论文部分内容阅读
摘要：介绍一种自行设计的小型电解水实验装置。相比于教材上的实验装置，采用新型的温差发电作为电解电源以代替原用的直流电源;使用铂金钛网电极，降低了电解的电流与电压，同时还减小了电极两端产生气体的体积比误差;电解水得到氢气和氧气的体积比基本恒定为2∶1。
关键词：电解水实验; 小型实验装置; 温差发电电源; 铂金钛网电极; 实验探究
文章编号：1005-6629（2021）08-0072-04
中图分类号：G633.8
文献标识码：B
1 提出问题
电解水实验是人教版九年级《化学》[1]上册第四单元课题3的一个经典实验，其目的是为了让学生从该实验中认识水的组成，霍夫曼电解器是该实验的经典仪器。在该实验中，利用直流电源电解水，學校一般使用的简易的霍夫曼电解器（正规的电解器使用电极材料铂）的电极材料是不锈钢[2]，这样一来，常会伴随一些问题，如电解器装置相对较大，消耗的电解液较多;产生的气体体积比例常有误差等。除此之外，笔者思考发电的方式除了直流电源外，是否还有其他形式？本文将从三个方面改进该实验：一是将电解装置变小，改装成小型装置;二是为了减小气体体积的误差，尝试改变电极材料;三是改变电源的方式。基于此，试图探索一套有趣的小型电解水装置供同仁们参考。
2 微型化电解水实验设计
2.1 实验创新点及原理
2.1.1 电解水装置
制作过程：（1） 将两个废弃的青霉素小瓶（25mL，如图1a所示），上面的瓶口不动，将下面的瓶底用砂轮磨通后（如图1b所示），洗净，备用。
（2） 选用两个相同规格的铂金钛网（15mm×40mm）做电极材料（淘宝购买），将导线绑在大头针上， 用大头针将导线穿引过小瓶上的胶塞，然后将导线与电极材料相连，拉动导线另一头，使电极材料紧挨瓶塞。
（3） 用橡皮筋将两个青霉素小瓶的瓶身绑在一起，两电极之间的距离约为3cm，并将一个小木条夹在两个小瓶中间，准备制作气体体积刻度。
（4） 将固定好电极材料的装置底部朝上，用量筒分别量取2mL、 4mL、 6mL……至20mL水于其中一只小瓶内，用红色记号笔在小木条上标记液体体积，即为电解装置的刻度。由于青霉素小瓶的瓶身不是很规整，所以刻度的间距也有点不均匀。
（5） 为了增强气密性，可以在小瓶瓶塞边上面涂一层凡士林，电解装置便制作完成，如图2所示。
2.1.2 温差发电
能源紧缺是一个世界性的难题，寻找绿色环保的能源一直是研究的热点。对于电解水实验，需要电解的能源，已有的文献对电源的改进无非是电压大小的确定[3]或从生活中寻求替代品，如干电池或手机充电宝等，但终究都是直流电源，供电方式没有根本改变。如果使用干电池做电源，虽操作方便，但使用后废旧电池里含有的铅、锌、锰等金属是重要的污染源，对环境不利。本文拟采用温差发电方法来电解水。温差发电是一种新型的绿色发电技术，其核心原理就是利用半导体温差发电片，如图3（1）所示。将其两端的温度差转化成电能，其发电的输出功率受诸多因素影响，包括安装压力、散热技术、界面填充剂和温差发电片的串并联方式等[4]。本实验使用单片温差发电片（偲瑞TEC1-24106 55mm×55mm，有字面散热，对着循环水冷头，无字面接触热源，对着酒精灯，发出的电红线是正极，黑线是负极，淘宝购买）发电，用自制小型酒精灯[如图3（2）]燃烧产生的热作为热源，散热技术采用循环水冷头（62mm×62mm，淘宝购买）水冷的方式，整个发电装置如图3（3）所示。将酒精灯置于废弃的八宝粥铁罐中，为了能使酒精灯持续燃烧，可以将铁罐两侧分别挖去两块铁皮。酒精灯上方放一块薄铜片将酒精灯燃烧产生的热传给温差发电片，原因是温差发电片是不能直接加热的。温差发电片的上端连接的是循环水冷头进行散热，在温差发电片上下两端均使用界面填充剂导热硅脂（HY880灰膏25g装，淘宝购买）有利于传热和散热。在涂抹导热硅脂的时候要注意平铺、均匀、适量，如此温差发电片两端就会感应到温差从而向外输出发电。
