电解饱和食盐水及其产物性质检验一体化装置

摘要

利用医用三通阀、单向阀等材料设计电解饱和食盐水及产物性质检验的一体化装置，具体介绍了实验装置和实验步骤。该套装置仪器常见易得，现象明显，安全性和成功率高，实验前后无污染，形成集制备、检验于一体的实验装置，有利于实现系统性教学和实验探究。

Graphical abstract

关键词

电解饱和食盐水 / 性质检验 / 一体化装置 / 实验改进

电解饱和食盐水实验是《普通高中化学课程标准（2017年版2020年修订）》在选择性必修课程学习活动建议中要求设置的实验及探究活动^［1］。在苏教版中学化学教材必修上册第一单元“氯气的发现与制备”的“观察与思考”栏目中呈现了电解饱和食盐水的实验装置，详细介绍了实验原理和实验步骤，但未涉及产物性质验证。鲁科版必修第一册电解质的电离、离子反应的“活动·探究”栏目中提到“氯碱工业通过电解饱和食盐水制得烧碱、氢气和氯气……”人教版必修第一册酸、碱、盐的性质中提到“工业上制取氢氧化钠一般不采用……而主要采用电解饱和食盐水的方法……”但都没有介绍电解饱和食盐水的原理，也没有配备电解装置图。沪科版必修第一册第2章海水中的氯专门设置一节“电解饱和食盐水”，有详细的原理介绍和实验步骤，并涉及氢氧化钠、氢气、氯气3种产物的检验，实验装置有所创新，用到了三通阀和医用针头、医用注射器。

1 问题的提出

按照教材的呈现方式进行实验，发现很难实现预期的目标，普遍存在以下几个问题。

（1） 氢气的检验成功率不高，耗时长。由于收集氢气的时间太长，且难以控制氢气的体积分数在4%~75%之间，因此不一定能听到爆鸣声，成功率不高。

（2） 氯气的检验，观色法现象不明显。作为课堂演示实验，电解时间不长，收集到的氯气浓度低，黄绿色不明显，且在收集过程中会泄漏氯气，污染环境。

（3） 违背绿色环保新理念。氯气有毒，当实验结束后，在拆开电解装置后，U形管内残留的氯气会外逸，危害人体健康，污染环境，不符合绿色环保的理念。

（4） 制备与性质检验一体化不足。各个教材版本的实验要么只有制备实验，要么只有部分物质的性质检验实验，都没有形成制备与性质检验一体化装置，不利于形成系统性教学与实验探究。

2 文献研究

文献研究发现，很多教师对电解饱和食盐水实验提出了改进建议和优化措施，这些措施在一定程度上改善了教材实验中容易出现的上述问题，方便一线教师课堂演示实验的达成，但或多或少存在一些问题，主要有以下4个方面。

（1） 所需仪器不是实验室常见仪器，制作困难。

例如，陈花蕊^［2］电解饱和食盐水改进实验装置中的J形管在普通中学实验室不常见（图1）；陈达等^［3］电解饱和食盐水改进实验装置中试管底部的小孔较难处理，容易打破试管（图2）。

（2） 检验氢气的安全性不足，存在安全隐患。

例如，陈花蕊的电解饱和食盐水改进实验装置和殷莉莉等^［4］的电解饱和食盐水“罩式”装置（图3），都采用排空气法收集氢气进行检验，但这种方法容易混入空气，氢气的纯度无法保证，做爆鸣实验时存在安全隐患。

（3） 缺少产物性质验证的一体化设计。

前面3位研究者及李静娴等^［5］的实验改进装置（图4）、李楠等^［6］的再改进装置（图5），都是用爆鸣法检验氢气，用湿润的淀粉KI试纸或溶液变蓝检验氯气。没有对氯气及氯水的其他性质进行验证的设计，且在检验过程中往往都需要对仪器装置进行拆装，一体化程度不高。

（4） 不符合绿色环保新理念。

陈花蕊的电解饱和食盐水改进实验装置无后续氯气处理的部分，陈达等的电解饱和食盐水改进实验装置和殷莉莉等的电解饱和食盐水“罩式”装置在检验氯气时存在气体泄漏污染环境的可能，不符合绿色环保的新理念。

3 实验装置的创新优化

基于以上分析，为了提高氢气检验的安全性和成功率，符合绿色环保的新理念，实现理想的课堂演示效果，利用生活中常见用品和常见仪器进行创新设计。受曹桂祯等^［7］消除残留气体的喷淋与排气装置（图6）的启发，笔者设计了如图7所示的电解饱和食盐水及其产物性质检验一体化装置。

