一种简易电解水装置及其多学段应用.pdf

实验教学教育与装备研究2023 年第 8 期一种简易电解水装置及其多学段应用侯 燕陈子帅麦裕华马 强摘要:电解水实验是一个在初、高中化学课程均有较大教学功能的经典实验。使用载玻片作电解池、铅笔芯作电极、块状电池作电源,制作了一种简易的电解水实验装置。该实验装置成本低廉、组装和操作简单,能够完成水的电解、电解液 pH 的变化、氢氧燃料电池放电实验,适用于学生实验探究活动。同时,借助手机图像处理技术,估算 H2/O2体积比。该实验装置有助于满足不同学段的教学需求,发展学生科学思维和探究能力。关键词:电解水;氢氧燃料电池;实验装置中图分类号:G434文献标识码:A侯燕,河南师范大学化学化工学院,讲师;陈子帅,河南师范大学化学化工学院学生;麦裕华,广东省广州市荔湾区教育发展研究院,教研员,本文通讯作者;马强,河南省新乡市公共就业创业服务中心,讲师。一、引言电解水实验是一个贯穿初、高中化学课程的经典实验,对学生化学学科核心素养的发展具有较大的教学作用1。在初中阶段,电解水实验可用于“水的组成及变化”教学,提供了引导学生形成“物质是由元素组成”化学观念的事实基础。在高中阶段,电解水实验可用于“电化学”教学,有助于创建教学情境,培养学生的“证据推理与模型认知”学科核心素养。在人教版的初中化学教科书中,电解水实验装置是简易的霍夫曼水电解器。该装置电解效率较低,气流难以控制2。基于此,研究者对电解水实验装置进行了多方面改进,取得了较好的实验效果3-5。但大多数改进的实验装置仍存在一些不足,例如实验装置结构复杂、电解液用量较大、电解速度慢、实验现象不明显、学生难以亲自动手实验等。在参考前人研究成果的基础上6,笔者使用生活中的常见物品,制造了一种成本低廉、组装和操作简单、实验现象快速明显,有利于学生开展探究实验的简易电解水装置。另外,借鉴智能手机拍摄实验现象和图像处理软件分析实验数据的思路7,可以使用该实验装置定量估算氢气和氧气的体积比。该实验装置满足初、高中不同阶段和主题教学内容的需求,可成为电解水实验教学的常用装置。二、实验(一)仪器与药品(1)仪 器:载 玻 片,2B 铅 笔 芯(直 径0.5mm),块状电池(9V),导线,透明胶带,胶头滴管,智能手机,计算机(含图像处理软件),发光二极管。(2)药品:0.3mol/L NaOH 溶液,0.3mol/L H2SO4溶 液,1mol/L KNO3溶 液,百 里 酚 蓝溶液。(二)实验装置如图 1 所示,电解装置由铅笔芯、载玻片和块状电池构成。取 1 块载玻片,将 2 根铅笔芯置于载玻片上,铅笔芯与载玻片边缘平行,铅笔芯末端接近载玻片粗糙面与光滑面的交界处。682023 年第 8 期教育与装备研究实验教学另取 1 块载玻片,将 2 块载玻片重叠,并用透明胶带固定。图 1电解水装置铅笔芯导电性强、粗细均匀、成本低,具有优良的吸附性能和电极活性8,因而可作为电极使用。借助水的表面张力,电解液可以稳定地保存在载玻片之间。通过透明的载玻片,能够清晰地观察到电解水过程中氢气和氧气的生成。因此,使用载玻片构筑了微型电解池。块状电池(9V)的正负两极位于同侧,便于直接接触两电极,引发电解水反应发生。(三)实验步骤(1)水的电解向载玻片间滴加适量 0.3mol/L NaOH,将块状电池的两极接触铅笔芯,电解时间为 5s,观察实验现象。将手机置于实验装置正上方,拍摄实验现象,以获得用于定量分析的图像。使用图像处理技术,估算 H2/O2体积比。其后,采用不同电 解液(0.3mol/L H2SO4溶液、1mol/L KNO3溶液)进行实验,对比实验结果。(2)电解液 pH 的变化采用 1mol/L KNO3溶液作为电解液,电解时间为 40s。电解结束后,滴加适量百里酚蓝溶液作为指示剂,观察实验现象。