電解實(shí)驗(yàn)裝置的改進(jìn)

車耀 吳軍 葉繼東 劉小玲

摘?要：對(duì)教材上的電解實(shí)驗(yàn)和已有的電解實(shí)驗(yàn)改進(jìn)案例進(jìn)行分析，利用塑料板等易得材料對(duì)電解裝置進(jìn)行改進(jìn)，設(shè)計(jì)出的改進(jìn)裝置攜帶更方便、操作更簡(jiǎn)單、耗時(shí)更短，適合學(xué)生在課堂上做分組實(shí)驗(yàn)，能更好地服務(wù)課堂教學(xué)。改進(jìn)后的實(shí)驗(yàn)裝置便于更換電極和電解液，用一個(gè)裝置可以完成多個(gè)電化學(xué)實(shí)驗(yàn)。

關(guān)鍵詞：電解裝置；裝置改進(jìn)；實(shí)驗(yàn)探究

1 ?問題的提出

《普通高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版2020修訂）》對(duì)教學(xué)提出實(shí)施建議：“條件有限的學(xué)校，可采取教師演示實(shí)驗(yàn)或利用替代品進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，鼓勵(lì)實(shí)驗(yàn)的綠色化設(shè)計(jì)”，“充分認(rèn)識(shí)化學(xué)實(shí)驗(yàn)的獨(dú)特價(jià)值，精心設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)探究活動(dòng)”，“引導(dǎo)學(xué)生通過實(shí)驗(yàn)探究活動(dòng)學(xué)習(xí)化學(xué)”。實(shí)驗(yàn)及探究活動(dòng)建議為：“電解氯化銅溶液，電解飽和食鹽水，簡(jiǎn)單的電鍍實(shí)驗(yàn)”[1]。其精辟的論述理所當(dāng)然地成為我們實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新的理論依據(jù)和教學(xué)質(zhì)量的衡量標(biāo)準(zhǔn)。

在人教版[2]、蘇教版[3]高中化學(xué)教材中，均有電解CuCl2溶液的演示實(shí)驗(yàn)，魯科版[4]高中化學(xué)教材在課后習(xí)題中呈現(xiàn)電解氯化銅溶液的裝置圖。三套高中化學(xué)教材中電解CuCl2溶液的裝置結(jié)構(gòu)相似，圖1中從左到右分別是人教版、蘇教版、魯科版電解氯化銅溶液的裝置圖，均由U型管插入兩根石墨棒作為電極，接直流電源電解CuCl2溶液，用鐵架臺(tái)固定電解裝置。雖然教材上的電解裝置可以有效地用于演示實(shí)驗(yàn)，但存在以下不足：（1）藥品用量較大；（2）所選用的儀器組裝后體積較大，不方便攜帶；（3）電解耗時(shí)比較長。因此，有必要作深入探進(jìn)。

2??對(duì)已有實(shí)驗(yàn)改進(jìn)案例的述評(píng)

針對(duì)教材電解裝置的不足之處，眾多化學(xué)教學(xué)工作者對(duì)電解裝置進(jìn)行了改進(jìn)，優(yōu)化了實(shí)驗(yàn)方案。在知網(wǎng)數(shù)據(jù)庫中，查閱了近十年的電解原理實(shí)驗(yàn)文獻(xiàn)，分析已有的電解實(shí)驗(yàn)改進(jìn)案例，有的避免了有害氣體的逸出[5～7]，但藥品用量大，利用率不高；有的實(shí)現(xiàn)了微型化[8～11]，但沒有解決實(shí)驗(yàn)儀器不方便攜帶的問題；李穎和廖鈁[12]老師改進(jìn)的裝置可以重復(fù)使用，但會(huì)產(chǎn)生有害氣體，影響學(xué)生身體健康。研究發(fā)現(xiàn)，上述改進(jìn)裝置具有簡(jiǎn)單化、生活化的特點(diǎn)，但攜帶不便的問題沒有解決。為更好地服務(wù)化學(xué)課堂教學(xué)，我們將上述裝置的優(yōu)點(diǎn)進(jìn)行整合，進(jìn)一步改進(jìn)電解裝置，

3 ?實(shí)驗(yàn)裝置再改進(jìn)

