绿色化食盐水电解器的设计

2019-03-05山东省肥城市第一高级中学271600贾同全

中小学实验与装备 2019年1期

山东省肥城市第一高级中学(271600) 贾同全

1 设计意图

氯碱工业是教材详细介绍的化学工业之一，电解饱和食盐水是氯碱工业中的重要反应,也是高中化学课堂中一个非常重要的实验。不同版本教材中对于电解饱和食盐水实验的呈现也不同，对比情况见表1。

电解饱和食盐水的实验主要涉及两极产物的检验以及氯气的处理，在人教版和苏教版教材中既没有该实验的图示，也没有安排实验，在教学过程中教师通常会按照鲁科版教材所示装置进行实验，即利用带有支管的U型管。其不足之处在于：①该装置与氯碱工业的实际生产装置有一定的距离，在氯碱工业中所用的阳离子交换膜在教学实验中难以实现；②利用U型管进行实验时，离子在阴阳两极迁移的距离过长，导致整个电路的电阻较大，实验时收集气体所需的时间较长，同时氯气逸出会造成空气污染，不利于在课堂进行演示；③由于U型管带有支管，导致浸入溶液中的电极太短，接触面积小，不利于气体的产生。

利用一体化电解食盐水装置，可有效控制实验的进行，操作简单，现象明显。能够充分展示电解后的各种产物，体现物质变化与实验现象的一体化融合，培养学生辩证统一的核心素养。同时，该实验在组装式密闭容器中进行，从而使产物的检验与尾气的处理合二为一，实现了无污染的“绿色化学实验”的设想。并且教具制作的材料易得，制作简单，易于推广。

表1 三种版本教材电解饱和食盐水实验对比

2 制作材料

玻璃管(18 mm×200 mm、22 mm×100 mm、6 mm×60 mm)、单孔橡胶塞、双孔橡胶塞、分液漏斗、长颈漏斗、石墨电极、乳胶管、玻璃多孔球泡、低压电源(18 V)、有机玻璃支架。

3 制作方法

3.1 H型电解管的制作

取1根18 mm×200 mm的玻璃管用玻璃钻头打孔器在距离管口3 cm和6 cm处各打1个直径约2 mm的孔。取另1根18 mm×200 mm的玻璃管用玻璃钻头打孔器在距离管口6 cm处各打1个直径约2 mm的孔。再用玻璃钻头打孔器在1根 6 mm×60 mm 的玻璃管中央打1个直径约2 mm的孔。用玻璃胶按如图1所示将3根玻璃管粘在一起，管口下部塞上带有石墨电极的橡胶塞，上部分别塞上带开关的橡胶塞和连分液漏斗及导气管的橡胶塞，并在两管之间连上分液漏斗。这样，H型电解管就制作完成了。

3.2 剩余氯气处理管的制作

用1根22 mm×100 mm玻璃管在酒精喷灯外焰上边烧边拉伸(灼烧处距离管口5 cm左右)，将下端做成细管状，并将带有玻璃开关和连有玻璃多孔球泡的橡胶塞紧管口。这样，剩余氯气处理管就做成了，如图2所示。

图1 H型电解管

图2 剩余氯气处理管

3.3 食盐电解器的组装

在H型电解管下方的电极上连接电源线，在有机玻璃支架上用玻璃胶将H型电解管、剩余氯气处理管和直流电源组合固定为一体(注意：玻璃胶的用量要适量，在玻璃管的背面粘牢，以免对实验现象产生干扰 )，如图3所示。其中在a、b、e处为玻璃活塞，c、d处安装有玻璃球活门，以利于气体的定向流动。

图3 绿色化食盐水电解器示意图

4 使用方法

(1)如图3所示将装置连接好，并检查装置气密性以及装置中电源的连接情况。

(2)将活塞a、b打开，使管内与外界大气压连通，从长颈漏斗中加人滴有无色酚酞溶液的饱和食盐水，注满整个H型电解管，并且管内没有任何气泡。

(3)打开电源开关，调节电压，以导管中产生均匀的气泡为宜，可以观察到与电源正极相连(阳极)的管中有黄绿色气体产生；与电源负极相连(阴极)的管中有无色气体产生，并且溶液逐渐变红，说明有碱生成(放氢生碱)。

(4)关闭电源，取一小试管倒扣在活塞a连接的玻璃管上，慢慢打开活塞a，放出适量无色气体后关闭a，立即用拇指堵住试管口，将其移至酒精灯火焰上可听到爆鸣声，证明产生的气体为氢气。在分液漏斗中放入一小块湿润的淀粉碘化钾试纸，盖好分液漏斗的塞子。轻轻旋开分液漏斗的活塞b，放出少量气体后立即关闭b，可观察到试纸变蓝，说明管内产生的气体是氯气。从而验证了电解的产物，体现了密闭、微量、环保的绿色化学思想，有利于培养学生的微粒观、守恒观、发展观的化学核心素养。

(5)在剩余氯气处理管活塞e处的导管口放置适量浸有碱液的脱脂棉后，打开活塞e，挤压玻璃球活门d,将适量呈红色的氢氧化钠溶液引入剩余氯气处理管中。再挤压玻璃球活门c,使阳极产生的氯气从玻璃多孔球泡中均匀冒出，与阴极生成氢氧化钠溶液充分、迅速地反应，可发现溶液红色逐渐消失，剩余氯气被充分吸收。验证后的实验产物又被在密闭系统中吸收和利用，体现了化学实验的一体化，使得实验在遵循节约、环保、现象明显的基础上得以实现系统化的设计。