电解水实验的再改进

４　小结　感谢北京景山学校朱忠曼、刘宇林、林泽宇同　’　本文使用光敏电阻研究了一个化学反应的反　应速率。其中介绍了减少Ａ端口数值扰动的算　法、化学实验中的标定实验的设计，以及当　个稳　定的对应关系无法找到拟合函数时的处理方法。　本实验是Ｌｅｄｏｎｇ　Ｓｃｒａｔｃｈ互动教学平台首次应用　到化学实验中。Ｌｅｄｏｎｇ　Ｓｃｒａｔｃｈ互动教学平台的　学对本文实验的贡献，感谢北京景山学校化学组　林红焰老师从化学科学角度给予的建议。　参考文献　１　Ｓｃｒａｔｃｈ官方网站，程序、例子、作品发布与交流、论坛等［ＥＢ　ＯＬ］．ｈｔｔｐ：／／ｓｃｒａｔｃｈ．ｍｉｔ．ｅｄｕ　研究案例已经涉及到数学、物理、化学、信息技术、　通用技术等全面的ＳＴＥＭ领域。Ｌｅｄｏｎｇ　Ｓｃｒａｔｃｈ　互动教学平台作为一种中性的技术手段，其应用　２项华，梁森山，吴俊杰．Ｌｅｄｏｎｇ　Ｓｃｒａｔｃｈ互动教学平台的应用与　研究．教学仪器与实验，２０１１（１）～（１２）　３梁森山．Ｌｅｄｏｎｇ官方网站［ＥＢ　ＯＬ］．ｈｔｔｐ：／／ｉｍｔｃｎ．ｃｏｍ／ｎｉｎｊｉａ　４吴俊杰．本系列文章ｓｃｒａｔｃｈ操作视频下载［ＥＢ　ＯＬ］．ｈｔｔｐ：／／　领域是很广泛的。目前，该研究正处于不断产生　ｔｏｗｕｊｕｎｊｉｅ．ｂｌｏｇ．１６３．ｃｏｒｎ　新领域、新案例的阶段，并没有学科限定。随着研　５　吴俊杰．数字科学：一种信息化环境下基于数据探究的ＳＴＥＭ　究的深入，我们会将这些案例按难度、学科进行分　课程．第二届全球华人探究学习创新应用大会论文集［Ｃ］，　２０ｌ１　类，形成适用于不同学段不同学科视野的课程。　（收稿日期：２０１２－０２—１０）　电解水实验的再改进　口　王宝权　江苏省吴江市同里中学　２１５２１７　摘要对电解水实验装置进行了再改进，用２Ｂ铅笔芯作电极，用集气瓶代替玻璃管，通过量筒测量排出的水的体积确定　产生气体的体积。使用粗棉纱线盐桥改变实验装置的结构，使实验构造稳定、实验现象持久。所用仪器普通、便于推广和分　组。采用正交试验分析法对电解液的质量分数、种类、电极的粗细、电解电压四方面影响因素进行探析，得出最佳实验方案。　关键词　电解水盐桥正交试验　１改进背景　实验方案。　沪教版九年级化学电解水的演示实验是这样　２实验装置图（图１ｂ）及说明　设计的：在如图１ａ所示的水电解器中加满水，接　通直流电源，观察实验现象，思考玻璃管中生成的　是什么气体¨　。由于电解水用的管子太小（内径　仅为８～ｌＯｍｍ），且都是尖嘴的，所以电解出来的　氢气和氧气的量极少，检验时所呈现象一瞬即　逝，只有近处的少数几个学生能观察到。针对这　一情况，查阅１９９２～２０１０年相关文献资料发现已　ａ改进前　ｂ改进后　有很多同行对电解水实验进行过不同程度的改　图１　进。概括为以下几点：①探讨电极材料和电解液；　改进说明：①玻璃管改为集气瓶；②用盐桥连　②改进玻璃管的容积；③改进检验部位。这些改　接两瓶液体；③用量筒间接测量气体的体积。　进大都是在霍夫曼电解水装置的基础上进行的，　３实验方案的确定　不是装置过于难做（需要专门的固定装置），就是　（１）材料的选择　实验时难操作（需要液面下操作）。本文提供一　资料显示：在没有铂电极的情况下采用铁电　套普通中学实验窒易组装的实验装置及易操作的　极，电解液使用１０％一１３％的氢氧化钠溶液，就　《教学仪器与实验》第２８卷２０１２年第３期　・　１１　・　可以使氢气与氧气的体积比接近于２：１　。　用铁丝作电极，５％～１５％氢氧化钠溶液作电　溶液中无气泡产生）作电极材料，以１０％的磷酸　二氢钾溶液作电解液，电解速率快　。