新型電解水實(shí)驗(yàn)裝置的研制與應(yīng)用

黃媛 柯志超 黃丹青

摘要：針對(duì)霍夫曼水電解器存在的問題，設(shè)計(jì)一種新型電解水實(shí)驗(yàn)裝置及其操作步驟，從“分”與“合”兩角度證明了水的組成，讓教學(xué)更有趣、課堂更高效。

關(guān)鍵詞：核心素養(yǎng)，電解水，實(shí)驗(yàn)裝置，水的組成

文章編號(hào)：1008-0546（2020）05-0094-02 中圖分類號(hào)：G632.41 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2020.05.025

一、實(shí)驗(yàn)改進(jìn)背景

《水的組成》在初中化學(xué)中具有重要的意義，其中既有知識(shí)的學(xué)習(xí)，又有方法的領(lǐng)會(huì)，還有認(rèn)識(shí)視角的豐富。教師普遍采用霍夫曼水電解器進(jìn)行電解水實(shí)驗(yàn)教學(xué)，但在教學(xué)實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)以下不足：一是在演示過程中，該裝置存在的問題有：重心過高、電解速率慢、氫氣燃燒過程放熱使玻璃管口變形、在尖嘴口檢驗(yàn)氫氣和氧氣時(shí)現(xiàn)象不明顯且操作不便;二是教學(xué)過程中，較難以“合成”的視角認(rèn)識(shí)水的組成，限制了學(xué)生的思維。

因此，改進(jìn)電解水的實(shí)驗(yàn)裝置，可以激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣、培養(yǎng)學(xué)生的動(dòng)手能力，提高實(shí)驗(yàn)技能，增強(qiáng)實(shí)驗(yàn)意識(shí)，提高中學(xué)化學(xué)教學(xué)的效益。通過實(shí)驗(yàn)改進(jìn)教學(xué)，培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新思維，實(shí)現(xiàn)從感性到理性、定性到定量、宏觀到微觀、具體到抽象的轉(zhuǎn)化。

二、新型電解水裝置的研制

針對(duì)霍夫曼水電解器存在的問題，我對(duì)裝置進(jìn)行重新設(shè)計(jì)、繪制CAD圖，并定制亞克力板進(jìn)行粘合組裝，制成如圖1所示的新型裝置。具體說明如下：

1.大容量底座

底座采用亞克力板一次成型工藝制作大容量底座，容積約為500mL，可以盛裝足夠的電解質(zhì)溶液，可確保裝置整體重心較低，放置更穩(wěn)固。在靠近氫氣管的位置增設(shè)了一塊隔板，有效將氫氣管與氧氣管內(nèi)的液體與外部的空氣隔絕，保障電解反應(yīng)順利進(jìn)行;同時(shí)隔板在混合氣體時(shí)，還可引導(dǎo)氧氣順利進(jìn)入氫氣管。底座右側(cè)設(shè)計(jì)為14°的斜面，讓氧氣與氫氣的混合操作簡(jiǎn)單、機(jī)械、高效。

2.亞克力管（注水管、氫氣管、氧氣管）

底座上方設(shè)置3根亞克力管，其中左側(cè)較短的管為注水管，在方便添加水的同時(shí)，通過打開、塞緊橡膠塞可以調(diào)節(jié)壓強(qiáng)，便于氣體的檢驗(yàn);中間管為氫氣管，右側(cè)管為氧氣管，兩管底部等高位置設(shè)置2根L型電極，氫氣管電極與電源負(fù)極相連，氧氣管電極與電源正極相連。采用的鎳合金電極導(dǎo)電性強(qiáng)，使電解水速率變快，而且該電極不易被電解液氧化，耐用性高，而且當(dāng)管內(nèi)液面低于電極時(shí)，電解實(shí)驗(yàn)自動(dòng)停止，無需擔(dān)心電解過度的問題。另外，氫氣管頂部增設(shè)了兩根導(dǎo)電金屬絲，兩根金屬絲相距2mm左右，接通脈沖點(diǎn)火器即可在兩根金屬絲間產(chǎn)生電火花，可引爆氫氣管內(nèi)的混合氣體，使之沖落橡膠塞并發(fā)出尖銳的爆鳴聲。

3.氫氣點(diǎn)燃專用配件

氫氣點(diǎn)燃專用配件由橡膠塞、玻璃活塞、膠皮管與輸液器針頭連接而成。它用不銹鋼針頭取代原有裝置中的玻璃尖嘴口，規(guī)避了玻璃管口變形的問題，同時(shí)玻璃活塞可手動(dòng)調(diào)節(jié)氫氣流速，讓氫氣燃燒更加穩(wěn)定和持久。

三、新型電解水裝置的教學(xué)應(yīng)用

1.利用新型電解水裝置從分解角度（即“分法”）證明水的組成

（1）電解水

往短管中注入500mL 5%的氫氧化鈉溶液，塞緊3個(gè)橡膠塞，倒置裝置，使水充滿氫氣管和氧氣管，接通12V直流電源使水分解，30s即可明顯觀察到正極管與負(fù)極管中產(chǎn)生的氣體的體積比為1：2。

（2）檢驗(yàn)電解產(chǎn)生的氣體

當(dāng)電解產(chǎn)生的氫氣位于5cm刻度線時(shí)，開始檢驗(yàn)陰陽(yáng)兩極管中的氣體，將燃著的木條直接伸人負(fù)極管中，氣體燃燒，發(fā)出“噗”的一聲，說明該氣體是氫氣;將帶火星的木條伸人正極管中，木條復(fù)燃，說明該氣體是氧氣。由實(shí)驗(yàn)可以得出水在通電的條件下可以分解產(chǎn)生氫氣和氧氣，根據(jù)元素的種類在化學(xué)變化中保持不變，得出結(jié)論：水是由氫元素和氧元素組成。

