课题3《水的组成》实验改进.doc

水电解实验中关于氢气和氧气的体积比探析
理论上电解水时产生的H2和O2的体积比应该是2:1，但实际上H2的体积往往超过两倍。产生这一误差的原因是多方面的，主要原因是：两个集气管中水柱压力不相等；氢氧两种气体在电解液中的溶解度不同；在相同温度和压力下，氧气的溶解度比氢气大，还有电极上会发生一些副反应。例如，用自来水配置NaOH做电解液，因溶液中含有Cl-，阳极放出氧原子与Cl-生成ClO-，消耗部分氧；若使用稀H2SO4做电解液，则有下列副反应发生：
 H2SO4＝H+＋HSO4-
 在阴极：2 H+＋2e-＝H2；在阳极：2HSO4-－2e-＝H2S2O8   (过二硫酸)
 H2S2O8＋H2O＝H2SO4＋H2SO5   (过一硫酸)；H2SO5＋H2O＝H2O2＋H2SO4
 生成的过氧化氢在酸性溶液环境中较稳定，不易分解放出氧气。使放出的氧气量减少。
 用稀硫酸做电解液时，可选用铂、钨、钼或铅作电极材料。如果用碱液做电解液时，铁钉、保险丝或不锈钢也是较好的电极材料。因为在碱性溶液中，这些电极表面可形成难于溶解的保护膜。这就避免了电极材料在电解过程中不断被氧化、溶解而使生成的氧气的量减少。
 对多次实验所得的数据进行分析，可以发现：电解质溶液的浓度一定时，电压越高，H2和O2的体积比越接近2:1。当电压一定时，电解质溶液的浓度越大，H2和O2的体积比越接近2:1。
 为降低误差，在使用非铂做电极材料时电极材料时，注意电极材料与电解质溶液匹配非常重要。其基本原则是：所选的电极材料应不与所选用的电解液发生化学反应，而且在电解时能在阳极表面形成不溶于该电解液的保护膜。还值得注意的是无论采用酸或是碱作电解液，都不宜采用铜或碳棒作电极。前者在电解时其阴极会不断被氧化溶解，使生成的氧气量减少。而后者的过电位高，产生气体的速率慢，对气体的吸附作用又强，而且部分氧和碳棒作用产生CO2，使氧气量减少，影响体积比。除了以上所述和选择适当的电压与电解液浓度以外，还可以先通电电解一段时间，使电解液中氧气的溶解度达到饱和以后再进行收集。

电解水实验八问
1、实验目的是什么？
 答：探究水的组成以及水分子构成。
 2、实验装置是什么？
 答：教材（人教版）中的装置               改进后的自制装置

 3、实验现象是什么？
 答：正极和负极均有气泡产生。正极产生的气泡少，负极产生的气泡多。
 4、怎样检验正极和负极产生的气体？
 答：检验正极产生的气体，用带火星的小木条。检验负极产生的气体，用燃着的小木条。
 5、为什么要检验正极和负极产生的气体？
 答：证明正极产生的是氧气，负极产生的是氢气。根据化学反应前后元素的种类不变，证明水中含有氧元素和氢元素。
6、为什么向水中加入稀硫酸或氢氧化钠？
 答：因为水的导电性很弱，加入稀硫酸或氢氧化钠增强水的导电性。
 7、为什么必须用直流电？
 答：直流电有固定的正极和负极。
 8、为什么实验前期正极和负极产生的气体的体积比小于1／2，实验后期正极和负极产生的气体体积趋近于1／2。
 答：因为在同温同压下，在水中氧气的溶解度大于氢气的溶解度。实验前期，产生的氧气部分溶解在水中，所以氧气和氢气的体积比小于1／2，随着反应的进行，氧气在水中溶解达到饱和状态，因此，实验后期，氧气和氢气的体积比趋近于1／2。

微型水电解器

一、改进实验目的
 水的电解实验既可以揭示水的元素组成，引导出单质、化合物的概念，还可以比较分子原子在化学反应中的不同变化。教材装置简单，但是实际操作并不简单。比如在水槽中进行，耗费药品量非常大，所用溶液无论是稀硫酸还是氢氧化钠溶液，均有腐蚀性，而在取放试管过程中，手不可避免地要接触到溶液，因此本实验并不安全。此外，水电解时生成的气体验证，尤其是氢气的验证，按照教材装置，实验现象转瞬即逝，学生没有观察时间，实验现象还是要靠老师描述，实验的意义没有体现出来。
 二、实验仪器及试剂
 50mL一次性塑料注射器两支、U形管一只、静脉滴注皮条一根、针头三只、橡皮塞两只、不锈钢毛衣针一根、鳄鱼夹两只、导线两根、12V蓄电池一只、火柴、酒精灯、线香、pu泡沫底座、20%NaOH溶液50mL。
 三、教具装置图及仪器的组装说明