经试验无　阳极受损现象，但电解后却不能保持澄清。　石墨碳棒是易导电的惰性电极，副反应非常　小，同温同压下，生成氢气和氧气的体积比，始终　解液的实践。常见的铁丝有以下三种：①光亮的　２５号细铁丝；②镀锌铁丝；③镀铬铁丝。实验现　象如下：①细铁丝只要放到氢氧化钠溶液中无需　通电即可看到有气泡冒出，说明它的组成成分与　氢氧化钠发生反应产生的气体会导致电解时产生　保持在２：１，而且电解液自始至终洁净透明　。　我使用２Ｂ铅笔芯代替石墨电极，发现有更　的气体不纯或数值不准确。②一般的镀锌铁条电　解时表面出现一层白色膜状物，随着气泡的冒出，　白膜被慢慢顶开且变为灰绿色，又很快变成褐色。　把铁电极取出时褐色膜脱落。滤出清液，向褐色　好的效果，即使长时间使用，阳极也不会出现脱落　黑色物质的现象，电解后溶液仍能保持澄清。在　同一容器中时，电源可用学生低压电源，调至直　流ＩＯＶ，电解速度就能满足实验需要。电解液在　固体中加入１：２的稀盐酸，固体立即溶解呈黄色　溶液，向其中滴入１～２滴ＫＳＣＮ溶液出现血红　色，说明有三价铁离子生成。③镀铬铁丝，我使用　镀铬回形针，现象同②。我们知道，在电解中，氢　氧根中一２价的氧在阳极失去两个电子被氧化成　初生态的氧原子，氧又有很高的氧化性，在碱性介　不同的容器中时，需要使用盐桥连接，电源需调　至直流１６Ｖ以上速度较快。随着电压的提高，速　率不断增大，一般电解电压达到２４Ｖ，就能满足实　验的要求，可以在１０ｍｉｎ内收集到３０～５０ｍＬ的　氢气。　（２）正交试验的数据记录和方案分析　质中很容易把铁氧化成棕色的氢氧化铁，而使水　着色，导致学生产生疑惑，影响演示效果　。另　外手接触到电解液的部分有痒及灼烧感，说明电　以不同规格的２Ｂ铅笔芯作电极，分别以碳　酸钠　、硫酸钠、磷酸二氢钾３种盐的溶液作电解　液，采用盐桥电解方式进行试验。考察指标：氢气　和氧气的体积比，氢气的生成速率。考察的因素　及其水平如表１所示。　按照表２安排试验。在表２的右方列出测得　解液的腐蚀性太强，电解后由于有铁的氢氧化物　生成导致剩余液体很浑浊。这样做显然已经不再　是电解水而是电解氢氧化钠溶液了。总之只要是　能被磁铁吸引，无论是镀锌铁、镀铬铁，还是不锈　钢、电炉丝作阳极，在碱性环境中均会产生阳极被　腐蚀且电解液浑浊不堪的现象。　用铜丝做电极，情况类似于铁，阳极附近先产　生蓝色絮状物，慢慢铜表面变黑，气泡却不多。取　出阳极放人１：２的稀盐酸中迅速产生大量气泡，　的指标数据，在表的下方列出对测得数据的计算结　果，便得到试验结果分析计算表，如表２所示。　由表中可以看出，跟Ｄ因素对应的Ｒ最大，　表明Ｄ因素对速率的影响最大，Ａ因素次之，Ｃ因　素再次之，Ｂ因素影响最小。在Ａ１Ｂ３Ｃ３Ｄ３条件　下，即Ａ＝１５％，Ｂ＝磷酸二氢钾溶液，Ｃ＝　３．０ｍｍ，Ｄ＝２４Ｖ时，产生氢气的速率最大，同时　体积比也最接近２：１。　４实验步骤及现象　（１）粗棉纱线盐桥的制备　把１ｇ～１．５ｇ的琼脂和ｌＯｇ的ＫＮＯ　放人大　黑色消失，出现光亮的红色铜，溶液出现淡绿色，　说明在电压及氧气的作用下，阳极铜损失较多，产　生的氧气较少。　可见，用普通金属做电极在碱性介质中电解　水，阳极的金属本身在电解时会释放出部分电子　（即：Ｍ—Ｂｅ＝Ｍ　），并与新生态氧结合成金属氧　化物薄膜　。　约３０ｍＬ的水中，加热至微沸，等待全部固体溶解　后，把一段粗棉纱线（可以用没使用过的酒精灯　采用铬镍含量较高的奥氏体型不锈钢（不能　被磁铁吸引，常温下放人１５％的硫酸或氢氧化钠　灯芯）浸泡在液体中，待全部浸透冷却后取出，　备用。　