2.利用新型電解水裝置從合成角度（即“合法”）證明水的組成

（1）點(diǎn)燃管中純凈的氫氣

按照上述步驟電解水，先收集半管的氫氣，旋轉(zhuǎn)直通管的活塞，控制氫氣流速，在不銹鋼針頭處點(diǎn)燃?xì)錃猓⒃诨鹧娴纳戏秸忠恢Ц衫涞脑嚬埽l(fā)現(xiàn)試管內(nèi)壁產(chǎn)生水珠，得出結(jié)論：水是由氫元素和氧元素組成。

（2）混合氫氣和氧氣，引爆混合氣體

先收集2cm刻度的氫氣和lcm刻度的氧氣，利用隔板與底座右側(cè)的斜面設(shè)計(jì)，師生只需簡(jiǎn)單、機(jī)械地傾斜一下裝置即可將氫氣與氧氣混合，然后即可在氫氣管中進(jìn)行氫氣爆炸試驗(yàn)：①敞口明火引爆：打開橡膠塞，往氫氣管中伸人燃著的木條，聽到尖銳的爆鳴聲，則氫氣爆炸;②密閉電火花引爆：利用氫氣管頂部的兩根金屬絲，采用改造后的脈沖點(diǎn)火裝置，直接引爆氫氣管內(nèi)的混合氣體，使混合氣體爆炸，如圖2所示。通過本實(shí)驗(yàn)，巧妙地以爆炸的方式說明氫氣能劇烈燃燒產(chǎn)生水，使“合法”證明水的組成更有趣味。

四、新型電解水裝置的創(chuàng)新與優(yōu)點(diǎn)

與傳統(tǒng)的霍夫曼水電解器相比，該新型電解水裝置的創(chuàng)新與優(yōu)點(diǎn)如下：

（1）加大底座，降低兩管的高度，使重心降低，更穩(wěn)固，消除安全隱患;

（2）采用5%的氫氧化鈉溶液作為電解質(zhì)溶液，以鎳合金作為電極材料，電解速率變快;

（3）在氫氣管和氧氣管間設(shè)置了刻度板，可以更直觀觀察兩極管中的氣體體積比。利用橡膠塞封閉兩極管，貯存電解過程產(chǎn)生的氣體，將燃燒的木條伸人兩極管中檢驗(yàn)，操作方便且現(xiàn)象很明顯;

（4）改用不銹鋼針頭取代原有裝置的玻璃管，規(guī)避玻璃管口變形的問題，通過活塞控制氫氣流速，實(shí)現(xiàn)氫氣穩(wěn)定和持續(xù)地燃燒;實(shí)現(xiàn)了學(xué)生們所喜聞樂見的氫氣爆炸試驗(yàn)。

（5）利用本套裝置能實(shí)現(xiàn)從多元的視角認(rèn)識(shí)水的組成，既可以利用使水分解的“分法”證明，也可利用合成水的“合法”證明，拓展了學(xué)生認(rèn)識(shí)物質(zhì)組成的思維。

五、實(shí)踐反思

化學(xué)實(shí)驗(yàn)是中學(xué)化學(xué)教育的重點(diǎn)與難點(diǎn)，化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的質(zhì)量直接影響到化學(xué)教育質(zhì)量的提升和學(xué)生的化學(xué)核心素養(yǎng)的培養(yǎng)。化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)需要改進(jìn)，以期很好地體現(xiàn)應(yīng)有的教育、教學(xué)價(jià)值，發(fā)展學(xué)生的實(shí)驗(yàn)素養(yǎng)。

（1）將教材實(shí)驗(yàn)重新整理、拓展、延伸、整合，實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容由淺入深、由簡(jiǎn)到繁、再回歸實(shí)驗(yàn)教學(xué)的本源，任務(wù)由單一到復(fù)雜，難度由易到難，使化學(xué)實(shí)驗(yàn)成為一個(gè)相對(duì)獨(dú)立的教學(xué)載體。

（2）根據(jù)學(xué)生的認(rèn)知水平和能力大小，將零碎、分散的實(shí)驗(yàn)素材進(jìn)行整合或改進(jìn)，由點(diǎn)陣式的實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系轉(zhuǎn)變?yōu)榛瘜W(xué)實(shí)驗(yàn)新體系。實(shí)驗(yàn)教學(xué)中積累、整理出典型案例，既相對(duì)獨(dú)立，又能結(jié)合與課本素材使用，體現(xiàn)學(xué)生學(xué)習(xí)實(shí)際，不僅可以作為教師上課的素材，也可用作課外活動(dòng)的輔助素材，以激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。

（3）通過對(duì)實(shí)驗(yàn)裝置的改進(jìn)，教學(xué)中融合轉(zhuǎn)化觀、微粒觀、守恒觀。

（4）將實(shí)驗(yàn)方法和實(shí)驗(yàn)思想滲透在典型的實(shí)驗(yàn)案例中，使學(xué)生對(duì)化學(xué)實(shí)驗(yàn)的基本知識(shí)與基本技能有較全面和系統(tǒng)的了解，對(duì)從事科學(xué)研究，獲取實(shí)驗(yàn)素材有較清晰的認(rèn)識(shí)，為高中階段學(xué)習(xí)化學(xué)奠定基礎(chǔ)。

（5）探索提升實(shí)驗(yàn)教學(xué)有效性的教學(xué)策略，逐步實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容的呈現(xiàn)方式、學(xué)生的學(xué)習(xí)方式、教師的教學(xué)方式、師生互動(dòng)方式以及評(píng)價(jià)方式的根本性變革，有效提升學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)。