電解水實驗改進“三部曲”

陳麗娟

電解水實驗出自人教版九年級化學上冊第四單元《水的組成》。水是學生學習的第一種重要化合物，電解水是初中化學教學中重要的實驗。它是學生第一次觀察到物質元素的組成，并用微觀視角詮釋物質元素變化的實驗。用常用的實驗儀器做實驗，實驗現象可視化程度低，導致教師借用已有的實驗視頻代替演示實驗，把現象和結論直接教給學生。鑒于此，改進電解水實驗十分必要。

一、在常規實驗中發現問題

水雖然是學生非常熟悉的物質，但以化學的眼光認識水，對學生來說是陌生的。電解水實驗的常用裝置是“26002水電解實驗器”，該儀器由塑料機身（注水口、貯水盒、合金電極）、玻璃導氣管、乳膠連接管等組成。筆者根據這種實驗儀器的特點構想的教學思路是：通過水的生成的演示實驗和水的分解的分組實驗，引導學生掌握水是由氫、氧兩種元素組成的，初步感知通過分析反應的產物推斷物質組成的思想，了解人類認識物質世界的過程和方法。

課上，筆者首先展示視頻資料《擦肩而過的真相》，引入水的話題，接著帶學生助手做演示實驗，觀察氫氣燃燒的現象，探究氫氣的燃燒條件，明確氫氣驗純的操作過程，然后組織學生進行小組合作探究，觀察、分析電解水的實驗過程，得出水的組成的結論，最后引導學生從微觀角度認識水的構成，感知化學變化的概念。課上，師生互動效果好，但10個小組中，只有2個小組的學生把實驗做成功了。

如何提高實驗的成功率呢？筆者回顧教學過程：在小組合作學習環節，筆者事先按照說明書建議配制了10%的NaOH溶液做電解液，當學生利用“26002水電解實驗器”進行探究水的電解實驗時，筆者觀察到罩住兩電極的玻璃管內，氣體的收集速率比較快，但其中混有較多氣泡，在檢驗氣體時，管內的氣泡隨氣體迅速上升，即使負極端玻璃管內的氣體被點燃了，也會馬上被氣泡熄滅，而且在正極端玻璃管處，帶火星的木條并沒有如期復燃。基于此，筆者總結：實驗收集到的氣體中混有氣泡是導致氣體檢驗環節不成功的關鍵，同時NaOH溶液有腐蝕性，存在一定的安全隱患。由此筆者得出：改變藥品溶液至關重要。

二、抓住關鍵，改變藥品溶液

為提高實驗成功率，筆者對實驗藥品溶液及“26002水電解實驗器”進行了改進。原實驗采用NaOH溶液增強水的導電性，效果不佳。究其原因，有如下幾點：當NaOH溶液濃度較低時，電解產生足量的氫氣、氧氣的時間較長，使人難以觀察到理想的實驗現象;當NaOH溶液濃度較高時，則會產生較多的泡沫，影響氣體的檢驗，且高濃度的NaOH溶液會嚴重腐蝕塑料管、乳膠管等實驗儀器。

如何改進呢？筆者查閱相關文獻資料并深入研究后，發現Na2SO4溶液可以滿足實驗要求，且其酸堿度呈中性，更加安全可靠，于是筆者決定改用Na2SO4溶液做電解水實驗的電解液。但是，Na2SO4溶液的最佳實驗濃度尚無具體數據可以參考。筆者在實驗室通過多次對比實驗，發現采用飽和的Na2SO4溶液進行電解水實驗效果最佳。同時，當電壓為16V時，收集18mL的H2約需5～6分鐘，反應速率比較快，能節約反應時間。

教學時，筆者用飽和的Na2SO4溶液做水的電解實驗藥品，大約2～3分鐘就可以得到10mL的H2、5mL的O2。為了提升實驗效率，筆者將原儀器中的塑料管改為乳膠管，這樣能夠較快地將液體藥品裝滿儀器。經過嘗試，10個實驗小組中，有6個小組實驗成功。學生收集到的氣體沒有大量泡沫，氫氣易被點燃，氧氣能使帶火星的木條復燃，實驗的可視化程度顯著提高。

課后，學生在整理實驗儀器時發現正極金屬電極因為被氧化而變細了，同時還存在乳膠管老化、塑料材料開裂導致電解液滲漏等問題。這批實驗儀器大多只能被淘汰。

三、再度創新，更換電極材料

電極變細導致實驗儀器報廢的問題讓筆者難以釋懷。怎樣進一步改進實驗裝置，找到能避免因氧化而變細的電極替代材料呢？

筆者查閱資料發現，為了改進電解水實驗儀器而選用的電極材料主要有石墨棒、保險絲、鍍鉻曲別針、銅片等。經過分析，筆者認為，石墨棒雖是很好的惰性電極，但其質地疏松、空隙較大，對氣體的吸附作用強，會導致逸出氣體的速率過慢，另外，若制取過程處理不當，對環境的污染也較大;鍍鉻曲別針表面積太小，電解速率慢，且其鍍鉻層在裝置安裝和拆卸的過程中，很容易因為受到扭動而破損，導致鐵芯裸露;銅絲做電極，電解時易被產生的氧氣氧化，影響氧氣的生成量。一一排除上述材料后，筆者想到優質電極材料——鉑金，但昂貴的價格讓人望而卻步。最后，筆者選用了鉛銻合金的保險絲作為替代材料，因為它不僅能克服上述材料的不足，而且方便易得，是相對理想的實驗材料。

如何用改進后的材料制作出理想的實驗儀器呢？筆者發現生活中的透明大飲料瓶非常適合做水電解器的主體結構，于是，筆者取一個飲料瓶，把它從腰部剪開，一半做電解器，一半做固定底座，并在底座兩側各開一個小孔，以便于導線與電極相連。然后，筆者選取一個大小與飲料瓶口相當的橡皮塞，在上面打兩個小孔，孔間距約1cm，用鉛銻合金的保險絲穿過小孔，再取8cm長，將其回折做成電極，余下部分彎曲起來，將橡皮塞塞入瓶口后，再用蠟把空隙封住。為了方便觀察正、負極收集到的氣體體積，筆者選用了帶刻度的試管，并自制一個卡板，將試管固定并倒扣在電極上。

改進后的裝置取材方便，制作工藝簡單，便于操作。該裝置與“26002水電解實驗器”相比，可視化程度大大提高，尤其是檢驗氣體時，實驗現象明顯。同時，筆者改變了收集、檢驗氣體的方法。教學時，筆者引導學生把帶刻度的試管裝滿Na2SO4溶液，用拇指堵住管口，將它倒立在電解器中，罩在電極上，當收集到足量的氣體后，再在液面下堵住管口并移出液面，然后分別對正、負兩極的氣體進行檢驗。學生在與教師一起制作裝置并進行實驗的過程中，體驗到實驗探究的樂趣，提升了創新能力。

（作者單位：漢川市城關中學）