竇卓

摘要：對(duì)教材中電解飽和食鹽水裝置進(jìn)行改進(jìn)，設(shè)計(jì)價(jià)格低廉的儀器，使實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象更明顯、檢驗(yàn)氣體方法更綠色環(huán)保、實(shí)驗(yàn)更容易成功。將陽離子交換膜引進(jìn)高中課堂，使定性實(shí)驗(yàn)提升到定量實(shí)驗(yàn)，電解后生成的H2、Cl2吸附在電極上，構(gòu)成氫、氯燃料電池，啟動(dòng)二極管發(fā)光。該裝置還能用于電解其他溶液。

關(guān)鍵詞：電解；飽和食鹽水；電解裝置；陽離子交換膜；燃料電池

文章編號(hào)：1005–6629（2016）7–0050–04 中圖分類號(hào)：G633.8 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

1 問題的提出

電解飽和食鹽水實(shí)驗(yàn)是高中電化學(xué)部分一個(gè)非常重要的實(shí)驗(yàn)，其在魯科版教材[1]中使用的裝置如圖1所示，筆者通過多次教學(xué)實(shí)踐發(fā)現(xiàn)此套裝置有一些欠妥之處。

第一，此裝置在U型管兩側(cè)均設(shè)有支管，產(chǎn)生的H2中會(huì)混入空氣，進(jìn)行點(diǎn)燃或爆鳴時(shí)不易成功；第二，實(shí)驗(yàn)時(shí)有Cl2外逸，對(duì)環(huán)境有污染；第三，此裝置只能定性檢驗(yàn)兩極產(chǎn)生的氣體，不能定量測(cè)試H2、Cl2氣體的體積；第四，電極間的距離較大，影響電解速率；第五，由于陰極產(chǎn)生的NaOH會(huì)擴(kuò)散到陽極區(qū)域與Cl2反應(yīng)，導(dǎo)致部分產(chǎn)物發(fā)生變化；第六，學(xué)生沒有親眼看到教材上提及的隔膜的作用，導(dǎo)致學(xué)生對(duì)此缺少感性認(rèn)識(shí)，也不利于學(xué)生對(duì)該部分內(nèi)容的理解和掌握。綜上所述，有不少教師對(duì)該實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了大膽改進(jìn)。

陳達(dá)[2]老師的改進(jìn)裝置選用了排水法收集氣體（如圖2）。此法便于收集氣體、有效減少了污染；在試管底部戳一個(gè)直徑約為3mm的小孔，便于檢驗(yàn)操作時(shí)，H2從試管底部小孔集中擴(kuò)散出來，容易點(diǎn)燃；Cl2逸出量少，濕潤(rùn)的淀粉碘化鉀試紙會(huì)變成深藍(lán)色，污染??；還可以將小試管從固定片中取出，供學(xué)生近距離觀察，氣體不會(huì)泄漏。

但該裝置在制作時(shí)存在一些困難：試管底部的小孔要用酒精噴燈燒至紅熱，然后用鐵釘戳制而成，耗時(shí)耗能；得到的孔徑可能大小不一，易導(dǎo)致試管破裂浪費(fèi)；小孔雖利于氣體的檢驗(yàn)，但是也增大了電阻，需要用28V的電壓才能實(shí)現(xiàn)明顯的實(shí)驗(yàn)效果，消耗了更多的電能，而且大多數(shù)學(xué)校用的學(xué)生電源都不高于16V，不便于學(xué)生分組實(shí)驗(yàn)和普及使用。

成向前[3]等老師直接使用注射器代替上述底部有小孔的試管（如圖3），無需再燒制小孔，收集到的氣體純凈；注射器的活塞可以移動(dòng)，檢驗(yàn)氣體時(shí)，推動(dòng)活塞，就可慢慢將氣體趕出，陰極產(chǎn)生的氣體靠近酒精燈火焰時(shí)會(huì)發(fā)出“噗噗”聲或者淡藍(lán)色的火焰，現(xiàn)象更明顯。極少量的陽極氣體可以使?jié)駶?rùn)的淀粉碘化鉀試紙變藍(lán)，進(jìn)一步減少了泄漏。

該裝置的不足之處是電極需固定在塑料瓶上，其電極一旦固定，則不能改變電極間的距離，無法改善電極距離對(duì)電解速率的影響。

另有一些電解實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)[4，5]，具有裝置簡(jiǎn)易或取材方便、綠色環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)，卻也同時(shí)存在可見度小或操作較不方便、耗時(shí)較多等不足。

集合教材及諸多文獻(xiàn)資料對(duì)該實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)和長(zhǎng)處，經(jīng)取長(zhǎng)補(bǔ)短、綜合平衡，反復(fù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)試和再改進(jìn)，給出了該實(shí)驗(yàn)的如下改進(jìn)裝置。