表１　实验影响因素与水平的设计　・１２・　Ｅｄｕｃａｔｉｏｎａｌ　Ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ　Ａｎｄ　Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ　Ｖｏ１．２８，Ｎｏ．３，２０１２　表２　电解水试验结果分析计算表　。２　３　４　５　６　７　９　ｕ　ｓｊ　Ｒ　试验号　Ａ因素　Ｂ因素　ｃ因素　。因素　１０ｍｉｎ１０ｍｉｎ氧气体积（　体积（ｍＬ）　１　１　１　ｌ　２：０．９３３　ｌ　２　２　２　２：０．９９３　１　３　３　３　２：０．９９６　２　１　２　３　２：０．９８４　２　２　３　ｌ　２：０．９２３　２　３　ｌ　２　２：０．９７３　３　ｌ　３　２　２：０．９８６　３　２　１　３　２：０．９７５　３　３　２　１　２：０．９５０　７．８　５．６　４．９　１．２　５．２　５．９　５．９　８．０　５．６　７．１　６．８　９．４　２．６Ｏ　１．８７　１．６３　０．４０　１．７３　１．９７　１．９７　２．６７　１．８７　２．３７　２．２７　３．１３　Ｏ．８７　０．５Ｏ　０．６４　２．７３　（２）实验操作及现象　３如　５　勰　４　０　２　Ｏ　验且不产生泡沫。　①检查装置的气密性。　③用量筒间接测量气体的体积，便于移开　②在两个５０ｍＬ集气瓶里分别加满１５％的磷　观察。　酸二氢钾溶液。　Ｈ　２　ｍ　¨　④所用器材普通，便于分组实验。　③将带有盐桥、电极和导气管（三者下端　４　９　４　３　４　７　８　７　９　⑤粗棉纱线盐桥的制备比传统的玻璃管盐桥　均要接近集气瓶底部）的橡皮塞盖住瓶口并旋　制备省时且方便使用。　紧，从橡皮管口慢慢加入液体至充满（解决压　⑥电解液接近中性更接近于电解水。　强差问题），把橡皮管排水口分别放人两个量　６实验注意事项及说明　杯（或小烧杯）中并使导管充满上述电解液，无　①为了减少氧气的溶解，可以在旋紧橡皮塞　气泡。　之前先进行预电解。　④接通直流电源，把电压调到适当的数值。　②粗棉纱线盐桥与橡皮塞接触处用橡皮泥　⑤待阴极集气瓶中的气体充满后，关闭　０　３　４　２　Ｏ　２　２　２　Ｏ　３　Ｏ　５　５　５　２　８　４　４　密封。　电源。　⑥夹紧两直角玻璃管尾端的止水夹，把橡皮　参考文献　管的另一端从量筒中取出，读取量筒中液体的　１　王祖浩，王磊．义务教育课程标准实验教科书化学（九年级上　体积。　册）［Ｍ］．上海：上海教育出版社，２００９：４８　⑦拔掉阳极集气瓶上的橡皮塞并迅速盖上玻　２　金乐等．电解水实验条件探索与装置改进［Ｊ］．湘潭师范学院　学报，２００２（１２）：３２　璃片，用带火星的木条检验气体。　３王纪平．电解水装置改进的尝试［Ｊ］．教育，２００９（６）：４１　⑧把阴极的集气瓶倒置，拔掉橡皮塞并迅速　４祁秀勇，裴文昊．电解水实验的制约因素和应对方法［Ｊ］．化　盖上玻璃片，用点燃的蜡烛检验气体。（将点燃　学教学，２００２（９）：７　的蜡烛伸人瓶中，看见蜡烛火焰消失，瓶口有淡　５王长健，尤乃丽．电解水实验的进一步改进［Ｊ］．化学教学，　蓝色火焰，拿出时发现蜡烛火焰又出现。可以　１９９８（５）：１１—１２　６沈理明．化学实验教学与研究［Ｊ］．贵州：贵州教育出版社，　反复几次，说明里面的气体具有可燃性。）　２００４：４５—４８　５实验的优点　７张振明．对初三化学电解水实验的改进［Ｊ］．教育革新，２００８　①装置稳固，无需专门的固定装置。　（８）：５１　②用集气瓶收集气体较多，有利于气体的检　（收稿日期：２０１１－１０－０８）　《教学仪器与实验》第２８卷２０１２年第３期　・　１３　・