赵雅萍 魏 鸿 于少华 魏 锐
混合罐
摘 要：利用廉价易得的塑料制品对电解实验装置进行改进，使实验微型化和生活化，操作简便易行。利用塑料试剂瓶将电解场所和气体收集场所合二为一，实现自动水封，全程无有害气体逸出。可进一步改装成双液电解池、膜法电解池，便于让学生体会从电解原理到真实工业生产的过程。实验装置还可用于电解其他溶液、制作氢氧燃料电池等，拓展实验的丰富性。 关键词：微型塑料制品；电解池；双液电解；膜法电解
作者简介：赵雅萍，硕士，二级教师。北京市昌平区教师进修学校，102200魏鸿，硕士，高级教师。北京市昌平区第一中学，102200
于少华，硕士，一级教师。北京市昌平区教师进修学校，102200魏锐，博士，副教授。北京师范大学化学学院，100875
一、问题的提出
电解CuCl 2溶液和饱和食盐水是高中化学实验教学的重点实验内容，现行人教版高中《化学(选修4)》
[1]中利用U 形管电解CuCl 2溶液，此装置需用的试剂量较多，且为敞口装置，产生的会逸散到空气中污染环境，危害人体健康。鲁科版《化学反应原理(选修)》[2]利用具支U 形管和试管等组合的装置电解饱和食盐水，如图1所示。此装置外加气体收集、检验装置，可避免逸出，但是外加装置较多，组装较复杂，且具支U 形管顶部有残留。如果想达到学生分组实验的目的，需要对此实验改进才能实现。
图1 具支U 形管电解饱和食盐水装置二、教具调研及文献分析
通过调研市场中的教具成品，发现主要是对电解场所进行改进，如用玻璃或亚克力板容器替换U 形管。具体而言，第一类是用微型玻璃瓶做电解场所，两瓶中间可以插入离子交换膜，如图2所示；第二类是用亚克力板组装长方体容器做电解场所，中间也可以插入离子交换膜，如图3所示。但是二者的缺点是都需要和气体收集、
检验装置进行组装，电解结束后拆卸装置时，依然有残留在容器内，且二者都属于订制产品，成本较高。
iphd图2 微型电解池教具 图3 膜法电解池教具通过查阅文献，许多研究者都自制教具对电解装置进行改进，相关文献有20余篇，现做如下分析。
第一类研究是针对电解场所和收集气体场所一体化的改进，利用气体密度小会升至溶液上方的特点，挤压液面下降，将气体收集到电解装置中。如研究者利用玻璃管、长颈漏斗、分液漏斗等组装电解装置，如图4所示。电解开始后，液体被压入长颈漏斗中，气体被储存在玻璃管内，打开尖嘴的活塞可以检验H 2，分液漏斗中
呈有湿润的淀粉KI 试纸，旋开活塞，使少量气体进入分液漏斗中，完成Cl 2的检验[3]。该研究检验气体方便，但是前期组装比较复杂。
图4 电解装置改进Ⅰ
实验设计与改进
还有不少研究利用注射器改进电解装置，如研究者通过在注射器的胶塞和活塞上钻孔，将铅笔芯嵌在胶塞内，并与导线连接，重新套上注射器空桶，组成电解装置，注射器底部需要钻一个大孔以加快电解速率，如图5所示。该研究还用亚克力板组装长方体容器，将阳离子交换膜固定在中空的薄片上，
组成膜法电解槽，如图6所示[4]。该研究直观展现了阳离子交换膜的作用，但是需提前在注射器上钻孔、裁切亚克力板进行组装。
图5 电解装置改进Ⅱ图6 电解装置改进Ⅲ
与此类似，还有研究者用注射器和汽水瓶底组装电解装置，如图7所示。需要在汽水瓶底部烫小孔并插入铅笔芯，然后用石蜡封住[5]。该装置的缺点是由于石墨电极在下方，产生的气体容易堵塞注射器口而停止电解。
图7 电解装置改进IV
