对探究水组成的电解实验再设计

摘要

针对现行教材中电解水实验对“氢气燃烧生成水”这一结论证据支撑不足的问题，可利用氯化钴试纸、一次性医用输液器与吸氧管三通头等材料，设计改进的实验装置。该装置能直观地验证燃烧产物是水，有效强化学生的证据意识。同时，其材料易得、制作简单，便于在课堂中推广实施。

Graphical abstract

关键词

水的组成 / 电解水 / 证据推理 / 科学思维 / 实验改进

《义务教育化学课程标准（2022年版）》（以下简称《课程标准》）新增了物质组成类学生必做实验“水的组成及变化的探究”，完善了初中化学的实验探究类型^［1］。该部分内容是学生探究物质的组成与变化的重要知识载体，也是学生建构化学式概念、学习质量守恒定律的知识基础。以“水的组成”“电解水”为关键词在知网检索，发现不少研究者围绕电解水的实验装置进行创新设计与改进，使实验操作简便^［2］、装置微型化^［3-4］与家庭化^［5-6］。虽然这样的改进便于教学，但忽视了教材经典实验的功能与价值。在对教材经典实验进行改进时，不仅要对实验装置进行优化设计，更应着重改进实验的教学设计。

在对初中化学教材进行梳理时发现，各版本教材的编排思想比较相似，主要通过水通电分解与氢气燃烧实验，引导学生从“分解”与“化合”两个角度认识水的组成。在2012年版教材中，有关电解水中对正极气体检验的内容，只有人教版使用“燃着的木条”，在2024年各版的新编教材中（表1），上教版、科粤版、北京版均将“带火星的木条”调整为“燃烧的木条”。从教材的变化进行分析，立足于学生“不知道哪个电极产生的是氢气，哪个产生氧气”的认知事实，使用燃着的木条检验两种气体更加严谨合理。这样的变动符合《课程标准》所倡导的“严谨求实的科学态度”，但关于氢气燃烧实验仍有一些亟须探讨的问题。对比分析2024年版各教材中有关氢气的燃烧实验（表1）发现，各版本教材的设计思路均为“在空气中点燃纯净的氢气，并在火焰上方罩一个干冷烧杯”，通过观察火焰的颜色和烧杯内壁的白雾推断氢气与氧气反应产生了水。但燃烧在空气中进行，未排除其他成分的影响；仅凭液滴的出现，只能推断产生了无色液体，并不能认定这一产物就是水。最终，经过分析与评估后得出结论——教材现有经典实验所获取的证据并不充分。为此，笔者决定对探究水的组成的实验进行再改进。

1 基于现存问题设计改进思路

为使实验获取的证据更加充分与全面，笔者决定新增一个实验，其具体改进思路如表2所示。

2 实验设计

2.1 实验仪器与实验药品

（1） 实验仪器：1 min水电解器、一次性医用输液器、一次性吸氧管三通头配件、乳胶管、脉冲点火枪、氯化钴试纸、吹风机、酒精灯、火柴、小木条。

（2） 实验药品：15% NaOH溶液、碱石灰。

2.2 实验装置

改进后的实验装置如图1所示。

3 实验流程、实验现象与实验结论

3.1 实验流程

（1） 处理氯化钴试纸：氯化钴试纸遇水会由蓝色变为粉色，这是一个可逆反应，烘干后又会变回蓝色。由于其对水的灵敏度很高，且在平时存放过程中其颜色也会变为粉色，所以在使用前需要用吹风机对其进行吹干处理，或在烘箱里烘干后使用。

（2） 制作气体收集装置：①将输液袋剪开一个小口，放入氯化钴试纸后，挤压排尽袋内空气，伸入脉冲点火枪的点火端，使小口被密封，确保装置不漏气；②在滴壶下方将输液软管剪断，再向滴壶中装入碱石灰（约占滴壶体积的1/3，避免氯化钴试纸因潮湿而变为粉色）；③利用流速调节器或止水夹封闭输液袋上方的两根软管；④利用热熔枪将滴壶下方的软管与吸氧管三通头配件的单头处连接，保证装置不漏气；⑤利用乳胶管使吸氧管三通头的双头与电解器的正负两极相连。

（3） 打开电解器开关，反应开始，正负两极产生的气体被收集入输液袋中。

（4） 约2 min后，关闭电解器开关，用夹子夹住滴壶与输液袋连接处的软管。

（5） 用脉冲点火枪点火，观察并记录实验现象。

3.2 实验现象

在点燃收集到的混合气体后，可以看到气体被点燃，产生了明显的火焰，听到“噗”的一声（声音很小），一段时间后，蓝色的氯化钴试纸逐渐变为粉色（图2）。

3.3 实验结论

根据混合气体被点燃、氯化钴试纸由蓝色变为粉色的现象与点燃时的声音进行判断，最终得出结论：氢气与氧气反应产生了水。

4 改进实验优点

（1） 经济环保，安全易行。实验用材价格低廉，如医用输液器2元/套、一次性吸氧管三通头8元/个等。在实验后，只需要将输液袋内部和氯化钴试纸烘干，可多次使用，有助于形成节约资源、保护环境的习惯。实验的操作简便，成功率高，安全性高，避免了氢气爆炸的潜在风险。

（2） 立足教材，完善证据。该改进实验设计严谨科学，在保留教材经典实验的基础上，对氢气燃烧产生的“白雾”进行了检验，还排除了空气中其他成分的干扰，将水的分解与合成真正做到了完整的闭环；从“分解”与“化合”的视角，帮助学生基于实验事实进行证据推理，形成探究纯净物组成的思路与方法。

（3） 效果显著，原理简单。实验现象显性化，氯化钴试纸变色灵敏且效果明显，搭配1分钟水电解器耗时极短，便于教学中的演示和学生自主实验。

参考文献

[1] 中华人民共和国教育部. 义务教育化学课程标准（2022年版） ［S］.北京：北京师范大学出版社，2022.

[2] 姜跟华.电解水实验的再改进［J］.化学教学，2023（03）：73-75.

[3] 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.

[4] 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.

[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] 李娜娜.水电解器创新设计研究［J］.教育与装备研究，2020，36（06）：34-37.

基金资助

深圳市盐田区教育科学规划2025年度重大资助课题“基于真实情境的中学化学跨学科主题课程设计与开发研究”(YTZDA-2026003)

广东省中小学科学教育指导中心2025年度课题“基于SOLO理论与AI技术的初中化学复习教学科学思维进阶策略与实践研究”(GD25KJZ03)