将温差发电装置与负载的电解水装置相连，点燃酒精灯后，温差发电片响应很快，立即用电流表与电压表测出电路的电流与电压，见表1。
2.1.3 铂金钛网电极
我国西南地区四川攀枝花蕴藏着极丰富的钒钛磁铁矿[5]，其中金属钛常作为电极材料，尤其当它作为阳极材料时，可称作“钛阳极”。由于金属钛属于阀性金属，所以钛阳极往往需要在其表面镀一层有电催化性能的金属以增加其导电性，常见的有钌铱钛电极、铱钽钛电极及铂金钛电极。钌铱钛电极常用作析氯，铱钽钛电极和铂金钛电极常用作析氧，而析氧效果最好的是铂金钛电极，尤其将其制作成网状后可大大增加电极材料与电解液的接触面，如图4所示。所以，本文选用铂金钛网电极作为电解水的电极材料。
由于其价格偏贵目前还没有在工业上大面积使用。钛电极有许多优点，如工作寿命长、可克服石墨阳极和铅阳极的溶解问题，避免对电解液和阴极产物的污染、工作电压低、电能消耗小，直流电耗能可降低10%～20%[6]。尤其是其工作电压、电流低这个优点，笔者做了一个定性对照实验：在已有改进实验的文献中，电极材料最常见的有石墨电极、铁丝及铁的合金钢等[7，8]，由此设计在相同电压、相同电解液、电极面积大致相等的条件下，分别观察石墨电极、铁电极和铂金钛网电极产生气泡的情况。可见，铂金钛网电极两端产生气体的速率与数量均明显高于石墨电极和铁电极。
2.2 实验仪器和药品
2个25mL青霉素小瓶、2个铂金钛网电极（15mm×40mm）、温差发电片（偲瑞TEC1-24106 55mm×55mm）、水冷头（62mm×62mm）、八宝粥铁皮罐、10%的NaOH溶液、两支注射器、自制酒精灯、肥皂水、两根导线、小木条 2.3 实验步骤
（1） 配制10%的NaOH溶液。将两个小瓶底部朝上加满配好的电解质溶液，然后用塑料小水槽盖住底部迅速翻转正放于桌面上，电解装置中的电解质溶液就加好了，再在小水槽中也加入适量电解质溶液。
（2） 将温差发电装置中温差发电片的导线与电解水装置中的导线相连，整个装置如图5所示。注意正负极问题，温差发电片红线连接的是正极，黑线连接的是负极。
（3） 将温差发电装置的水冷头进水一端用胶皮管与水龙头相连，出水一端只与胶皮管相连，打开水龙头，冷水开始循环，再点燃酒精灯，发电装置即可发电。
（4） 很快可见两极均有气泡产生，与电源负极相连的电极产生的气体更多，可利用制作的刻度条同时读出两极产生的气体体积：1分半钟后负极产生4mL氢气，正极产生2mL氧气;3分钟后负极产生8mL氢气，正极产生4mL氧气，且负极产生的气体始终是正极的2倍。
（5） 用一支注射器将正极产生的气体吸取出来，迅速拔掉针头，用拇指堵住注射器口，将一根细小的带火星的小木条从堵住的注射器口伸入注射器中，可见小木条复燃，证明是氧气;再用另一支注射器吸取负极产生的气体，推到肥皂水中产生气泡，再用燃着的小木条去点气泡，会有明显的爆鸣声，证明是氢气。
2.4 改进实验的优点
（1） 改装后的小型装置重心低，放置稳当，药品用量少，绿色环保且可操作性强，能满足学生分组实验的需要。电解过程生成气体的读数以及电解结束后气体的检验都具有很强的趣味性。
（2） 该装置解决了繁琐的添加电解液的步骤，因为电解装置相对较小且气密性良好，实验者只需小心加满电解液后盖住底部迅速翻转即可，操作简便且大大减少了实验者与电解液的接触。
（3） 该装置不需要刻意将正极与负极连通，将装置放入电解液中，装置在液体浮力的作用下微微向上浮起，自动实现内电路巧妙的连通。
