黃海燕 王澤安

摘要：介紹一種自行設(shè)計(jì)的小型電解水實(shí)驗(yàn)裝置。相比于教材上的實(shí)驗(yàn)裝置，采用新型的溫差發(fā)電作為電解電源以代替原用的直流電源;使用鉑金鈦網(wǎng)電極，降低了電解的電流與電壓，同時(shí)還減小了電極兩端產(chǎn)生氣體的體積比誤差;電解水得到氫氣和氧氣的體積比基本恒定為2∶1。

關(guān)鍵詞：電解水實(shí)驗(yàn); 小型實(shí)驗(yàn)裝置; 溫差發(fā)電電源; 鉑金鈦網(wǎng)電極; 實(shí)驗(yàn)探究

文章編號(hào)：1005-6629（2021）08-0072-04

中圖分類號(hào)：G633.8

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

1 提出問(wèn)題

電解水實(shí)驗(yàn)是人教版九年級(jí)《化學(xué)》[1]上冊(cè)第四單元課題3的一個(gè)經(jīng)典實(shí)驗(yàn)，其目的是為了讓學(xué)生從該實(shí)驗(yàn)中認(rèn)識(shí)水的組成，霍夫曼電解器是該實(shí)驗(yàn)的經(jīng)典儀器。在該實(shí)驗(yàn)中，利用直流電源電解水，學(xué)校一般使用的簡(jiǎn)易的霍夫曼電解器（正規(guī)的電解器使用電極材料鉑）的電極材料是不銹鋼[2]，這樣一來(lái)，常會(huì)伴隨一些問(wèn)題，如電解器裝置相對(duì)較大，消耗的電解液較多;產(chǎn)生的氣體體積比例常有誤差等。除此之外，筆者思考發(fā)電的方式除了直流電源外，是否還有其他形式？本文將從三個(gè)方面改進(jìn)該實(shí)驗(yàn)：一是將電解裝置變小，改裝成小型裝置;二是為了減小氣體體積的誤差，嘗試改變電極材料;三是改變電源的方式?；诖?，試圖探索一套有趣的小型電解水裝置供同仁們參考。

2 微型化電解水實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

2.1 實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新點(diǎn)及原理

2.1.1 電解水裝置

制作過(guò)程：（1） 將兩個(gè)廢棄的青霉素小瓶（25mL，如圖1a所示），上面的瓶口不動(dòng)，將下面的瓶底用砂輪磨通后（如圖1b所示），洗凈，備用。

（2） 選用兩個(gè)相同規(guī)格的鉑金鈦網(wǎng)（15mm×40mm）做電極材料（淘寶購(gòu)買），將導(dǎo)線綁在大頭針上， 用大頭針將導(dǎo)線穿引過(guò)小瓶上的膠塞，然后將導(dǎo)線與電極材料相連，拉動(dòng)導(dǎo)線另一頭，使電極材料緊挨瓶塞。

（3） 用橡皮筋將兩個(gè)青霉素小瓶的瓶身綁在一起，兩電極之間的距離約為3cm，并將一個(gè)小木條夾在兩個(gè)小瓶中間，準(zhǔn)備制作氣體體積刻度。

（4） 將固定好電極材料的裝置底部朝上，用量筒分別量取2mL、 4mL、 6mL……至20mL水于其中一只小瓶?jī)?nèi)，用紅色記號(hào)筆在小木條上標(biāo)記液體體積，即為電解裝置的刻度。由于青霉素小瓶的瓶身不是很規(guī)整，所以刻度的間距也有點(diǎn)不均勻。