首先把U形管固定在pu泡沫底座上面，再把两支注射器抽满水，插上已经处理过的不透气的针头，针栓插入pu泡沫底座的开孔之中，把导气管插入塑料针筒下方的直径约5mm的开口中，在电极上夹上鳄鱼夹，通电。
 四、实验操作部分
 水的电解
 通电后，电极上面会有大量的气体生成，气体会从导管进入针筒，针筒中的水会自动从针筒上面的开口处流下，流入底座上面的专门存水的开孔。当收集到一定量气体时，从电极上面取下鳄鱼夹，断电。
 生成气体的验证
 从底座上面取下与电源正极相连的一端的注射器，针栓朝上，把带火星的线香从针筒开口处插入，可以立即见到线香复燃，说明针筒中收集的是氧气。再取下另一支注射器，换上一只透气的针头，缓慢推动针栓，点燃喷出的气体，可以见到该气体可以燃烧，火焰淡蓝色，如果在火焰上方罩一个干冷烧杯，可以很快见到烧杯内壁变模糊，这种可燃的气体是氢气。实验证明，就是四十毫升的氢气，也能燃烧到十秒钟以上，学生有足够的时间观察。
 五、改进装置的意义

教材装置虽然简单易懂，但是操作起来却有很多问题：
 1.在水槽中实验药液消耗量很大；
 2.操作过程中手必然会接触到具有腐蚀性的药液，手被药液腐蚀，药液被手污染；
 3.电极与导线的接头必须密封；
 4.试管中收集到气体的体积比只能估计；
 5.气体种类验证不具有实际操作性，现象非常不明显。
 本装置只需要用50mL的NaOH溶液就能进行水的电解实验，并能方便地验证生成气体的种类。实验过程中手接触不到腐蚀性的溶液，比教材装置的安全性要高，所用材料多为塑料制品，容易加工。
 （本装置的制作方法最初发表于2006年第6期《化学教学》，文章题目为《霍夫曼水电解器的嬗变》。在2008年10月安徽省初中化学优质课评比中展示，受到与会一线教师和专家评委的高度评价，荣获一等奖。2009年4月巢湖市“送教下乡”活动中多次演示，效果良好。）

电解水实验的改进
用霍夫曼电解器电解水,教学参考书一般规定采用1:10H2SO4电解液,直流电压为6V。按上述条件做演示实验,需时较长,效果不好。为此,我们试验了6V、12V、18V、24V、30V,硫酸溶液的体积比浓度用1:10、1:8、1:6、1:4等进行电解。发现采用18—24V、1:8—1:6H2SO4,完成实验仅需4分钟。电解时产生的气体上升快、气泡大、体积比明显。如没有铂电极,可用铅电极代替。

对氢气爆炸实验装置的改进
在人教版九年级化学教材第三章关于氢气与空气混合气体爆炸实验的演示，使用的是带孔塑料筒，用纸团堵住小孔，用排水法收集一筒氢气，拿出水槽倒置（筒下垫木条），拿掉纸团、点火。由于用排水法收集，有些学生纸团堵不住，水排不出，学生不易操作，或者收集好的氢气，很多同学由于心理原因，不敢点火，即便点燃，也难以制造出爆炸的效果，且操作很不方便，又费时费力，成功率不高。为此我对该实验进行了大胆改进，采用在肥皂泡中点火爆炸。
 一、实验用品：水槽、肥皂水、氢气发生装置（锥形瓶、双孔导管配长颈漏斗）、锌粒、稀硫酸、药匙、坩埚钳、火柴（小木条）等。
 二、实验装置（如图）

三、实验原理
 采用锌粒和稀硫酸反应，把导气管直接插入装有肥皂水的水槽中，然后用火柴直接去点燃气泡发生爆炸。
 四、操作步骤
 1、组装装置；
 2、导气管直接插入装有肥皂水的水槽中；
 3、点火引爆。
 五、改进后的优点
 1、操作简单、省时省力，安全，成功率可达百分之百，现象明显，效果显著；
 2、能够在一定程度上反复多次操作爆炸，并能加深学生对氢气爆炸极限的理解；
 3、肥皂水可以就地取材，收集装置操作简单可行，水槽不易炸坏，有利于推广

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