在考慮使電解實(shí)驗(yàn)裝置更簡(jiǎn)單、現(xiàn)象更明顯、節(jié)約更環(huán)保、安全更可靠的同時(shí)，我們還考慮提高藥品利用效率，考慮化學(xué)實(shí)驗(yàn)更好地服務(wù)于課堂教學(xué)，考慮是否便于課堂教學(xué)中實(shí)施。綜合以上需求，對(duì)電解裝置進(jìn)行了如下改進(jìn)。

3.1 實(shí)驗(yàn)的材料

取規(guī)格長150?mm、寬75?mm、厚5?mm的白色塑料板（白色便于觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，塑料板長寬可根據(jù)需求調(diào)整，沒有白色塑料板也可以用木工板等代替），12V、23A小電池（含電池盒），電源開關(guān)，導(dǎo)線，螺旋銅絲，標(biāo)簽貼紙等。

3.2 裝置的制作

改進(jìn)后的電解裝置原理及實(shí)物如圖2所示，其制作過程如下：

取規(guī)格150?mm、寬75?mm、厚5?mm的白色塑料板，在中心位置的左右間隔30 mm、上下錯(cuò)開10 mm處開兩個(gè)小孔，固定兩根螺旋銅絲，用于連接電極和導(dǎo)線。

（2）在塑料板其中一端固定一個(gè)12V、23A的小型電池的電池盒，電池盒旁邊開一個(gè)小孔以固定開關(guān)并引出導(dǎo)線，用透明膠帶或膠水固定。

（3）在兩個(gè)電極之間放置pH試紙或?yàn)V紙條，作為電解液的載體，代替U型管。

（4）在螺旋狀銅絲中插入鉛筆芯或其他的導(dǎo)體做電極（根據(jù)實(shí)驗(yàn)?zāi)康母鼡Q電極材料）。導(dǎo)線通過塑料板底面與電源相連，若需美觀，可以在底面做出線槽安裝導(dǎo)線。

3.3 ?裝置的使用

3.3.1 實(shí)驗(yàn)器材及藥品：

（1）改進(jìn)電解裝置一套、學(xué)生用電流表及導(dǎo)線（帶鱷魚夾）、淀粉-KI試紙、pH試紙、濾紙。

（2）電解質(zhì)溶液：0.1 mol/LNaCl溶液、0.1 mol/LCuSO4溶液、0.1 mol/LCuCl2溶液、0.1 mol/LNa2SO4溶液。

（3）電極材料：石墨棒、銅絲、粗銅絲、鐵絲（回形針）。

3.3.2 電解CuCl2溶液

在兩根螺旋銅絲處分別插入石墨電極，用濾紙代替U形管，向?yàn)V紙上滴1～2滴氯化銅溶液。打開電源開關(guān)，可觀察到陽極附近有氣泡產(chǎn)生，用濕潤的淀粉碘化鉀試紙靠近，試紙變藍(lán)，并可聞到有刺激性氣味的氣體產(chǎn)生，證明電解池陽極發(fā)生氧化反應(yīng)產(chǎn)生Cl2；1分鐘后翻轉(zhuǎn)陰極石墨電極，觀察到石墨電極上有紅色物質(zhì)（Cu）析出（如圖3），說明有銅生成。

陰極：Cu2+?+ 2e- = Cu

陽極：2Cl--2e-?= Cl2↑

3.3.3 電解NaCl溶液

在兩根螺旋銅絲處分別插入石墨電極，用pH試紙代替U形管，向pH試紙上滴1～2滴NaCl溶液。打開電源開關(guān)，可觀察到兩極都有氣泡產(chǎn)生。陽極pH試紙變紅，20秒之后用濕潤的淀粉碘化鉀試紙靠近，試紙變藍(lán)，并可聞到有刺激性氣味的氣體（Cl2）產(chǎn)生；陰極pH試紙變藍(lán)，證明有堿性物質(zhì)（NaOH）生成。一段時(shí)間后，觀察到陽極附近pH試紙紅色褪去（產(chǎn)生HClO，體現(xiàn)漂白性）（如圖4）。