（5） 為了增強(qiáng)氣密性，可以在小瓶瓶塞邊上面涂一層凡士林，電解裝置便制作完成，如圖2所示。

2.1.2 溫差發(fā)電

能源緊缺是一個(gè)世界性的難題，尋找綠色環(huán)保的能源一直是研究的熱點(diǎn)。對(duì)于電解水實(shí)驗(yàn)，需要電解的能源，已有的文獻(xiàn)對(duì)電源的改進(jìn)無(wú)非是電壓大小的確定[3]或從生活中尋求替代品，如干電池或手機(jī)充電寶等，但終究都是直流電源，供電方式?jīng)]有根本改變。如果使用干電池做電源，雖操作方便，但使用后廢舊電池里含有的鉛、鋅、錳等金屬是重要的污染源，對(duì)環(huán)境不利。本文擬采用溫差發(fā)電方法來(lái)電解水。溫差發(fā)電是一種新型的綠色發(fā)電技術(shù)，其核心原理就是利用半導(dǎo)體溫差發(fā)電片，如圖3（1）所示。將其兩端的溫度差轉(zhuǎn)化成電能，其發(fā)電的輸出功率受諸多因素影響，包括安裝壓力、散熱技術(shù)、界面填充劑和溫差發(fā)電片的串并聯(lián)方式等[4]。本實(shí)驗(yàn)使用單片溫差發(fā)電片（偲瑞TEC1-24106 55mm×55mm，有字面散熱，對(duì)著循環(huán)水冷頭，無(wú)字面接觸熱源，對(duì)著酒精燈，發(fā)出的電紅線是正極，黑線是負(fù)極，淘寶購(gòu)買）發(fā)電，用自制小型酒精燈[如圖3（2）]燃燒產(chǎn)生的熱作為熱源，散熱技術(shù)采用循環(huán)水冷頭（62mm×62mm，淘寶購(gòu)買）水冷的方式，整個(gè)發(fā)電裝置如圖3（3）所示。將酒精燈置于廢棄的八寶粥鐵罐中，為了能使酒精燈持續(xù)燃燒，可以將鐵罐兩側(cè)分別挖去兩塊鐵皮。酒精燈上方放一塊薄銅片將酒精燈燃燒產(chǎn)生的熱傳給溫差發(fā)電片，原因是溫差發(fā)電片是不能直接加熱的。溫差發(fā)電片的上端連接的是循環(huán)水冷頭進(jìn)行散熱，在溫差發(fā)電片上下兩端均使用界面填充劑導(dǎo)熱硅脂（HY880灰膏25g裝，淘寶購(gòu)買）有利于傳熱和散熱。在涂抹導(dǎo)熱硅脂的時(shí)候要注意平鋪、均勻、適量，如此溫差發(fā)電片兩端就會(huì)感應(yīng)到溫差從而向外輸出發(fā)電。

將溫差發(fā)電裝置與負(fù)載的電解水裝置相連，點(diǎn)燃酒精燈后，溫差發(fā)電片響應(yīng)很快，立即用電流表與電壓表測(cè)出電路的電流與電壓，見(jiàn)表1。

2.1.3 鉑金鈦網(wǎng)電極

我國(guó)西南地區(qū)四川攀枝花蘊(yùn)藏著極豐富的釩鈦磁鐵礦[5]，其中金屬鈦常作為電極材料，尤其當(dāng)它作為陽(yáng)極材料時(shí)，可稱作“鈦陽(yáng)極”。由于金屬鈦屬于閥性金屬，所以鈦陽(yáng)極往往需要在其表面鍍一層有電催化性能的金屬以增加其導(dǎo)電性，常見(jiàn)的有釕銥鈦電極、銥鉭鈦電極及鉑金鈦電極。釕銥鈦電極常用作析氯，銥鉭鈦電極和鉑金鈦電極常用作析氧，而析氧效果最好的是鉑金鈦電極，尤其將其制作成網(wǎng)狀后可大大增加電極材料與電解液的接觸面，如圖4所示。所以，本文選用鉑金鈦網(wǎng)電極作為電解水的電極材料。

由于其價(jià)格偏貴目前還沒(méi)有在工業(yè)上大面積使用。鈦電極有許多優(yōu)點(diǎn)，如工作壽命長(zhǎng)、可克服石墨陽(yáng)極和鉛陽(yáng)極的溶解問(wèn)題，避免對(duì)電解液和陰極產(chǎn)物的污染、工作電壓低、電能消耗小，直流電耗能可降低10%～20%[6]。尤其是其工作電壓、電流低這個(gè)優(yōu)點(diǎn)，筆者做了一個(gè)定性對(duì)照實(shí)驗(yàn)：在已有改進(jìn)實(shí)驗(yàn)的文獻(xiàn)中，電極材料最常見(jiàn)的有石墨電極、鐵絲及鐵的合金鋼等[7，8]，由此設(shè)計(jì)在相同電壓、相同電解液、電極面積大致相等的條件下，分別觀察石墨電極、鐵電極和鉑金鈦網(wǎng)電極產(chǎn)生氣泡的情況?？梢?jiàn)，鉑金鈦網(wǎng)電極兩端產(chǎn)生氣體的速率與數(shù)量均明顯高于石墨電極和鐵電極。

2.2 實(shí)驗(yàn)儀器和藥品

2個(gè)25mL青霉素小瓶、2個(gè)鉑金鈦網(wǎng)電極（15mm×40mm）、溫差發(fā)電片（偲瑞TEC1-24106 55mm×55mm）、水冷頭（62mm×62mm）、八寶粥鐵皮罐、10%的NaOH溶液、兩支注射器、自制酒精燈、肥皂水、兩根導(dǎo)線、小木條

2.3 實(shí)驗(yàn)步驟

（1） 配制10%的NaOH溶液。將兩個(gè)小瓶底部朝上加滿配好的電解質(zhì)溶液，然后用塑料小水槽蓋住底部迅速翻轉(zhuǎn)正放于桌面上，電解裝置中的電解質(zhì)溶液就加好了，再在小水槽中也加入適量電解質(zhì)溶液。