2 電解食鹽水裝置的改進(jìn)創(chuàng)新

2.1 實(shí)驗(yàn)用品

20mL注射器2支，2B、4B、6B鉛筆芯若干，導(dǎo)線若干，0～30V學(xué)生直流電源，定制容器（嵌陽離子交換膜），酒精燈，火柴，玻璃棒，表面皿，發(fā)光二極管；飽和食鹽水，酚酞，淀粉碘化鉀試紙

2.2 自制電解裝置

注射器結(jié)構(gòu)見圖4，注射器的改進(jìn)見圖5：先將注射器膠塞、活塞拆開（見圖4、圖5-a），用針頭將注射器的膠塞中間、活塞底部邊緣各鉆個(gè)孔（圖5-b），鉛筆芯電極穿過膠塞孔，導(dǎo)線穿過活塞孔（圖5-c），用皮筋將導(dǎo)線和電極連接。再將膠塞和活塞重新結(jié)合起來（圖5-d），就實(shí)現(xiàn)了電極的固定。再套上注射器空筒（圖5-e），就可和燒杯等玻璃儀器配套進(jìn)行電解實(shí)驗(yàn)。

定制容器的改進(jìn)方式見圖6：用亞克力板組裝成一個(gè)長(zhǎng)方體容器，容器中間開個(gè)凹槽（圖6-a）。用塑料螺絲將陽離子交換膜固定在中空的薄片上（圖6-b），然后將其嵌到容器中間的凹槽里（圖6-c）。

2.3 對(duì)裝置的優(yōu)化探究

向燒杯中注入適量滴有酚酞的飽和食鹽水。用改進(jìn)后的注射器各抽取20mL溶液，排盡空氣。兩支注射器浸入燒杯中，兩根導(dǎo)線分別連接學(xué)生電源的正負(fù)極，打開開關(guān)，實(shí)驗(yàn)即可開始。

查閱文獻(xiàn)可知，電壓越大，電極間距離越小，電極材料長(zhǎng)度越長(zhǎng)，電解速率就越大。將電壓調(diào)到30V（最大量程），電極長(zhǎng)度定為6cm（盡可能長(zhǎng)），電極間距離設(shè)為2.2cm（達(dá)到最近），分別選取不同的鉛筆芯做電極，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。見表1中實(shí)驗(yàn)1～3，測(cè)得收集9mL H2所需時(shí)間。

從中發(fā)現(xiàn)，6B鉛筆芯做電極時(shí)，電解速率最大。因此以下實(shí)驗(yàn)都選用6B電極材料。

為了進(jìn)一步提高電解速率，減小電阻，又嘗試將注射器空筒底部鉆孔（見圖7），并測(cè)得不同孔徑對(duì)電解速率的影響，見表1實(shí)驗(yàn)4～6。

通過對(duì)比實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，若空筒底部不鉆孔，需要30V電壓才能達(dá)到一定的電解速率。而空筒有孔的裝置電解速率將是無孔的7倍以上，這也就是影響電解速率的最關(guān)鍵因素?？讖皆酱螅娊馑俾试娇?。

保持大孔直徑8mm，又嘗試降低電壓，見表1實(shí)驗(yàn)7～8。發(fā)現(xiàn)用16V學(xué)生電源電解，收集9mL H2只要85s。這種電解條件，既適用于上課教師演示，又節(jié)約了電能，適合學(xué)生分組實(shí)驗(yàn)。

3 實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象及氣體檢驗(yàn)

3.1 實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象

用表1中實(shí)驗(yàn)8對(duì)應(yīng)的條件進(jìn)行電解實(shí)驗(yàn)。很快觀察到兩極上產(chǎn)生大量氣體。如圖7所示，陰極針筒內(nèi)溶液變?yōu)榧t色（滴加了酚酞）。陽極針筒內(nèi)溶液逐漸變成淺黃綠色。而且可以定量測(cè)得氣體體積，同時(shí)發(fā)現(xiàn)V（陰極氣體）>V（陽極氣體）。陰極紅色溶液逐漸從針筒內(nèi)擴(kuò)散出來，并逐漸向陽極移動(dòng)。

離子交換膜對(duì)不同電荷的離子具有選擇透過性。若使用有陽離子交換膜容器（如圖8），則陰極紅色溶液（OH-）不會(huì)擴(kuò)散到陽極區(qū)。通過觀察現(xiàn)象，使學(xué)生體會(huì)到離子交換膜帶來的神奇效果和化學(xué)實(shí)驗(yàn)的無窮魅力。

3.2 檢驗(yàn)氣體

將電源關(guān)閉，此時(shí)注射器內(nèi)仍留有溶液。檢驗(yàn)陰極氣體時(shí)，在水下用食指將大孔堵住。注射器帶上針頭，靠近燃著的酒精燈（如圖9），推動(dòng)活塞，將氣體趕出，聽到明顯的“噗噗”聲，證明有H2生成。發(fā)生的電極反應(yīng)是2H++2e-=H2↑，陰極附近溶液變紅，說明生成了OH-。