(3)氢氧燃料电池放电采用 0.3 mol/L NaOH 溶液作为电解液,电解时间为 40s。电解结束后,将电极与发光二极管相连,观察实验现象。(四)H2/O2体积比计算借助图像处理技术读取手机拍摄的实验现象图片的像素数据,可以估算出电解水实验产生的氢气与氧气的体积比。由于实验装置中的铅笔芯夹在两个载玻片之间,为容纳电解反应产生的气体创造了空间。同时,载玻片的边缘为开放状态,集聚于载玻片间的气体压力值接近大气压。因此,如图 2 所示,其中:a 为氢气气泡图像,b 为优化后的氢气和氧气气泡图像,c 为氧气气泡图像。可以将载玻片间的气泡视为圆柱体。根据铅笔芯的直径为 0.5mm,将气泡高度默认为 0.5mm。气体的体积可由式 1计算得到。V气体V总=P气体P总(式 1)其中,V 代表气体体积,P 代表像素数。图1b 的实际面积是 3cm2,总像素数是 241684。由此,得到式 2。V气体=P气体V总P总=3 0.05241684P气体=34833680P气体(式 2)气体的体积比也可由式 3 计算得到。VH2VO2=PH2PO2(式 3)图 2电解 0.3mol/L NaOH 溶液 40s 时的气泡图像。(a)氢气气泡图像;(b)优化后的氢气和氧气气泡图像;(c)氧气气泡图像三、结果与讨论(一)水的电解实验电解 0.3mol/L NaOH 溶液,获得的实验数据见表 1。随着电解时间的延长,H2/O2体积比逐渐与理论值接近,这表明像素读取结果的准确性与电解时间相关。在电解水实验的初始阶段,电极附近产生的气泡极小,气泡间未能融合成为较大气泡。78实验教学教育与装备研究2023 年第 8 期电解时间越长,载玻片间气体存储越多,气泡融合越大,图像中气泡所占像素读取值越准确,所得气体体积比越接近理论值。为进一步探究实验值与理论值偏差的原因,从电解水实验过程的副反应以及气体物理性质角度,分别进行了深入分析。表 1电解 0.3mol/L 氢氧化钠溶液的实验结果电解时间/sPH2/像素PO2/像素VH2/cm3VO2/cm3H2/O2体积比82125051500.013190.003204.131637491133640.023270.008292.812451035188910.031670.011722.703261849245570.038390.015242.524067457272690.041870.016922.47(1)阳极氧化的影响在电解过程中,阳极附近生成氧气时,会产生强氧化性的自由基。这些自由基会进一步与铅笔芯中的石墨发生氧化反应9。由于石墨的氧化与氢氧根离子的氧化是竞争反应,这导致氧气的生成量减小,使得 H2/O2体积比偏大。此外,如图 3a 所示,电解后的阳极铅笔芯比电解前明显变黑。为进一步探究电解前、后电极表面微观形貌的变化情况,笔者使用场发射扫描电镜进行观察。比较图 3b 和图 3c,电解后阳极铅笔芯表面出现明显的孔洞缺陷。这由于部分片状石墨被氧化,从电极表面脱落而形成了孔洞10。阳极石墨的氧化影响了氧气的生成,使得 H2/O2体积比大于 2。尽管石墨作为电极会存在一定问题,但从实验的整体成本、实验过程的简便性等角度考虑,铅笔芯仍然是作为电极的重要选择。图 3铅笔芯的宏观和微观图像(2)气体溶解度差异的影响常 温 常 压 下,氧 气 在 水 中 的 溶 解 度 是31mL/L,比氢气的溶解度(18.2mL/L)大。因此,与氢气相比,更多的氧气溶解在水中,使得H2/O2体积比大于 2。另外,为对比不同电解质溶液对 H2/O2体积比的影响,笔者进一步使用稀硫酸和硝酸钾溶液作为电解液进行实验,电解时间为 40s。由表 2 可知,电解液为 0.3mol/L 硫酸溶液时,H2/O2体积比远大于 2。