便携式水电解器的创新设计

摘要

鉴于目前教学使用的水电解器的不足，遂设计一款现象明显、易自制、价格便宜的新型便携式水电解器。该装置利用304不锈钢沉头自攻螺丝作为电极，借助塑料移液管、PVC封口袋制成密闭反应容器，采用2节9 V电池组装成电池盒，可以有效解决霍夫曼水电解器电解速率慢、仪器重心高易破损、电解液易泄漏、气体逸出太快等问题。改进后的装置轻巧便携，电解速率快，可轻松控制气流，电解液不易泄漏，且反应容器便于电解，解决了需携带学生电源等较多仪器的问题。

Graphical abstract

关键词

水电解器 / 便携 / 气流可控 / 电池盒 / 创新设计

《义务教育化学课程标准（2022年版）》将“水的组成及变化探究”列入“学生必做实验及实践活动”中，这是因为该实验承载着学生“初步学习利用物质的性质和化学反应探究物质组成的基本思路与方法”的任务。在现行人教版、沪教版、鲁科版等多个版本教材中，电解水实验均采用霍夫曼水电解器。但在教学实践中笔者发现，该装置存在以下不足：①电解速率慢，耗时长；②电解液易泄漏，易与皮肤接触；③氢气逸出太快，燃烧持续时间短，现象不明显。上述问题的存在，使得演示实验及分组实验的开展都受到一定程度的限制。

1 研究现状

深度分析大量文献后发现，不少研究者从反应容器、电极材料、电解液、供电方式等方面提出实验优化方案，其改进装置均取得了较好的实验效果。

（1） 在反应容器的选择上，郭晓丽等^［1］以及黄媛等^［2］利用塑料定制水电解器，虽然具有较强的实用性和推广价值，但集气室容积较小，氢气燃烧持续时间较短，均需要使用学生电源，且实验仍需携带较多用品。

（2） 在电极材料选择上，黄海燕等^［3］指出镍、铁、铅等虽不是惰性电极，但其在碱性环境中显示出较好的耐腐蚀性，这使得阳极区的副反应和电极表面的氧化反应几乎消除，且电极材料表面积足够大，有助于加快反应速率；汪阿恋等^［4］使用回形针替代原装电极，取得了较好的电极效果；金荧荧等^［5］认为，采用不锈钢燕尾夹是电极的最佳选择。但这些材料的一大问题是，其表面积都相对较小。

（3） 在供电方式的选择上，黄海燕等^［3］打破常规，创造性地采用了循环水冷的方法自制温差发电装置；邓海燕^［6］采用太阳能发电方法电解水。然而，这些方法受到制备条件、环境条件的制约，很难发挥出最佳的实验效果。

基于上述问题和实际教学需求，笔者设计了一款易自制、成本低廉、操作简单、实验现象明显和气流可控的便携式水电解器，既能够满足教师的演示实验，也能够用于学生分组实验。

2 实验的创新设计

2.1 仪器和药品

耐酸碱PVC封口袋（7.5 cm×30.0 cm）、塑料刻度移液管（25 mL，以下简称移液管）、乳胶管、针头、导管、罗伯特夹、304不锈钢沉头自攻螺丝（M6*55 cm，无锡青通金属科技有限公司）、9 V电池（“南孚”牌）、电池扣、导线、塑料盒、含螺母的螺钉套装（M2）、小型轻触式开关按键、铜片、10%氢氧化钠溶液。

2.2 实验装置

便携式水电解器及其结构如图1所示。

2.3 实验装置的制作

【便携式水电解器的制作】①在封口袋底部打2个孔，向孔中插入带乳胶垫片的沉头自攻螺丝作为电极，再用热熔胶枪密封孔隙；②向封口袋中放入移液管；③在封口袋上方开两个小口，使移液管尖嘴口稍伸出所开的小口即可；④给移液管尖嘴口套上带罗伯特夹的乳胶管，随后先给左侧乳胶管装上针头，再给右侧乳胶管装上短导管，最后用热熔胶枪密封封口袋上的小开口。

【便携电池盒的制作】①向上方塑料盒内放2片铜片（间隔0.5 cm），在铜片和中间层塑料板上打两个孔；②往孔中穿入螺丝，用螺母锁上串联有2个电池扣的两端导线；③将小型轻触式开关按键装在下方电池盒盖子上，与串联有2个电池扣的另外两根导线连接；④将2节9 V电池扣入电池扣中，再将其放入塑料盒中，最后用螺丝锁上电池盒盖子。

【将装置改为学生分组实验用装置】在教学过程中，无须为便携式水电解器配备学生电源，只要将其放入便携电池盒中即可开始电解。如果需要将其用于学生分组实验，也可将其取出，改用带鳄鱼夹的导线连接实验室学生安全电源，即可进行实验（图2）。