（4） 温差发电响应很快，实验中只要温差基本恒定，电路中的电压电流也基本不变，实验结束后只需熄灭酒精灯，温差逐渐消失，反应也就随之停止。
（5） 电极材料铂金钛网电极清洁、轻便，基本无副反应发生，产生气体的速率适中。两极产生的气体体积之比基本恒定为2∶1，有利于学生得出正确的实验结论。
改进实验最意外的收获是电源方式的改变：在有限的实验条件下，温差发电片产生的电流与电压都较小的情况下，搭配小型的电解装置与铂金钛网电极，成功地将水电解了，得到气体的体积比为2∶1，这让笔者兴奋不已。当然也存在很多不足，相比于小型电解装置来说，温差发电装置仍显得有点“头重脚轻”，不够微型和简约，仍有改进的空间;电极铂金钛网优点很多，但价格偏贵，不宜推广。本文在此仅对电解水实验的改进提供一个思路，除了可以向生活中常见物质寻求途径之外，还可以探索一些新型的材料与技术继续改进该实验。
参考文献：
[1]王晶，郑长龙. 义务教育教科书·化学（九年级上册）[M]. 北京：人民教育出版社，2012：80.
[2]刘怀乐. 中学化学教学文集[M]. 重庆：重庆出版社，2013：303～308.
[3]陈国建. 电解水实验方法的探讨[J]. 化学教学，1998，（4）：7～8.
[4]朱凌云. 温差发电机输出功率的机理研究与装置研发[D]. 杭州：浙江科技学院硕士学位论文，2019.
[5]北京师范大学等. 无机化学（下册，第四版）[M]. 北京：高等教育出版社，2003：747.
[6]百度百科[EB/OL]. （2020-06-09）[2020-10-7]. http：//baike.baidu.com.
[7]金乐，郭建平，戴丽鸿. 电解水实验条件探索与装置改进[J]. 湖南人文科技学院学报，2001，24（4）：32～35.
[8]刘秋文，任光明. 巧用注射器、饮料瓶改进初中化学电解水实验[J]. 中學化学教学参考，2016，（10）：60～61.
关键词：电解水实验; 小型实验装置; 温差发电电源; 铂金钛网电极; 实验探究
文章编号：1005-6629（2021）08-0072-04
中图分类号：G633.8
文献标识码：B
1 提出问题
电解水实验是人教版九年级《化学》[1]上册第四单元课题3的一个经典实验，其目的是为了让学生从该实验中认识水的组成，霍夫曼电解器是该实验的经典仪器。在该实验中，利用直流电源电解水，學校一般使用的简易的霍夫曼电解器（正规的电解器使用电极材料铂）的电极材料是不锈钢[2]，这样一来，常会伴随一些问题，如电解器装置相对较大，消耗的电解液较多;产生的气体体积比例常有误差等。除此之外，笔者思考发电的方式除了直流电源外，是否还有其他形式？本文将从三个方面改进该实验：一是将电解装置变小，改装成小型装置;二是为了减小气体体积的误差，尝试改变电极材料;三是改变电源的方式。基于此，试图探索一套有趣的小型电解水装置供同仁们参考。
2 微型化电解水实验设计
2.1 实验创新点及原理
2.1.1 电解水装置
制作过程：（1） 将两个废弃的青霉素小瓶（25mL，如图1a所示），上面的瓶口不动，将下面的瓶底用砂轮磨通后（如图1b所示），洗净，备用。
（2） 选用两个相同规格的铂金钛网（15mm×40mm）做电极材料（淘宝购买），将导线绑在大头针上， 用大头针将导线穿引过小瓶上的胶塞，然后将导线与电极材料相连，拉动导线另一头，使电极材料紧挨瓶塞。
（3） 用橡皮筋将两个青霉素小瓶的瓶身绑在一起，两电极之间的距离约为3cm，并将一个小木条夹在两个小瓶中间，准备制作气体体积刻度。