其原因可能是硫酸根离子在阳极发生了以下副反应11:2HSO-4-2e-=H2S2O8(式 4)H2S2O8+H2O=H2SO4+H2SO5(式 5)H2SO5+H2O=H2O2+H2SO4(式 6)上述副反应与阳极析氧反应互为竞争反应,造成氧气生成量减少,使得 H2/O2体积比大于理论值。电解液为 0.3 mol/L 硝酸钾溶液时,H2/O2882023 年第 8 期教育与装备研究实验教学体积比远小于 2。其原因可能是硝酸根离子在阴极发生了副反应12:NO-3+H2O+2e-=NO-2+2OH-(式 7)NO-2+4H2O+4e-=NH2OH+5OH-(式 8)上述副反应与阴极析氢反应互为竞争反应,使得氢气生成量减少,导致 H2/O2体积比小于理论值。表 2电解硫酸和硝酸钾溶液的实验结果溶液PH2/像素PO2/像素VH2/cm3VO2/cm3H2/O2体积比0.3mol/L硫酸溶液73606223080.045680.013853.291mol/L硝酸钾溶液44123474120.018260.019620.93上述对比实验表明,不同电解液对实验结果影响较大。稀硫酸和硝酸钾溶液不适宜作为电解水实验的电解液,其原因是电极副反应导致 H2/O2体积比明显偏离理论值。在初中化学课堂教学中,适宜使用氢氧化钠溶液作为电解液,引导学生近距离观察实验现象,认识水的电解反应。在课外综合实践活动中,可试用电解水反应过程的实验现象图片和像素数据,引导学生从定量视角探究水的组成,尝试提出有关实验数据偏差的问题,初步形成“数据误差分析”观念。(二)电解液 pH 的变化实验当硝酸钾溶液作为电解液时,往电解后的溶液中加入百里酚蓝溶液,阳极区域溶液显酸性而呈红色,阴极区域溶液显碱性而呈蓝色(图 4)。该实验现象明显,对学生产生强烈的认知刺激,有助于引导学生认识不同电解区域溶液电解后的 pH 变化。(三)氢氧燃料电池放电实验本实验装置在完成电解实验后,可以转化为氢氧燃料电池。先将两个实验装置各自进行40 s 的电解过程,然后将其串联起来,可以将发光二极管点亮。“制作简单的燃料电池”是高中化学选择性必修课程的学生必做实验之一。“如何制作课堂教学适用的燃料电池”成为有图 4电解硝酸钾溶液后阳极、阴极区域的 pH 变化效实施该必做实验时待解决的重要问题。本实验装置转换为氢氧燃料电池后,能够让学生直接感受到化学能与电能之间的相互转化,有助于学生理解燃料电池与电解池的相关知识。四、实验的教学价值(一)助力不同阶段和主题教学内容的需求电解水实验和制作氢氧燃料电池实验是学生开展科学探究活动的重要内容。本实验装置支持学生探究水的组成、不同电解质溶液对电解水实验的影响、电解后电极区域溶液 pH 的变化及其成因、氢氧燃料电池的供电效能等科学问题,具有广泛的多学段教学功能,可以满足不同阶段和主题教学内容的需求。此外,针对有气体生成的其他电解反应,该实验装置也可以用于电解产物的定性检验,具有一定的应用普适性。(二)助力学生科学思维和探究能力的发展确定电解水实验中生成气体的 H2/O2体积比,是探究水的组成的重要步骤。本实验装置不直接提供气体体积读数,学生因而需要寻找关联的物理量,建立气体体积与实验现象图片像素的联系,通过转换物理量的思维方式解决问题。同时,在教师的有序引导下,学生可以经历开放程度不一的科学探究过程,锻炼科学过程技能,发展科学探究能力。参考文献:1 秦蕾.浅析“电解水实验”在不同教学阶段的应用J.化学教育,2010,31(9):33-34,62.2 郭晓丽,李淑芳,魏锐.一种小型电解水装置的设计J.化学教育(中英文),2018,39(1):66-69.3 罗鹏,谢巧兵.自制微型简易电解水装置J.中学化学教学参考,2017(15):57-58.98实验教学教育与装备研究2023 年第 8 期4 黄媛,柯志超,黄丹青.新型电解水实验装置的研制与应用J.