简论电解电解饱和食盐水实验改善

【摘要】通高中课程标准实验教科书（苏教版）化学1（必修1）的专题2的第一单元中，涉及氯气的生产原理时有一个电解饱和食盐水的实验（图2-2）。这个实验，对引导学生掌握工业上如何制取氯气的原理有着重要作用。
【关键词】电解饱和实验水 电导率 截面积 导电能力
普通高中课程标准实验教科书（苏教版）化学（必修）①第40页“氯气的生产原理”中“观察与思考1”的实验内容如下：
按图2-2（如图1）所示装置进行实验。
（1）接通电源，观察食盐水发生的变化。通电一段时间后，将小试管套在a管上，收集U形管左端产生的气体。2min后，提起小试管，并迅速用拇指堵住试管口，移近点燃的酒中国论文中心www.618jyw.com
精灯，松开拇指，检验收集到的气体。
（2）取一支小试管，用向上排空气法收集从b管导出的气体，观察收集到的气体的颜色。
（3）关闭电源，打开U形管两端的橡皮塞，分别向溶液中滴加1～2滴酚酞溶液，观察现象。
如果按照课本上的要求进行实验，可能存在如下问题：
（1）氢气的检验很难成功。笔者经过多次实验，并和众多同仁探讨该实验成功的几率，均感氢气检验的成功率极低，在实验时2分钟后检验收集到的氢气时，根本听不到轻“噗”声或爆鸣声；（（2）检验电解产物氯气时，氯气扩散会污染空气，引起师生中毒咳嗽、鼻咽疼痛。
笔者通过研究，对上述实验进行了改进，取得了成功。
首先，我们对“氯气的污染”问题进行了两处改进：其一（改进一）：将实验步骤（3）改为，在开始通电之前就在U形管两端滴加1～2滴酚酞溶液，这样不仅现象明显，而且对比a、b两极溶液是否都变红，而且可以避免实验后打开橡皮塞时氯气对空气的污染；其二（改进二）：将实验步骤（2）进行进一步完善，把湿润的淀粉碘化钾试纸放在导管b中（如图2 b处所示）。这样，在实验时可以清楚地观察到开始时“湿润的淀粉碘化钾试纸”变成蓝色，并在1～2分钟后又褪成白色。改进后的实验，不仅可以很好地检验出氯气的产生，而且，也可以避免了氯气的污染。同时，还可以启迪学生对 “变蓝的试纸为什么又褪成白色？”进行探究，为后面“氯气的性质”的教学打下伏笔。
其次，我们对“检验氢气成功率极低”的原因问进行了探究，并进行了相应的改进。氢气的爆炸极限为4%～74.2%，只要小试管中氢气的体积分数>4%，在点燃时就很容易产生轻“噗”声或爆鸣声。因此，笔者认为，氢气的检验失败的原因主要在于：电解饱和食盐水产生氢气的速率太小，在2min内，小试管收集到的氢气太少甚至几乎没有收集到氢气。
电解质溶液的电导能力G=KA（截面积）L（距离） ，电导率K与电解质溶液的浓度与性质有关，（1）在相同条件下的一定范围内，离子的浓度愈大，电导率愈大；（2）离子的迁移速度愈快，电导率愈大；（3）离子所带的电荷数越高，电导率愈大。当外部条件固定时，对于同一电解质（2） （3）点是确定的，电导取决于溶液的浓度。本实验电解的是饱和食盐水，溶液的浓度一定，则K为定值不可变，因此，我们只能从调节A和L的角度对实验进行改进（改进三）：①使用内径较大的U形管，②采用较粗、较长的电极。这样，可以缩短两电极间的距离，增大电极与电解质溶液之间的接触面积，使导电截面积增大，从而大大加快了电解速率，提高了实验成功率，改变了实验效果。
电量Q=It、电流强度I=U（电压）R（内电阻） ，在内电阻一定时，欲获取较多量的氢气，一可以适当延长电解时间，在开始通电前就将小试管套在导气管（a管）上（改进四）；二可以增大电解电压。在实验时采用25V的直流电压，可以获取理想的效果。
为了能使小试管在较短的时间内收集到氢气，我们对实验装置又进行了两处改进：其一（改进五）：分别在两个电极上各加一个橡皮塞（如图2 c处所示），这样可以预先排出U形管中部分空气，便于氢气（氯气）的尽快排出；其二（改进六）：将导出氢气的玻璃管（a管）与乳胶管连接的一端做得很短，用乳胶管连接U形管具嘴时，直接与具嘴接触（阳极处也应这样连接，可以尽量避免氯气对乳胶管的腐蚀），并将插入小试管部分的导管进行拉细处理（如图3所示）， 这样在取下小试管时，可以避免导管对试管内气体的影响（否则，导气管将占据小试管中的不少空间）。
通过多次试验，我们觉得还应该注意以下细节：
①要使用口径较小的试管（可以尽快集满氢气），尽量避免室内空气流动对氢气收集的影响。实验时我们采用了Ф12mm×70mm小试管。②U形管内的饱和食盐水液面不能太高，而且处理尾气的导气管不能插入氢氧化钠溶液中太深，否则氯气不易排出，易引起阳极管内气压变大，使阴极食盐水液面上涨，溢进导气管使之堵塞，致使氢气不易排出，甚至收集不到氢气。③铁夹最好夹在U形管与石墨棒相连一端的中部，这样可以便于观察铁棒周围的溶液颜色变化。④避免实验时间过常，否则OH-离子移动到阳极时电解会产生氧气；重复实验时，换掉饱和食盐水后要将铁棒洗净（可先用稀盐酸处理），否则，铁棒上残留的NaOH遇到预先滴入的酚酞溶液，会使溶液在通电前就变成红色，影响实验现象。⑤导气管b内湿润的淀粉碘化钾试纸凹面面对学生（便于学生观察得更清晰）。
改进后的实验步骤：
（1）在U形管（Ф15mm×150mm的U型具支干燥管）内装入适量饱和食盐水，在U形管两端分别滴加1～2滴酚酞溶液，在导出氯气的导气管内放入湿润的淀粉碘化钾试纸，用铁夹夹住U形管碳棒一端中部（固定在铁架台上），按照图2所示进行仪器组装。
（2）接通25 V直流电源，先观察U形管内的变化，再观察导气管b处湿润的淀粉碘化钾试纸的变化。
（3）通电一段时间后，取下小试管，并迅速用拇指堵住试管口，移近点燃的酒精灯，松开拇指，观察现象。
改进后的实验效果：一、通电后，两电极气泡产生的速率很快；导气管内湿润的淀粉碘化钾试纸先变蓝色后褪色，现象明显。二、氢气的检验相当成功：①如果阳极使用5号电池的碳棒（Ф8mm×57mm）、阴极使用Ф5mm×75mm的钢钉，则收集到的氢气3分钟内即可以爆鸣，确保演示实验在5分钟内成功。②如果阳极使用Ф6mm×150mm的碳棒、阴极使用Ф6mm×150mm的钢筋，则收集到的氢气1分钟内即可以爆鸣，确保演示实验在2分钟内成功。