（4） 将固定好电极材料的装置底部朝上，用量筒分别量取2mL、 4mL、 6mL……至20mL水于其中一只小瓶内，用红色记号笔在小木条上标记液体体积，即为电解装置的刻度。由于青霉素小瓶的瓶身不是很规整，所以刻度的间距也有点不均匀。
（5） 为了增强气密性，可以在小瓶瓶塞边上面涂一层凡士林，电解装置便制作完成，如图2所示。
2.1.2 温差发电
能源紧缺是一个世界性的难题，寻找绿色环保的能源一直是研究的热点。对于电解水实验，需要电解的能源，已有的文献对电源的改进无非是电压大小的确定[3]或从生活中寻求替代品，如干电池或手机充电宝等，但终究都是直流电源，供电方式没有根本改变。如果使用干电池做电源，虽操作方便，但使用后废旧电池里含有的铅、锌、锰等金属是重要的污染源，对环境不利。本文拟采用温差发电方法来电解水。温差发电是一种新型的绿色发电技术，其核心原理就是利用半导体温差发电片，如图3（1）所示。将其两端的温度差转化成电能，其发电的输出功率受诸多因素影响，包括安装压力、散热技术、界面填充剂和温差发电片的串并联方式等[4]。本实验使用单片温差发电片（偲瑞TEC1-24106 55mm×55mm，有字面散热，对着循环水冷头，无字面接触热源，对着酒精灯，发出的电红线是正极，黑线是负极，淘宝购买）发电，用自制小型酒精灯[如图3（2）]燃烧产生的热作为热源，散热技术采用循环水冷头（62mm×62mm，淘宝购买）水冷的方式，整个发电装置如图3（3）所示。将酒精灯置于废弃的八宝粥铁罐中，为了能使酒精灯持续燃烧，可以将铁罐两侧分别挖去两块铁皮。酒精灯上方放一块薄铜片将酒精灯燃烧产生的热传给温差发电片，原因是温差发电片是不能直接加热的。温差发电片的上端连接的是循环水冷头进行散热，在温差发电片上下两端均使用界面填充剂导热硅脂（HY880灰膏25g装，淘宝购买）有利于传热和散热。在涂抹导热硅脂的时候要注意平铺、均匀、适量，如此温差发电片两端就会感应到温差从而向外输出发电。
将温差发电装置与负载的电解水装置相连，点燃酒精灯后，温差发电片响应很快，立即用电流表与电压表测出电路的电流与电压，见表1。
2.1.3 铂金钛网电极
我国西南地区四川攀枝花蕴藏着极丰富的钒钛磁铁矿[5]，其中金属钛常作为电极材料，尤其当它作为阳极材料时，可称作“钛阳极”。由于金属钛属于阀性金属，所以钛阳极往往需要在其表面镀一层有电催化性能的金属以增加其导电性，常见的有钌铱钛电极、铱钽钛电极及铂金钛电极。钌铱钛电极常用作析氯，铱钽钛电极和铂金钛电极常用作析氧，而析氧效果最好的是铂金钛电极，尤其将其制作成网状后可大大增加电极材料与电解液的接触面，如图4所示。所以，本文选用铂金钛网电极作为电解水的电极材料。
由于其价格偏贵目前还没有在工业上大面积使用。钛电极有许多优点，如工作寿命长、可克服石墨阳极和铅阳极的溶解问题，避免对电解液和阴极产物的污染、工作电压低、电能消耗小，直流电耗能可降低10%～20%[6]。尤其是其工作电压、电流低这个优点，笔者做了一个定性对照实验：在已有改进实验的文献中，电极材料最常见的有石墨电极、铁丝及铁的合金钢等[7，8]，由此设计在相同电压、相同电解液、电极面积大致相等的条件下，分别观察石墨电极、铁电极和铂金钛网电极产生气泡的情况。可见，铂金钛网电极两端产生气体的速率与数量均明显高于石墨电极和铁电极。
2.2 实验仪器和药品
2个25mL青霉素小瓶、2个铂金钛网电极（15mm×40mm）、温差发电片（偲瑞TEC1-24106 55mm×55mm）、水冷头（62mm×62mm）、八宝粥铁皮罐、10%的NaOH溶液、两支注射器、自制酒精灯、肥皂水、两根导线、小木条 2.3 实验步骤