第二类研究是将实验微型化和生活化，如研究者用掏空的橡胶塞作为电解场所，使用热熔胶把离子交换膜粘在内侧形成电解池(如图8所示)，实现单膜电解饱和食盐水与双膜电渗析法淡化海水等实验[6]。
制作成本低，简单易行，但是对于电解饱和食盐水实验来说，缺少气体收集装置，会有少量放出。
图8 电解装置改进V
综合这些研究论文的改进点，取长补短，形成的设计目标是电解场所和气体收集场所一体化、微型化，用品易得，装置组装简单，易改装为离子交换膜电解池。本文借助学校实验室中常用的微型塑料制品及其他常见用品，设计微型电解装置，实现了上述设计目标，取得了良好的教学效果，实现了开展学生实验的需求。
三、微型电解装置的改进创新
1.实验用品及药品
实验用品：微型塑料试剂瓶(俗称“眼药水瓶”，如图9所示，简称试剂瓶)，微型塑料杯(如图10所示，简称塑料杯)，曲别针，2B铅笔芯，导线，学生电源或9 V电池。
实验药品：饱和食盐水，酚酞试液，淀粉溶液，KI 溶液，NaOH溶液。
图9 试剂瓶图10 塑料杯
2.实验步骤
(1)组装装置
取两个试剂瓶，剪掉尖端，用拉直的曲别针分别在底部扎一个小孔，插入2B铅笔芯作为电极，组成电解室(如图11所示)。
图11 电解室
(2)装液电弧发生器
向塑料杯中倒入一定体积的饱和食盐水，再滴加3～5滴酚酞试液并搅拌。用未剪掉尖端的试剂瓶吸取电解质溶液，再挤入电解室中，并将其装满(如图12所示)。
图12 装液
(3)检查气密性
拿起装满电解质溶液的电解室，开口朝下，液滴不会滴下，说明气密性良好。
(4)电解
用导线连接一节9 V电池和2B铅笔芯，组成电解装置(如图13所示)，开始电解。
图13 电解装置
电解开始后，两极碳棒上立即产生明显的气泡，由于气体的密度小，升到了试剂瓶上部，挤压液面下降，实现了自动水封，电解产生的气体都被储存在试剂瓶内，后续可以随时拿来检验。
firmicutes
电解过程中可以观察到阴极的电解质溶液变红，阳极的电解质溶液呈浅黄绿。阴极收集到的气体体积明显多于阳极的气体。电解5分钟后，可收集到接近一瓶氢气，取下鳄鱼夹，完成电解(如图14所示)。
图14 电解开始后的现象
(5)检验两极产生的气体
检验阴极产生的气体时，挤掉瓶口的溶液，此时空气混入；将瓶口对准火焰，轻轻挤压，听到明显的“噗”声，说明是氢气，如图15(a)所示。此操作简单易行，但要注意试剂瓶与火焰的距离，避免引燃试剂瓶。也可以如图15(b)所示，用带针头的注射器小心地扎入阴极试剂瓶的上部，将气体抽出，对着火焰缓缓挤压，待注射器针头产生持续的火焰，说明生成了可燃性气体。注意推注射器挤压气体时速度不能过慢，否则看不到火焰。
(a) (b)
图15 检验氢气的两种方法
检验阳极产生的气体时，先提前在两个塑料杯中分别倒入一定量的淀粉KI溶液和NaOH溶液(实验现象对浓度要求不高，因此文中未规定具体的浓度和体积)，取阳极的试剂瓶，将其中剩余的液体和气体一起挤入淀粉KI溶液中，再吸入另一个杯中的NaOH溶液进行尾气处理。看到淀粉KI溶液先变黄后变蓝(先变黄的原因待查证)，说明阳极生成了，全程无有害气体逸出。
四、拓展实验
吊葫芦1.膜法电解池和双液电解池
电化学教学中还会涉及膜法氯碱工业的知识，以本装置为基础，可进一步组装膜法电解池和双液电解池，并能比较单液、膜法、双液电解池的电解效果，促进学生理解“膜”的作用及工业电解装置的优化过程。