3.1 实验仪器和实验药品

实验仪器：U形管、蒸发皿、烧杯、玻璃管、双球洗气管、导管、医用三通阀、单向阀、注射器、石墨电极、电源、橡皮管、铁架台（含试管夹）、木条、酒精灯、火柴、鲜花、干花、普通漏斗、棉花。

实验药品：饱和食盐水、淀粉KI试液、紫色石蕊试液、氢氧化钠溶液、泡泡水、无水氯化钙。

3.2 实验步骤和现象

（1） 组装仪器，检查气密性。

组装好仪器，将末端导管浸没于水中，将烧杯1中的导管移出液面，拉动注射器的活塞，若末端导管口产生水柱，松开活塞，水柱慢慢消失，则气密性良好。调整医用三通阀的活塞，分别检验两侧装置的气密性。

（2） 阳极产物氯气的检验和性质的探究。

①双球洗气管中紫色石蕊试液先变红后褪色。

②双球洗气管中无色淀粉KI试液变蓝。

③在硬质玻璃管中按气体的流向依次放置鲜花、裹有无水氯化钙的棉花团、干花，一段时间后，可以看到鲜花褪为无色，而干花没有变化。

（3） 阴极产物的检验。

①用蒸发皿盛装泡泡水，将阴极产物氢气通入泡泡水中，产生气泡，点燃气泡，可以听到清脆的爆鸣声。

②通过调整医用三通阀的活塞，让注射器与U形管相通，不与双球洗气管相通，用注射器鼓入空气，将阴极溶液往外挤压到小烧杯中，向烧杯的溶液中滴加2~3滴酚酞溶液，可观察到溶液变红。

（4） 装置中残留氯气的处理。

在实验结束后，关闭电源，将烧杯1处的导管放入氢氧化钠溶液中，调整医用三通阀的活塞，首先用注射器吸取氢氧化钠溶液，挤入左侧装置，吸收残留在U形管中的氯气；再往右侧装置中鼓入空气，将残留在右侧装置内的氯气排入烧杯2中的氢氧化钠吸收。

4 改进装置的优点

（1） 氢气检验耗时短，现象明显，安全性和成功率高。

（2） 氯气检验现象明显，可进一步探究氯气的性质。

（3） 符合绿色环保新理念。整个装置密闭性好，在实验过程中，无论是现象观察还是产物性质检验，都在密闭环境中进行，无需拆卸装置，没有氯气的泄漏风险；在实验结束后，装置内部残留的氯气被氢氧化钠溶液充分吸收，拆卸装置后不会产生污染。

（4） 可进行一体化教学。运用此装置，不仅可以非常方便且明显地检验到电解饱和食盐水的产物，还可以利用生成的氯气来进行氯气的性质探究，形成集制备、检验于一体的一体化装置。

5 实验拓展

中学阶段涉及的有毒气体制备及性质检验实验均有绿色环保的需求，教师经常使用视频播放来代替演示实验。可以使用这种一体化实验装置，将气体的制备及性质检验融为一体，安全可靠且绿色环保，不仅有利于学生掌握气体的相关知识，还有利于学生建立知识结构，发展模型认知核心素养，增强学生的实验设计能力和探究能力，激发学生对化学实验的探究兴趣。

参考文献

[1] 中华人民共和国教育部. 普通高中化学课程标准（2017年版2020年修订） ［S］.北京：人民教育出版社，2020.

[2] 陈花蕊.J形管改进电解饱和食盐水实验［J］.中学化学教学参考，2015（06）：61-62.

[3] 陈达，庄华清.电解饱和食盐水实验的新改进［J］.化学教学，2012（11）：49-50.

[4] 殷莉莉，杨佳音.电解饱和食盐水“罩式”装置的设计［J］.化学教学，2013（04）：52-54.

[5] 李静娴，陈迪妹，元立亭.电解饱和食盐水实验的优化设计［J］.化学教学，2012（01）：45-46.

[6] 李楠，罗兵，唐其生.电解饱和食盐水实验装置的新设计［J］.化学教学，2019（04）：66-67.

[7] 曹桂祯，龚孟增，许奕欣.有害气体实验通用防污染装置的改进优化［J］.化学教学，2023（03）：76-79.

基金资助

教育部福建师范大学基础教育课程研究中心2024年开放课题“指向深度学习的中学化学数字化实验教学研究”(KCA2024453)