陽極：2Cl--2e-?= Cl2↑

陰極：2H2O + 2e-?= H2↑?+ 2OH-

3.3.4 電鍍銅實(shí)驗(yàn)

在陽極螺旋銅絲處插入純銅絲做電極，陰極螺旋銅絲處連接回形針（鐵制）。在兩電極間濾紙條上滴兩滴硫酸銅溶液，并打開電源開關(guān)，1分鐘之后翻轉(zhuǎn)回形針，觀察到回形針表面附著一層紅色物質(zhì)（如圖5）。

陽極：Cu-2e-?=Cu2+

陰極：Cu2+?+ 2e-?= Cu

3.3.5 演示燃料電池

在兩根螺旋銅絲處分別插入石墨電極，電極間放置一片pH試紙，向pH試紙上滴加硫酸鈉溶液。打開電源開關(guān)，觀察到兩極上均有氣泡產(chǎn)生，根據(jù)pH試紙顏色變化情況，分析得出兩極分別產(chǎn)生H2和O2。斷開電解裝置的開關(guān)后，迅速用帶鱷魚夾的導(dǎo)線連接電流表的兩個(gè)電極，發(fā)現(xiàn)電流表指針發(fā)生大幅度偏轉(zhuǎn)（如圖6），然后電流逐漸變小。該實(shí)驗(yàn)裝置成功利用兩極產(chǎn)生的H2、O2模擬燃料電池。

陽極：2H2O-4e-?= O2↑?+ 4H+

陰極：4H2O + 4e-?= 2H2↑?+?4OH-

3.4 裝置的優(yōu)點(diǎn)

3.4.1 制作材料易得

在電解實(shí)驗(yàn)的改進(jìn)裝置中用到的白色塑料板、電池（含電池盒）、電源開關(guān)、導(dǎo)線、螺旋銅絲等，都容易得到，且不受條件限制，能為條件有限的學(xué)校開展實(shí)驗(yàn)教學(xué)提供便利，提高學(xué)生實(shí)驗(yàn)開出率。可以讓學(xué)生自己尋找相關(guān)材料、購買電池自制電解裝置，教師只需提供電解液就可以在新授課中完成探究活動(dòng)，利于培養(yǎng)學(xué)生的動(dòng)手能力與創(chuàng)新精神。

3.4.2 一套裝置 多個(gè)實(shí)驗(yàn)

改進(jìn)后的裝置便于更換電極和電解液，用一個(gè)裝置可以完成多個(gè)電化學(xué)實(shí)驗(yàn)。在實(shí)驗(yàn)過程中，學(xué)生通過利用自制電解裝置或者老師提供的電解裝置（往屆學(xué)生制作的精品），自主更換電極材料和實(shí)驗(yàn)藥品，觀察在同一電解液條件下，選擇不同的電極材料，其電極產(chǎn)物發(fā)生的變化；或觀察在同一電極材料條件下，選擇不同電解液，其電極產(chǎn)物發(fā)生的變化。學(xué)生通過實(shí)驗(yàn)探究活動(dòng)，既加深了對(duì)電解原理的理解，突破了電解原理應(yīng)用的難點(diǎn)；同時(shí)，也強(qiáng)化了學(xué)生控制實(shí)驗(yàn)條件的意識(shí)，培養(yǎng)了學(xué)生的實(shí)驗(yàn)探究能力。

3.4.3 攜帶方便 操作簡(jiǎn)單

電解實(shí)驗(yàn)的改進(jìn)裝置體積小，方便攜帶；便于更換電極、試紙和電解液，操作簡(jiǎn)單；電路短，電阻較小，十秒左右產(chǎn)生明顯現(xiàn)象。改進(jìn)后的電解實(shí)驗(yàn)特別適合在課堂上做學(xué)生分組實(shí)驗(yàn)，可以更好地服務(wù)于課堂教學(xué)。該改進(jìn)裝置被很好地運(yùn)用到實(shí)際課堂教學(xué)中，參選課例成為全國中小學(xué)實(shí)驗(yàn)精品課；《一種微型電解實(shí)驗(yàn)裝置》取得了國家實(shí)用新型專利，這些成果正是對(duì)我們不斷追求改進(jìn)創(chuàng)新的肯定和鼓勵(lì)。

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