電解裝置的改進(jìn)創(chuàng)新設(shè)計(jì)及應(yīng)用

陜西省西安市第一中學(xué)(710082) 邢麗麗

1 問題的提出

電解實(shí)驗(yàn)是高中電化學(xué)的重要實(shí)驗(yàn)。現(xiàn)行人教版和蘇教版課程標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)教科書高二化學(xué)選修4“化學(xué)反應(yīng)原理”采用U型管進(jìn)行此實(shí)驗(yàn)，存在反應(yīng)耗時(shí)長，現(xiàn)象不明顯，產(chǎn)生的有毒氣體易逸出污染環(huán)境、損害師生健康，無法實(shí)現(xiàn)分組實(shí)驗(yàn)等缺陷導(dǎo)致課堂教學(xué)效果不理想。

關(guān)于電解實(shí)驗(yàn)的改進(jìn)有很多同行進(jìn)行了研究，主要從微型化、趣味化和生活化入手，以上改進(jìn)均有可取之處，但是還存在許多問題，主要體現(xiàn)在裝置不夠穩(wěn)定、用途單一、實(shí)用性不大、不便于推廣、電源沒有進(jìn)行改進(jìn)等方面。

本文基于解決以上問題，在他人研究的基礎(chǔ)上，運(yùn)用相關(guān)科學(xué)理論進(jìn)行此裝置的改進(jìn)創(chuàng)新設(shè)計(jì)。力求充分發(fā)揮化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的主體作用，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣，達(dá)到預(yù)期的教學(xué)目標(biāo)，從而培養(yǎng)出更具創(chuàng)造性的學(xué)生。

2 改進(jìn)的科學(xué)方法與原理

主要采用文獻(xiàn)法、實(shí)驗(yàn)法、對比法等方式進(jìn)行研究。研究時(shí)從電解池的基本構(gòu)造和現(xiàn)行教材裝置的缺陷入手，以綠色化、實(shí)用化、微型化和生活化為原則進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)。

3 改進(jìn)裝置用品

廢舊的普通干電池、亞克力材質(zhì)的透明方形塑料盒、醫(yī)用注射導(dǎo)管、數(shù)字電壓電流數(shù)顯調(diào)壓模塊、9 V干電池若干節(jié)、帶導(dǎo)線的鱷魚夾、橡膠塞、玻璃瓶(10 mL)、小型表面皿、鑷子、酒精噴燈、電烙鐵、火柴、打孔器等。

4 電解裝置改進(jìn)創(chuàng)新設(shè)計(jì)

依據(jù)事先設(shè)計(jì)好的圖紙,如圖1所示，逐步進(jìn)行下列制作。

具體制作過程：

4.1 陰、陽電極的制備

將廢舊的2節(jié)普通干電池剝?nèi)ネ鈿ぃ≈虚g的碳棒先在酒精噴燈火焰上灼燒至紅熱，然后迅速浸入冷水中進(jìn)行淬火處理即得電極,用電烙鐵在每個(gè)電極上部焊接導(dǎo)線以便與電源相連。

4.2 電解槽的制備

根據(jù)多次試驗(yàn)摸索，確定選取大小為5 cm×3 cm×7 cm的亞克力材質(zhì)的透明方形塑料盒制作電解槽，上部為可活動(dòng)的密封塑料蓋，用燒熱的打孔器在其上部取合適間距(約4 cm)鑿取2個(gè)小孔，以便插入電極。

4.3 電極產(chǎn)物的收集檢驗(yàn)裝置

通過多次試驗(yàn)，在電解槽兩側(cè)的合適高度(約5 cm)用燒熱的打孔器分別鑿取2個(gè)小孔，孔徑大小與截取的醫(yī)用注射器的兩通管正好吻合，插入固定好的2個(gè)兩通管，再分別連接尾氣處理裝置(10 mL玻璃瓶)和氣體檢驗(yàn)裝置(小型表面皿)即可。

4.4 微型電源制作

將數(shù)字電壓電流數(shù)顯調(diào)壓模塊與2節(jié)9 V干電池進(jìn)行連接即制作成數(shù)顯可調(diào)電壓式微型電源。

4.5 電解實(shí)驗(yàn)一體化裝置

在電解槽可活動(dòng)的密封塑料蓋上插入2個(gè)打磨好的石墨電極，組裝好氣體檢驗(yàn)裝置，再用帶導(dǎo)線的鱷魚夾與數(shù)顯可調(diào)電壓式微型電源相連固定，即制備完成電解實(shí)驗(yàn)的一體化裝置，加入不同的電解質(zhì)溶液即完成相應(yīng)電解實(shí)驗(yàn)。