化学教与学,2020(5):94-95,54.5 黄海燕,王泽安.电解水小型实验装置的设计J.化学教学,2021,43(8):72-75.6 LING Y,CHEN P,LI J,et al.Using image recogni-tion and processing technology to measure the gas volume in a miniature water electrolysis device con-structed with simple materials J.Journal of Chemi-cal Education,2020,97(3):695-702.7 刘厦,刘畅,李楠,等.智能手机应用于便携式检测技术的研究进展J.分析试验室,2017,36(1):120-124.8 陈静,陈懿.氢氧燃料电池演示实验的改进J.化学教学,2022,44(4):74-78.9 钱莉,丁伟.利用手持技术探究石墨电极电解水的实验J.化学教育(中英文),2020,41(13):96-100.10 KIM K,PAIK S-H,RHEE C K.Water electrolysis accompanied by side reactions J.Journal of Chemical Education,2021,98(7):2381-2386.11 栾万利,张乃东,朱正江.双阳极氧化与日光/派生过硫酸盐氧化复合降解刚果红J.化工学报,2012,63(4):1234-1242.12 ZHANG G,WEN M,WANG S,et al.Insights into electrochemical behavior and anodic oxidation pro-cessing of graphite matrix in aqueous solutions of so-dium nitrate J.Journal of Applied Electrochemis-try,2016,46(12):1163-1176.(责任编辑:加顺花)“木炭还原氧化铜”实验的一体化设计叶 兰尹兆兰摘要:遵循实验改进的科学原则,立足教学实际,对文献中“木炭还原氧化铜”的实验改进从实验药品、实验器材、实验环境三个角度,总结出该实验成功的最佳条件是:使用打印机墨盒中残余的碳粉、用脱脂棉卷成粗棉条作灯芯、用浓度为 95%的酒精作燃料、用玻璃丝增大反应物接触面积、控制好碳粉和氧化铜质量比为 1 10.6 左右。该实验装置的一体化设计,操作简单,耗时短,安全环保,整个实验体现绿色化学理念,提升了实验教学效果。关键词:木炭还原氧化铜;反应物质量配比;实验最佳条件;一体化设计中图分类号:G434文献标识码:A叶兰,湖南省长沙市雨花区教育科学研究所仪器管理中心主任、化学教研员;尹兆兰,湖南省长沙市长郡雨花外国语学校,一级教师。本文为湖南省重点资助规划课题“基于深度学习区域推进课堂教学转型的实践研究”(课题批准号:ND211502)项目研究成果。一、实验主要疑难点及原因分析(一)教材实验反应条件苛刻木炭还原氧化铜的反应:2CuO(s)+C(s)=2Cu(s)+CO2(g),H=-93.5kJ/mol。该反应是放热反应,是熵增反应,可自发进行1。从热力学角度分析,该反应在常温下就能进行,但从动力学角度分析,该反应需要的活化能较高,根据阿伦尼乌斯公式 K=Ae-Ea/RT可知,通过提高反应初始温度可促使反应加速进行。为增加活化分子百分数,本反应所需的温度至少需要达到 6002以上。如需快速达到该温度要求,则需使用酒精喷灯,但酒精喷灯的高温易使普通玻璃试管熔化变形,就算将普通试管换成硬质玻璃管,如若加热时间过长,硬质玻璃管也会出现熔化现象。且实验时教师须不停地移动09