室外路径(1)实验用品
本实验还需用到的实验用品有阳离子交换膜、热熔胶、胶和滤纸条。
(2)组装双液电解池和膜法电解池
①裁剪一小块阳离子交换膜，边长与塑料杯直径匹配，用热熔胶把膜粘在塑料杯的内侧，向一侧加水检验密闭性。向两侧加入电解质溶液，再将电解室放进两侧，即组装成膜法电解池，如图16所示。热熔胶防水性好，膜法电解池可反复使用。
实验设计与改进
图16 膜法电解池
②向两个空塑料杯中加入电解质溶液，用浸透饱和食盐水的滤纸作为盐桥，将电解室分别放入两个杯中，形成双液电解池，如图17所示。
图17 双液电解池
(3)比较电解效果
向两种电解池中加入一定量滴有酚酞试液的饱和食盐水，向电解室内装液、检查气密性等操作与前文相同，接通电源开始电解。
可通过相同电压、相同时间内产生气体的体积多少及红深浅，比较单液电解池、双液电解池和膜法电解池的电解效果。
电解5 min后，单液电解池和膜法电解池产生气体的体积均较多，双液电解池产生气体的体积少；膜法电解池阴极侧溶液的红最深。
双液电解池电解速率慢是由于盐桥的存在而使其内阻大。膜法电解池阴极侧溶液的红比单液电解池的还要深，除了存在漂白酚酞的可能，另一部分原因是膜的存在避免了OH-与接触被消耗，间接提高了OH-的浓度。
因此，氯碱工业为了获得氢氧化钠和这两种产品，要考虑将两极隔开和电阻大小这两个因素，相比之下，选择膜法电解池的效果更好。
值得注意的是，双液电解池是学生类比双液电池设想出来的，在氯碱工业的发展进程中不存在“盐桥型双液电解池”的装置。但是，将电解池两极隔开确实是氯碱工业装置优化的思路，先后经历了隔膜电解池和离子交换膜电解池的阶段。电阻确实是电解工业生产考虑的重要因素，它决定了企业的电费成本。因此，现代氯碱工业电解池的两极之间距离很近。
2.其他拓展实验
(1)用于其他电解实验，尤其是会产生有毒有害气体和易燃气体的实验，如电解CuCl
2
溶液等。
(2)用于制作氢氧燃料电池，先电解产生氢气和氧气，再在外电路接灵敏电流计，可观察到指针明显偏转。
(3)此装置可以自由组装，实现串联和并联。
五、改进的意义
本装置的准备过程简单，组装器件较少，实验操作简单。实验用品微型化、使用的试剂少，利于开展学生实验。本实验全程无有害气体逸出，实现了绿化，使学生实验可拓展到教室等无通风橱的场所。另外，本装置的拓展实验丰富，并易组装双液电解池、膜法电解池
等，能有效促进学生对教材内容和工业装置的理解。
参考文献
[1] 普通高中课程标准实验教科书化学(选修4)：化学
反应原理[M].北京：人民教育出版社,2007:79-81.
[2] 普通高中课程标准实验教科书化学反应原理(选
修)[M].济南：山东科学技术出版社,2011:13-15. [3] 陈春丽，张辉.电解饱和食盐水实验装置的探讨[J].
化学教与学,2012(7):94-95.
[4] 窦卓.电解饱和食盐水的创新装置[J].化学教
学,2016(7):50-53.
[5] 陆余平.自制简易饱和食盐水电解装置[J].教育与
装备研究,2007(2):47-47.
[6] 赵琦，林肃浩.微型离子交换膜电解槽的制作与使
用[J].化学教育(中英文),2019,40(9):81-83.
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