電解實驗裝置的改進

車耀 吳軍 葉繼東 劉小玲

摘?要：對教材上的電解實驗和已有的電解實驗改進案例進行分析，利用塑料板等易得材料對電解裝置進行改進，設計出的改進裝置攜帶更方便、操作更簡單、耗時更短，適合學生在課堂上做分組實驗，能更好地服務課堂教學。改進后的實驗裝置便于更換電極和電解液，用一個裝置可以完成多個電化學實驗。

關鍵詞：電解裝置；裝置改進；實驗探究

1 ?問題的提出

《普通高中化學課程標準（2017年版2020修訂）》對教學提出實施建議：“條件有限的學校，可采取教師演示實驗或利用替代品進行實驗，鼓勵實驗的綠色化設計”，“充分認識化學實驗的獨特價值，精心設計實驗探究活動”，“引導學生通過實驗探究活動學習化學”。實驗及探究活動建議為：“電解氯化銅溶液，電解飽和食鹽水，簡單的電鍍實驗”[1]。其精辟的論述理所當然地成為我們實驗創新的理論依據和教學質量的衡量標準。

在人教版[2]、蘇教版[3]高中化學教材中，均有電解CuCl2溶液的演示實驗，魯科版[4]高中化學教材在課后習題中呈現電解氯化銅溶液的裝置圖。三套高中化學教材中電解CuCl2溶液的裝置結構相似，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驗，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）電解耗時比較長。因此，有必要作深入探進。

2??對已有實驗改進案例的述評

針對教材電解裝置的不足之處，眾多化學教學工作者對電解裝置進行了改進，優化了實驗方案。在知網數據庫中，查閱了近十年的電解原理實驗文獻，分析已有的電解實驗改進案例，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；有的實現了微型化[8～11]，但沒有解決實驗儀器不方便攜帶的問題；李穎和廖鈁[12]老師改進的裝置可以重復使用，但會產生有害氣體，影響學生身體健康。研究發現，上述改進裝置具有簡單化、生活化的特點，但攜帶不便的問題沒有解決。為更好地服務化學課堂教學，我們將上述裝置的優點進行整合，進一步改進電解裝置，

3 ?實驗裝置再改進

在考慮使電解實驗裝置更簡單、現象更明顯、節約更環保、安全更可靠的同時，我們還考慮提高藥品利用效率，考慮化學實驗更好地服務于課堂教學，考慮是否便于課堂教學中實施。綜合以上需求，對電解裝置進行了如下改進。

3.1 實驗的材料

取規格長150?mm、寬75?mm、厚5?mm的白色塑料板（白色便于觀察實驗現象，塑料板長寬可根據需求調整，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，導線，螺旋銅絲，標簽貼紙等。

3.2 裝置的制作

改進后的電解裝置原理及實物如圖2所示，其制作過程如下：

取規格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、上下錯開10 mm處開兩個小孔，固定兩根螺旋銅絲，用于連接電極和導線。

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

（3）在兩個電極之間放置pH試紙或濾紙條，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體做電極（根據實驗目的更換電極材料）。導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線。

3.3 ?裝置的使用

3.3.1 實驗器材及藥品：

（1）改進電解裝置一套、學生用電流表及導線（帶鱷魚夾）、淀粉-KI試紙、pH試紙、濾紙。

（2）電解質溶液：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，向濾紙上滴1～2滴氯化銅溶液。打開電源開關，可觀察到陽極附近有氣泡產生，用濕潤的淀粉碘化鉀試紙靠近，試紙變藍，并可聞到有刺激性氣味的氣體產生，證明電解池陽極發生氧化反應產生Cl2；1分鐘后翻轉陰極石墨電極，觀察到石墨電極上有紅色物質（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，可觀察到兩極都有氣泡產生。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，并可聞到有刺激性氣味的氣體（Cl2）產生；陰極pH試紙變藍，證明有堿性物質（NaOH）生成。一段時間后，觀察到陽極附近pH試紙紅色褪去（產生HClO，體現漂白性）（如圖4）。

