融合数字化手段的电解水实验

摘要

针对初中化学水电解实验中存在的实验效率低、气体检验困难等问题，创新性地将便携式气体传感器融入水电解装置。将传统的燃烧检验法改为传感器检测，不仅降低了学生操作难度，从根源上消除了安全隐患，还避免了氢气燃烧时火焰颜色异常带来的干扰。该改进方案为初中化学实验教学提供了一种更安全、高效的创新思路。

Graphical abstract

关键词

数字化手段 / 传感器技术 / 电解水 / 教学效率 / 化学实验教学

电解水实验是人教版化学九年级上册第三单元课题三“水的组成”的核心探究实验。作为“物质的组成与结构”学习主题中唯一的学生实验，该实验在初中化学教学体系中占据重要地位。它不仅直观呈现水通电分解的过程，帮助学生理解水由氢、氧元素组成的化学本质，还有助于学生认识化学反应中物质转化与能量变化的规律，是发展化学核心素养的重要载体^［1］。

在传统教学中，霍夫曼电解器因其结构简单而被广泛使用，但实际教学仍存在以下问题：①受设备差异影响（如采用铁电极或密封性不佳），产气速率较慢，需长时间收集气体，实验耗时较长；②学生手动点燃氢气操作困难，易导致检验失败或耗时过长；③若装置内空气未排尽，点燃时存在燃爆风险；④钠玻璃产生的黄色焰色干扰，使学生难以观察到氢气燃烧的淡蓝色火焰。

针对上述问题，已有研究开展了多维度的改进探索。李娜娜^［2］采用注射器和保险丝（不锈钢）设计微型电解器，提供了低成本、高稳定性的方案；汤雅萍^［3］“不锈钢电极+注射器计量”的设计思路，优化了装置的便携性与准确性；龙云开等^［4］通过采用聚四氟乙烯活塞、大口径进水管及球形氧气出口等结构优化设计，将气体检验成功率由70%提升至95%；吴懿^［5］则利用慢门摄影技术，有效规避了钠玻璃的焰色干扰，清晰捕捉到了氢气的淡蓝色火焰。

已有改进通过改良电极材料、优化气密性及辅助影像技术等，有效提升了实验的安全性、效率与现象的准确性。笔者沿用不锈钢电极，针对传统点燃法的燃爆风险与焰色干扰问题，引入便携式气体传感器替代明火检验，从原理上规避了安全风险，并以传感器数据的可视化取代了肉眼观察，使检验结果更为客观、准确。这种将实验创新与传感技术相融合的策略，体现了“技术互补”的优势，有助于推动实验教学向数字化、定量化方向的转变。

1 实验改进

1.1 实验装置

实验装置如图1所示。数字化水电解器主要由电解模块、传感模块及连接模块三大部分组成。

电解模块由亚克力电解槽与不锈钢电极构成，其核心功能是完成水的电解反应及气体的分离收集，单次制作成本约为6元；该模块搭配实验室标配的J1202学生电源（0~16 V），通过调节电压优化电解效率。传感模块包含氢气传感器（型号4MZ-HH-H2-1000，0~1 000 μL/L）与氧气传感器（型号4MZ-HH-O2-30% VOL），单价分别约为150元和80元；模块中还配有数据采集器（约50元），用于实时显示气体浓度数据。连接模块包含导线（带夹）、玻璃导管、硅胶管、塑料杯及强磁夹，用于确保电路导通与气体传输，总成本约10元；其中亚克力固定板用于固定传感器位置，实现装置的集成一体化。

1.2 装置搭建

（1） 装置的组装与固定。①利用亚克力板搭建支架，将各组件集成固定。②采用带有玻璃珠的橡胶管，将玻璃导管与电解槽的气体收集管出口紧密套接，确保接口无缝隙；随后将塑料杯与Y形玻璃导管连接。③连接完毕后，使用强磁夹固定2号和4号塑料杯（位置可调，以稳固为准），防止管路受拉扯导致装置移位。