5 實(shí)驗(yàn)操作步驟及方法

利用上述改進(jìn)的電解裝置,如圖2所示,可以完成高中化學(xué)所要求掌握的4種電解類型(惰性電極)的實(shí)驗(yàn)，且可以實(shí)現(xiàn)對這些不同電極產(chǎn)物的觀察分析、氣體檢驗(yàn)和尾氣處理等。

具體實(shí)驗(yàn)過程(以電解氯化銅溶液為例):

(1)依次組裝好實(shí)驗(yàn)裝置(電極、電解槽以及氣體檢驗(yàn)和尾氣處理裝置)。若是課堂演示，可提前組裝好，以便節(jié)約時(shí)間。

(2)向電解槽中加入適量氯化銅溶液至浸沒到電極1/3部位，玻璃瓶內(nèi)加入適量氫氧化鈉溶液，接通電源，調(diào)節(jié)電壓，開始反應(yīng)。

(3)約10 s后，即可清晰看到陰極有紫紅色的物質(zhì)附著在碳棒上，證實(shí)為有銅生成；用鑷子將濕潤的淀粉-KI試紙靠近連接陽極的兩通管一端，可清晰觀察到試紙變藍(lán)，證明有氯氣產(chǎn)生，快速關(guān)閉此通管，打開另一通管用氫氧化鈉溶液進(jìn)行多余尾氣處理，分別如圖3、圖4所示。

特點(diǎn)與說明：

(1)氯化銅溶液濃度越大，反應(yīng)越快，但是若濃度太大，陰極區(qū)溶液容易出現(xiàn)黑色，多次試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，采用濃度為25%的氯化銅溶液(呈亮綠色)效果最好。

(2)電壓越大，反應(yīng)耗時(shí)越短，綜合考慮，電解所用電壓以8 V左右為宜。

(3)電解氯化銅溶液時(shí)，因陰極不會(huì)產(chǎn)生氣體，故可將與陰極一側(cè)相連的小孔用橡膠塞密封，只打開陽極一側(cè)小孔即可。

(4)采用此套裝置進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，操作簡單，耗時(shí)短，反應(yīng)現(xiàn)象明顯，體系密封，安全環(huán)保無污染，既可進(jìn)行教師演示實(shí)驗(yàn)也可開展學(xué)生分組實(shí)驗(yàn)，大大提高了教學(xué)效果。

利用上述改進(jìn)的電解裝置，還可以完成電解飽和食鹽水、電解硫酸銅溶液、電解氫氧化鈉溶液等實(shí)驗(yàn)。

6 實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新點(diǎn)

(1)成本低廉、安全環(huán)保。裝置取材源于生活，材料易得，實(shí)現(xiàn)廢物充分利用；整個(gè)裝置密封環(huán)保，有效防止有毒氣體逸散。

(2)裝置簡單、實(shí)用性強(qiáng)。裝置不需要特殊設(shè)備和器件，值得推廣，尤其適合實(shí)驗(yàn)室條件相對落后的農(nóng)村中學(xué)。

(3)設(shè)計(jì)巧妙、應(yīng)用廣泛。裝置穩(wěn)定美觀，稍加改變即可實(shí)現(xiàn)高中化學(xué)要求掌握的全部電解類型的電解實(shí)驗(yàn)，一套裝置多種用途，儀器重復(fù)使用率高。

(4)操作簡便、現(xiàn)象明顯。取配好的不同電解質(zhì)溶液直接進(jìn)行電解實(shí)驗(yàn)，1 min左右即可清晰觀察到不同實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，實(shí)驗(yàn)效果好。

(5)創(chuàng)新理念、培育素養(yǎng)。儀器的設(shè)計(jì)完成可以分組實(shí)驗(yàn)，有利于培養(yǎng)學(xué)生“科學(xué)探究與創(chuàng)新意識(shí)”“證據(jù)推理與模型認(rèn)知”“科學(xué)精神與社會(huì)責(zé)任”等核心素養(yǎng)。

7 裝置的使用情況和進(jìn)一步完善的設(shè)想

此套改進(jìn)裝置已在多個(gè)教學(xué)班使用，并在省級公開課成功展示，通過課堂表現(xiàn)和反饋來看，學(xué)生實(shí)驗(yàn)時(shí)興趣高漲，對電解知識(shí)的理解更加深刻。值得一提的是，在參與的省級規(guī)劃課題“中學(xué)化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)創(chuàng)新實(shí)踐研究”研究過程中，此項(xiàng)目也被評為優(yōu)秀研究成果，受邀在名校化學(xué)教師中進(jìn)行交流展示。此改進(jìn)裝置進(jìn)一步完善的設(shè)想：視教學(xué)實(shí)際需要，擬與數(shù)字化傳感器連接實(shí)時(shí)定量檢測分析產(chǎn)生氣體體積的變化。