（2） 將溫差發(fā)電裝置中溫差發(fā)電片的導(dǎo)線與電解水裝置中的導(dǎo)線相連，整個(gè)裝置如圖5所示。注意正負(fù)極問(wèn)題，溫差發(fā)電片紅線連接的是正極，黑線連接的是負(fù)極。

（3） 將溫差發(fā)電裝置的水冷頭進(jìn)水一端用膠皮管與水龍頭相連，出水一端只與膠皮管相連，打開(kāi)水龍頭，冷水開(kāi)始循環(huán)，再點(diǎn)燃酒精燈，發(fā)電裝置即可發(fā)電。

（4） 很快可見(jiàn)兩極均有氣泡產(chǎn)生，與電源負(fù)極相連的電極產(chǎn)生的氣體更多，可利用制作的刻度條同時(shí)讀出兩極產(chǎn)生的氣體體積：1分半鐘后負(fù)極產(chǎn)生4mL氫氣，正極產(chǎn)生2mL氧氣;3分鐘后負(fù)極產(chǎn)生8mL氫氣，正極產(chǎn)生4mL氧氣，且負(fù)極產(chǎn)生的氣體始終是正極的2倍。

（5） 用一支注射器將正極產(chǎn)生的氣體吸取出來(lái)，迅速拔掉針頭，用拇指堵住注射器口，將一根細(xì)小的帶火星的小木條從堵住的注射器口伸入注射器中，可見(jiàn)小木條復(fù)燃，證明是氧氣;再用另一支注射器吸取負(fù)極產(chǎn)生的氣體，推到肥皂水中產(chǎn)生氣泡，再用燃著的小木條去點(diǎn)氣泡，會(huì)有明顯的爆鳴聲，證明是氫氣。

2.4 改進(jìn)實(shí)驗(yàn)的優(yōu)點(diǎn)

（1） 改裝后的小型裝置重心低，放置穩(wěn)當(dāng)，藥品用量少，綠色環(huán)保且可操作性強(qiáng)，能滿足學(xué)生分組實(shí)驗(yàn)的需要。電解過(guò)程生成氣體的讀數(shù)以及電解結(jié)束后氣體的檢驗(yàn)都具有很強(qiáng)的趣味性。

（2） 該裝置解決了繁瑣的添加電解液的步驟，因?yàn)殡娊庋b置相對(duì)較小且氣密性良好，實(shí)驗(yàn)者只需小心加滿電解液后蓋住底部迅速翻轉(zhuǎn)即可，操作簡(jiǎn)便且大大減少了實(shí)驗(yàn)者與電解液的接觸。

（3） 該裝置不需要刻意將正極與負(fù)極連通，將裝置放入電解液中，裝置在液體浮力的作用下微微向上浮起，自動(dòng)實(shí)現(xiàn)內(nèi)電路巧妙的連通。

（4） 溫差發(fā)電響應(yīng)很快，實(shí)驗(yàn)中只要溫差基本恒定，電路中的電壓電流也基本不變，實(shí)驗(yàn)結(jié)束后只需熄滅酒精燈，溫差逐漸消失，反應(yīng)也就隨之停止。

（5） 電極材料鉑金鈦網(wǎng)電極清潔、輕便，基本無(wú)副反應(yīng)發(fā)生，產(chǎn)生氣體的速率適中。兩極產(chǎn)生的氣體體積之比基本恒定為2∶1，有利于學(xué)生得出正確的實(shí)驗(yàn)結(jié)論。

改進(jìn)實(shí)驗(yàn)最意外的收獲是電源方式的改變：在有限的實(shí)驗(yàn)條件下，溫差發(fā)電片產(chǎn)生的電流與電壓都較小的情況下，搭配小型的電解裝置與鉑金鈦網(wǎng)電極，成功地將水電解了，得到氣體的體積比為2∶1，這讓筆者興奮不已。當(dāng)然也存在很多不足，相比于小型電解裝置來(lái)說(shuō)，溫差發(fā)電裝置仍顯得有點(diǎn)“頭重腳輕”，不夠微型和簡(jiǎn)約，仍有改進(jìn)的空間;電極鉑金鈦網(wǎng)優(yōu)點(diǎn)很多，但價(jià)格偏貴，不宜推廣。本文在此僅對(duì)電解水實(shí)驗(yàn)的改進(jìn)提供一個(gè)思路，除了可以向生活中常見(jiàn)物質(zhì)尋求途徑之外，還可以探索一些新型的材料與技術(shù)繼續(xù)改進(jìn)該實(shí)驗(yàn)。

參考文獻(xiàn)：

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