（1） 配制10%的NaOH溶液。将两个小瓶底部朝上加满配好的电解质溶液，然后用塑料小水槽盖住底部迅速翻转正放于桌面上，电解装置中的电解质溶液就加好了，再在小水槽中也加入适量电解质溶液。
（2） 将温差发电装置中温差发电片的导线与电解水装置中的导线相连，整个装置如图5所示。注意正负极问题，温差发电片红线连接的是正极，黑线连接的是负极。
（3） 将温差发电装置的水冷头进水一端用胶皮管与水龙头相连，出水一端只与胶皮管相连，打开水龙头，冷水开始循环，再点燃酒精灯，发电装置即可发电。
（4） 很快可见两极均有气泡产生，与电源负极相连的电极产生的气体更多，可利用制作的刻度条同时读出两极产生的气体体积：1分半钟后负极产生4mL氢气，正极产生2mL氧气;3分钟后负极产生8mL氢气，正极产生4mL氧气，且负极产生的气体始终是正极的2倍。
（5） 用一支注射器将正极产生的气体吸取出来，迅速拔掉针头，用拇指堵住注射器口，将一根细小的带火星的小木条从堵住的注射器口伸入注射器中，可见小木条复燃，证明是氧气;再用另一支注射器吸取负极产生的气体，推到肥皂水中产生气泡，再用燃着的小木条去点气泡，会有明显的爆鸣声，证明是氢气。
2.4 改进实验的优点
（1） 改装后的小型装置重心低，放置稳当，药品用量少，绿色环保且可操作性强，能满足学生分组实验的需要。电解过程生成气体的读数以及电解结束后气体的检验都具有很强的趣味性。
（2） 该装置解决了繁琐的添加电解液的步骤，因为电解装置相对较小且气密性良好，实验者只需小心加满电解液后盖住底部迅速翻转即可，操作简便且大大减少了实验者与电解液的接触。
（3） 该装置不需要刻意将正极与负极连通，将装置放入电解液中，装置在液体浮力的作用下微微向上浮起，自动实现内电路巧妙的连通。
（4） 温差发电响应很快，实验中只要温差基本恒定，电路中的电压电流也基本不变，实验结束后只需熄灭酒精灯，温差逐渐消失，反应也就随之停止。
（5） 电极材料铂金钛网电极清洁、轻便，基本无副反应发生，产生气体的速率适中。两极产生的气体体积之比基本恒定为2∶1，有利于学生得出正确的实验结论。
改进实验最意外的收获是电源方式的改变：在有限的实验条件下，温差发电片产生的电流与电压都较小的情况下，搭配小型的电解装置与铂金钛网电极，成功地将水电解了，得到气体的体积比为2∶1，这让笔者兴奋不已。当然也存在很多不足，相比于小型电解装置来说，温差发电装置仍显得有点“头重脚轻”，不够微型和简约，仍有改进的空间;电极铂金钛网优点很多，但价格偏贵，不宜推广。本文在此仅对电解水实验的改进提供一个思路，除了可以向生活中常见物质寻求途径之外，还可以探索一些新型的材料与技术继续改进该实验。
参考文献：
[1]王晶，郑长龙. 义务教育教科书·化学（九年级上册）[M]. 北京：人民教育出版社，2012：80.
[2]刘怀乐. 中学化学教学文集[M]. 重庆：重庆出版社，2013：303～308.
[3]陈国建. 电解水实验方法的探讨[J]. 化学教学，1998，（4）：7～8.
[4]朱凌云. 温差发电机输出功率的机理研究与装置研发[D]. 杭州：浙江科技学院硕士学位论文，2019.
[5]北京师范大学等. 无机化学（下册，第四版）[M]. 北京：高等教育出版社，2003：747.
[6]百度百科[EB/OL]. （2020-06-09）[2020-10-7]. http：//baike.baidu.com.
[7]金乐，郭建平，戴丽鸿. 电解水实验条件探索与装置改进[J]. 湖南人文科技学院学报，2001，24（4）：32～35.
[8]刘秋文，任光明. 巧用注射器、饮料瓶改进初中化学电解水实验[J]. 中學化学教学参考，2016，（10）：60～61.