（2） 传感器的安装与调试。将氢气、氧气传感器分别固定于气体收集管出口上方的装置支撑板上。安装时需确保探头位置对准气路出口。连接完成后，通电检查数据采集器与传感器的工作状态，确保信号传输正常。

（3） 电路连接​。使用绝缘导线，一端通过鳄鱼夹夹紧不锈钢电极，另一端接入J1202学生电源对应接口。连接时务必核对电源正负极，确保电流方向与电解需求一致。连接后再次检查接头紧固度，避免接触不良引起电阻增大或断路。

（4） 气密性检查。​向电解槽内注水，观察装置状态。若中间电解槽与两侧收集管内形成稳定的液面差，且静置一段时间后液面无明显变化，则判定气密性良好。若液面差消失或持续下降，则需排查漏气点，必要时更换密封件，直至气密性达标。

1.3 实验步骤

实验严格按照“添加电解液—电解反应—数据采集与分析”的流程有序开展，具体步骤如下。

（1） 添加电解液​。确认装置气密性合格后，排出检查气密性用的水。轻捏两侧橡胶管中的玻璃珠以形成负压，向电解槽中缓慢注入5%氢氧化钠溶液。观察两侧气体收集管内的液面上升情况，待溶液完全充满收集管后立即停止注液。

（2） 启动电解实验。接通J1202学生电源，调节输出电压至16 V，闭合开关，启动电解反应。

（3） 数据采集与分析。电解约30 s后切断电源。此时可观察到两极表面均产生大量气泡，且负极产气量明显多于正极，体积比接近2∶1。随后按以下步骤进行气体成分检测（注：检测可在断电状态下进行，以确保安全）。

①正极气体检测：取下连接正极的Y形管，将1号、2号塑料杯分别与氧气传感器和氢气传感器对接。轻捏正极橡胶管中的玻璃珠向传感器供气，观察数据变化。氢气传感器受气流扰动干扰，示数会出现短暂波动后迅速归零；氧气传感器示数由空气中的20.9%开始持续上升，表明正极产生的气体为氧气。

②负极气体检测：取下连接负极的Y形管，将3号、4号塑料杯分别对接氢气和氧气传感器。轻捏负极橡胶管中的玻璃珠，氢气传感器示数显著上升，而氧气传感器示数无明显变化，表明负极产生的气体为氢气。

实验时发现：传感器响应灵敏、数据稳定，能够快速区分气体成分，为实验结果判定提供了可靠的定量依据。

2 改进优点

融合数字化手段的电解水实验，采用气体传感器替代明火检验，不仅降低了学生的操作难度与安全风险，更提升了实验教学的效率与安全性。融合数字化手段的电解水实验操作简便，利用高灵敏度气体传感器即可快速检测微量气体，不仅有效提高了检测效率，还避免了火焰颜色的干扰，使检验结果更加客观、准确。

3 结语

融合数字化手段的电解水实验有效规避了学生在点燃氢气时可能出现的操作失败、燃爆风险及焰色干扰等问题，显著提升了检验结果的客观性与准确性。该装置成本低廉、操作简便，兼具教学实用性与推广价值。

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] 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.

[3] 汤雅萍.“注射器针头作电极”的微型水电解装置设计［J］.实验教学与仪器，2022，39（05）：38-40.

[4] 龙云开，徐臣，范建敏.电解水器和电解质溶液的改进探究［J］.实验教学与仪器，2024，41（10）：59-61.

[5] 吴懿.电解水实验的改进［J］.中学化学教学参考，2024（26）：70-71.

基金资助

2024年广东省中小学教师培训中心科研课题“AI赋能：基于新课标理念的初中化学课堂观察实践研究”(GDSP220242F002)

2025年深圳市教育科学规划课题“九年一贯制学校校外研学家校协同双场景课程开发研究”(yb25292)