檢驗(yàn)陽極氣體時(shí)，同樣將大孔堵住，將注射器帶上針頭。稍稍推動(dòng)注射器活塞，僅使少許陽極產(chǎn)生的氣體靠近濕潤(rùn)的淀粉碘化鉀試紙，試紙變藍(lán)，證明陽極有Cl2生成。發(fā)生的電極反應(yīng)是2Cl--2e-=Cl2↑。檢驗(yàn)完畢，立即將注射器倒立于原溶液中，多余的Cl2可以用陰極生成的NaOH溶液吸收。

4 本改進(jìn)裝置的優(yōu)點(diǎn)

（1）該裝置材料簡(jiǎn)單，注射器、鉛筆芯等材料便宜易得。

（2）巧妙地將電極固定在注射器的膠塞上，可以任意改變電極間距離，以探討電極距離、電極長(zhǎng)度等對(duì)電解速率的影響。

（3）巧用“大孔+小孔”設(shè)計(jì)：有了“大孔”設(shè)計(jì)，只要16V電壓就可很快完成實(shí)驗(yàn)，降低能耗。檢驗(yàn)氣體時(shí)使用“小孔”（注射器乳頭），成功率高，不會(huì)產(chǎn)生污染。而且多余的Cl2可以與陰極產(chǎn)生的NaOH溶液反應(yīng)，制取消毒液（NaClO），消除污染。實(shí)驗(yàn)操作方便，現(xiàn)象明顯。既適用于教師上課時(shí)給學(xué)生演示，又適用于學(xué)生分組實(shí)驗(yàn)，便于觀察。

（4）突破了教學(xué)難點(diǎn)。不僅容易檢驗(yàn)到兩極產(chǎn)物，還可觀察到使用陽離子交換膜后的效果，使學(xué)生對(duì)離子交換膜不再陌生，幫助學(xué)生更好地建立電解池分析模型。

（5）實(shí)驗(yàn)由定性到定量，把單純的演示、驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)轉(zhuǎn)變?yōu)榫哂刑接懎h(huán)節(jié)的探究性實(shí)驗(yàn)。使用改進(jìn)后的裝置可隨時(shí)定量地測(cè)得兩極產(chǎn)生的氣體體積。由實(shí)驗(yàn)中V（H2）>V（Cl2）的現(xiàn)象，可引發(fā)學(xué)生深入的探究、思考。分析原因如下：①Cl2可溶于水（陽極溶液顯淺黃綠色就是證明），使陽極氣體體積減小；②隨著電解的進(jìn)行，c（Cl-）不斷減少，后期可能轉(zhuǎn)變成OH-放電，生成O2。V（H2）：V（O2）=2：1，也可能使陽極氣體體積減??；③Cl2和水反應(yīng)生成的HClO逐漸分解生成O2也是使陽極氣體體積減小的一個(gè)原因（光照越好，時(shí)間越長(zhǎng)，現(xiàn)象越明顯）。只要向電解后的陽極注射器中抽取NaOH溶液，使Cl2完全被吸收，空筒內(nèi)剩余的氣體即是O2的體積。

5 幾點(diǎn)說明

（1）為了增加密封性，在固定電極時(shí)可在電極和膠塞結(jié)合處粘上少許AB膠。

（2）為了增加測(cè)量的準(zhǔn)確性，可先做空白實(shí)驗(yàn)，測(cè)電極的體積。例如，當(dāng)測(cè)量發(fā)現(xiàn)陰極產(chǎn)生H2為9.5mL時(shí)，要扣除6B電極在氣體中所占的體積0.5mL，因此實(shí)際氣體體積應(yīng)約為9.0mL。

（3）為了更方便地檢驗(yàn)氣體，可適當(dāng)減小電極的長(zhǎng)度。因?yàn)殡姌O過長(zhǎng)在推動(dòng)活塞時(shí)，電極很快會(huì)頂住針筒。需在水下向反方向拉動(dòng)活塞，再進(jìn)行檢驗(yàn)操作，使操作稍繁瑣。

6 實(shí)驗(yàn)的拓展

該裝置還可以用于：

（1）電解鹽酸溶液、CuCl2溶液，防止Cl2的泄漏。

（2）電解NaOH溶液、H2SO4溶液等，便于觀察產(chǎn)生的H2、O2的體積關(guān)系。

（3）本裝置電解后還可以構(gòu)成H2、Cl2燃料電池，使二極管發(fā)光。電極在固定前可經(jīng)灼燒、淬火處理[6]，以增大其吸附面積。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：檢驗(yàn)完兩極氣體后，剩余的氣體還可以帶動(dòng)二極管發(fā)光。因此該裝置也適用于電化學(xué)綜合復(fù)習(xí)的教學(xué)。

參考文獻(xiàn)：

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