導(dǎo)線接到低壓學(xué)生電源的直流輸出端的紅接線柱上，另一根導(dǎo)線接到其黑接線柱上。

（3）向槽中注入約100 mL 5% NaOH溶液；將兩支改造好的廢塑料注射器分別從槽內(nèi)抽滿電解液（不留空氣泡）后，再小心地插入電解槽中。

（4）打開電源，調(diào)節(jié)電壓8～12V，即可看到兩支注射器中有大量氣體生成，其中一支注射器氣柱始終大約是另一支注射器中氣柱的兩倍。待氣體多的那支注射器快要集滿氣體（約留1 mL電解液）時(shí)關(guān)閉電源。

（5）輕輕地垂直取出集滿氣體的那支注射器，慢慢地移入盛水的大燒杯或水槽中以洗去注射器壁外的堿液。然后用手指堵住端頭上的圓孔拿出，并豎直向上將圓孔移近酒精燈焰，抬起指頭，可聽到一聲輕微的爆鳴聲，然后快速推動活塞，還可看到圓孔處氣體燃燒的淡藍(lán)色火焰，斷定該管收集的氣體是氫氣。采用同樣的方法，取出另半管氣的那支注射器，將帶火星的細(xì)長木條插入注射器中，可看到木條燃燒起來，確定收集的是氧氣。

3 說明及簡論

（1）因一般注射針頭的長度較短，為3～3.5 cm；故可直接使用的瓶子是頸短的扁形廢塑料鹽水瓶（如安徽雙鶴藥業(yè)有限責(zé)任公司生產(chǎn)的鹽水或糖水瓶）。對于頸長的瓶子，經(jīng)用鋼鋸條將其頸鋸短、另配一個(gè)3號膠塞后，也可使用。

（2）電極要固定使用，即連接紅導(dǎo)線的電極為陽極，要永遠(yuǎn)作為陽極使用。要求使用者一定將其與學(xué)生電源的正極（即紅接線柱）相接。

（3）若在電解液中加入數(shù)滴紅墨水，就可使整個(gè)電解液顯示紅色。管內(nèi)無色的氣體與管外紅色的溶液形成了鮮明的對比，有利于提高實(shí)驗(yàn)的演示效果（即使遠(yuǎn)離講臺的學(xué)生也能清楚地觀察到兩個(gè)氣柱的情形）。也可使用酚酞[2]，但效果不如紅墨水，因酚酞在濃堿液中顯色后會很快褪去，而紅墨水著色后則很穩(wěn)定。

（4）該電解器的電極是不銹鋼針頭，是一種以鐵為主成分，含有一定量鉻、鎳的合金鋼（SUS304）或鉻、鎳、鉬的合金鋼（SUS316）。具有優(yōu)良的耐腐蝕性及不容易生銹的特性。因其耐堿性比耐酸性要強(qiáng)。所以，該電解器使用NaOH或KOH的溶液作為電解液[3～4]較為合適。因?yàn)樵诖朔N條件下進(jìn)行電解，電極的陽極表面能形成難溶的保護(hù)膜。不僅保護(hù)了電極，提高了電極的使用壽命，而且消除了氧氣在電極上的消耗，從而確保了氫、氧體積比為2：1結(jié)論的準(zhǔn)確性。

（5）為了保證兩種氣體的體積比為2：1，在正式實(shí)驗(yàn)之前，還必須將電解液進(jìn)行預(yù)電解處理[5，6]，預(yù)電解時(shí)間以20～30 min為好。一方面讓氧氣和氫氣在電解液中先溶解至飽和，以消除兩種氣體在收集過程中因在溶液中溶解度不同而帶來的偏差，另一方面使電極上吸附的氣體飽和。

（6）檢驗(yàn)氧氣時(shí)，用菊科植物艾的干燥莖桿比一般的木條要好。優(yōu)點(diǎn)有二：一是艾桿點(diǎn)燃以后呈余燼狀態(tài)的火星不易熄滅，遇到純氧時(shí)能劇烈燃燒；二是燃燒以后有天然的芳香味。

（7）檢驗(yàn)氫氣時(shí)，由于氫分子有很大的擴(kuò)散速度，即使管內(nèi)是純氫氣，點(diǎn)燃時(shí)也會發(fā)出輕微的爆鳴聲。應(yīng)該告訴學(xué)生這個(gè)聲音與氫氣混有空氣時(shí)遇火由管內(nèi)發(fā)出來的較尖銳且聲音較大的爆鳴聲是有很明顯的區(qū)別的。隨即做氫氣中含有空氣的爆鳴試驗(yàn)，讓學(xué)生注意體驗(yàn)：在上述驗(yàn)證氫氣的試驗(yàn)時(shí)，一次不要燒完。當(dāng)注射器的活塞推至氫氣大約還剩1/3容積時(shí)，迅速用手指頭堵住管口，使管口的火焰熄滅。然后抽動活塞并松開手指頭，使適量的空氣進(jìn)入。再將注射器拿至燈焰上重新點(diǎn)燃，便可聽到較尖銳且較強(qiáng)的爆鳴聲。注意引導(dǎo)學(xué)生在聽發(fā)聲的同時(shí)，要仔細(xì)觀察酒精燈火焰受爆炸氣浪影響而發(fā)生的擺動情況。

4 評價(jià)

（1）該水電解器的主要部件全部是利用一次性醫(yī)用廢品制作的，它不僅來源廣泛、易得，而且變廢為寶，對充分利用資源、保護(hù)環(huán)境、降低實(shí)驗(yàn)成本大有裨益。

（2）裝置精巧、美觀，對培養(yǎng)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，提高學(xué)生創(chuàng)新意識很有幫助。若讓學(xué)生嘗試制作，可培養(yǎng)他們動手、探究及發(fā)明創(chuàng)造的能力。

（3）制作簡單、操作簡便。電解時(shí)可借助廣口試劑瓶或集氣瓶直接擺放在實(shí)驗(yàn)臺或講臺上，勿須使用鐵架臺；另外，量氣和集氣的注射器也剛好卡在開孔的塑料電解槽上，不需再固定。

（4）與實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)用的J2606水電解器相比，它不僅機(jī)械強(qiáng)度高，不易破裂，幾乎不需要花錢；而且電解速度快，實(shí)驗(yàn)效果明顯。在8～12V電壓下，用5% NaOH溶液做電解液進(jìn)行電解，若要收集到20 mL氫氣，僅需要2～4分鐘，是同等條件下J2606水電解器所用時(shí)間的1/6～1/5。

總之，該水電解器無論從裝置上、操作上，還是實(shí)驗(yàn)成本及教學(xué)功能上都不失為一種理想的實(shí)驗(yàn)教具。

參考文獻(xiàn)：

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[3]西南師范學(xué)院化學(xué)系.中學(xué)化學(xué)教學(xué)法實(shí)驗(yàn)[M].北京：高等教育出版社，1997：17.

[4]課程教材研究所，化學(xué)課程教材研究開發(fā)中心.義務(wù)教育課程標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)教科書·化學(xué)（九年級上冊）·教師教學(xué)用書（第3版）[M].北京：人民教育出版社，2007：80～81.

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