2.4 实验步骤

（1） 往封口袋中倒入10% NaOH溶液作为电解液。

（2） 将封口袋封口，然后挤压封口袋，直至电解液充满整支移液管后闭合罗伯特夹，松手。

（3） 按下电池盒的开关按键，将封口袋放入电池盒中，观察现象。

（4） 电解一段时间，取下封口袋，读取正负极产生气体的体积，记录实验现象。

（5） 按压封口袋，同时打开正负极的罗伯特夹，排出气体，并用燃着的木条分别检验排出的气体。

（6） 实验结束，把封口袋放回已断电的电池盒中。

2.5 实验现象

（1） 观察到正极产生的气体体积为5.0 mL时，负极产生的气体体积为10.0 mL，实验所需时间为62 s。

（2） 在负极针头处，气体被点燃。

（3） 在正极导管处，燃着的木条烧得更旺。

2.6 实验结论

电源负极处产生的气体是氢气，正极处产生的气体是氧气，且产生的氢气和氧气的体积比约为2∶1。

2.7 实验注意事项

（1） 装入电解液的量不宜超过封口袋的2/3，以防产生气体时无法将2支移液管的液体完全排出；但也不宜太少，以防挤压封口袋时液体量太少而无法完全排出气体。

（2） 在检验气体时，挤压封口袋的手不能放开，以防空气倒吸。在自制装置时，也可在乳胶管上加一个单向出气阀，以使操作更便捷。

3 改进实验优点

3.1 实验过程高效

（1） 该装置选用304不锈钢沉头自攻螺丝作为电极，相比不锈钢棒、回形针等电极，具有更大的表面积，有效地提高了电解速率。

（2） 在分组实验中，只要用导线一侧的鳄鱼夹夹住304不锈钢沉头自攻螺丝，另一侧与实验室学生安全电源相连接即可开始电解。因螺丝较粗、强度较大，故无须担心被鳄鱼夹夹断等问题。

（3） 在演示实验时，又因沉头自攻螺丝的头部较平，可以很好地与电池盒中的铜片接触，达到了一放电即可电解的效果，节约了连接学生电源的时间，同时解决了电源线不够长的问题，有效提升了课堂效率。

3.2 实验效果明显

（1） 304不锈钢耐碱性较强，电解时还会形成难溶的保护膜，且电极表面的氧化反应几乎消除，使气体体积比值更为准确。

（2） 鉴于储液槽式水电解器存在只能利用水压排出气体、气体流速不可控等问题，该装置采用25 mL的移液管作为气体收集室，可得到较多气体，且用按压封口袋的方式排出气体，有效解决了气体逸出太快而不易检验的问题；气体排放量可由按压程度决定，不会存在气体残留问题；还可控制火焰的大小，使实验现象明显、有趣。

3.3 实验操作安全

给耐酸碱PVC封口袋加液后，采用双层封口线封口，只要反复按压封口袋，即可在实验前无接触、无须任何仪器的情况下给2支移液管加满液体，且装置始终处于密闭状态，即使任意角度放置，也不会泄漏电解液，同时课间无须担心装置被碰倒的问题。待下节课要实验时，只需按压封口袋即可重新实验，整个实验操作简单、安全。

3.4 实验装置便携

传统的水电解器需要携带电解液、学生电源、导线等较多仪器、药品，而该装置却只需要携带装有水电解器的电池盒即可进入教室，整套装置简洁、便携。在演示实验过程中，可边实验边带着装置在教室内走动，实现了移动式实验的演示效果。

4 结语

该装置是基于原仪器无法满足实际教学需求而研制的，经过6次迭代，最后实现了无论是分组实验还是演示实验，均能实现高效电解，现象明显。巧妙地挤压封口袋，突破了传统上利用水压排出气体的局限，实现气流可控；因自带电源，有效突破了传统演示实验只能“远观”的局限。除此之外，该装置制作简单，即使在农村学校，也能自行制作，且移液管可用实验室老化的水电解器中的玻璃管替代，变废为宝，其余制作材料易得，价格低廉，具有普适性，有推广价值。该装置能有效帮助学生认识水的组成，进而形成探究物质组成的基本思路和方法。

获奖情况：该装置参加2023年福建省实验说课活动比赛，荣获初中化学组一等奖；参加全国实验说课大赛，荣获2023年全国实验教学能手称号。

参考文献

[1] 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（01）：66-69.

[2] 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（05）：94-95，54.

[3] 黄海燕，王泽安.电解水小型实验装置的设计［J］.化学教学，2021（08）：72-75.

[4] 汪阿恋，吴新建，张贤金，等.霍夫曼水电解器的实验条件探究［J］.福建基础教育研究，2022（04）：112-114．

[5] 金荧荧，周勇杰，曹雁，等.电解水实验装置的改进及实验探究［J］.化学教学，2023（10）：67-70.

[6] 邓海燕.电解水演示实验的创新设计［J］.化学教育（中英文），2022，43（15）：95-97. （上接第70页）

[7] 气和面粉，提高了瓶内氧气含量，使面粉燃烧得更充分。

[8] 瓶内悬挂多孔塑料圆片的作用：①多孔塑料圆片取自塑料瓶的瓶底部分，充分利用材料，避免了浪费。②经实验发现：注射器鼓入氧气和面粉时，对单片圆片的冲击力度较大，圆片呈摇摆和旋转状，面粉扬起充分；采用两片或多片圆片实验时，圆片容易紧挨到一起，对面粉的扬起反而有抑制作用。③多孔塑料圆片受到冲击后，会延长面粉下落时间，实验操作时间充裕。

[9] 实验优点

[10] 材料易得，制作简单。软塑料瓶、吸管是日常生活中常见物品，利用剪刀等工具能很快制成上述自制爆炸实验装置。

[11] 节约药品，现象明显，安全性好。提高软塑料瓶中氧气的含量，使面粉燃烧得更充分，自然减少了面粉用量；爆炸声音固然没有教材提供的影像视频中的声音那么大，但也给学生带来了强烈的震撼：软塑料瓶较轻，在爆炸冲击力不是很强的情况下，软塑料瓶也能被炸得高高跃起，现象明显，实验更安全。

[12] 实验成功率高，可操作性强，教师在课堂中的演示效果较好，具备一定的推广性。