陽極：2Cl--2e-?= Cl2↑

陰極：2H2O + 2e-?= H2↑?+ 2OH-

3.3.4 電鍍銅實驗

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，1分鐘之后翻轉回形針，觀察到回形針表面附著一層紅色物質（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，觀察到兩極上均有氣泡產生，根據pH試紙顏色變化情況，分析得出兩極分別產生H2和O2。斷開電解裝置的開關后，迅速用帶鱷魚夾的導線連接電流表的兩個電極，發現電流表指針發生大幅度偏轉（如圖6），然后電流逐漸變小。該實驗裝置成功利用兩極產生的H2、O2模擬燃料電池。

陽極：2H2O-4e-?= O2↑?+ 4H+

陰極：4H2O + 4e-?= 2H2↑?+?4OH-

3.4 裝置的優點

3.4.1 制作材料易得

在電解實驗的改進裝置中用到的白色塑料板、電池（含電池盒）、電源開關、導線、螺旋銅絲等，都容易得到，且不受條件限制，能為條件有限的學校開展實驗教學提供便利，提高學生實驗開出率?？梢宰寣W生自己尋找相關材料、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，利于培養學生的動手能力與創新精神。

3.4.2 一套裝置 多個實驗

改進后的裝置便于更換電極和電解液，用一個裝置可以完成多個電化學實驗。在實驗過程中，學生通過利用自制電解裝置或者老師提供的電解裝置（往屆學生制作的精品），自主更換電極材料和實驗藥品，觀察在同一電解液條件下，選擇不同的電極材料，其電極產物發生的變化；或觀察在同一電極材料條件下，選擇不同電解液，其電極產物發生的變化。學生通過實驗探究活動，既加深了對電解原理的理解，突破了電解原理應用的難點；同時，也強化了學生控制實驗條件的意識，培養了學生的實驗探究能力。

3.4.3 攜帶方便 操作簡單

電解實驗的改進裝置體積小，方便攜帶；便于更換電極、試紙和電解液，操作簡單；電路短，電阻較小，十秒左右產生明顯現象。改進后的電解實驗特別適合在課堂上做學生分組實驗，可以更好地服務于課堂教學。該改進裝置被很好地運用到實際課堂教學中，參選課例成為全國中小學實驗精品課；《一種微型電解實驗裝置》取得了國家實用新型專利，這些成果正是對我們不斷追求改進創新的肯定和鼓勵。

參考文獻：

[1] 中華人民共和國教育部制定.普通高中化學課程標準（2017年版2020年修訂）[S].北京：人民教育出版社，2020：29，72～73.

[2] 王晶，鄭長龍主編.普通高中化學教科書·化學（選擇性必修）第一冊[M].北京：人民教育出版社，2019：104.

[3] 王祖浩主編.普通高中化學教科書·化學（選擇性必修）第一冊[M].江蘇：鳳凰教育出版社，2021：24.

[4] 王磊，陳光巨主編.普通高中化學教科書·化學（選擇性必修）第一冊[M].北京：人民教育出版社，2019：28.

[5] 吳小輝，伍俊文.電解氯化銅溶液裝置的改進與思考[J].化學教學，2018，（10）：72～74.

[6] 李楠，羅兵，唐其生.電解飽和食鹽水實驗裝置的新設計[J].化學教學，2019，（4）：66～69.

[7] 魏崇啟.電解氯化銅溶液實驗改進[J].化學教與學，2012，（7）：97.

[8] 陳秀娟.電解池裝置微型化改進及教學探究[J].化學教與學，2019，（12）：90～92.

[9] 鄒雪連，張邱.電解氯化銅溶液微型化實驗改進[J].中學化學教學參考，2016，（6）：53.

[10] 張瑞超，卓穎，沈衛所，鄭迅紅.電解氯化銅溶液實驗的改進[J].實驗教學與儀器，2016，（5）：29～30.

[11] 黃程，邵志新.輸液皮條在電解實驗改進裝置中的應用[J].化學教育，2015，（9）：56～57.

[12] 李穎，廖鈁.電解氯化銅溶液實驗的改進[J].中學化學教學參考，2017，（10）：61～61.