水電解實驗設計

摘 要 通過水電解實驗，對反應電極、電解液的濃度、電壓對實驗效果的影響進行探究分析。

關鍵詞 水電解；電極；電解液；電壓

人教版《化學》九年級上冊第三單元課題1“水的組成”中有水的電解實驗，若按書本的實驗裝置圖來做實驗，很難準確得到H2:O2的體積比為2:1。為此，筆者在書本原來實驗的基礎上探究水電解得到H2:O2的體積比為2:1的理想條件。

1 實驗原理

1）實驗原理：2H2O通電2H2↑+O2↑。

2）實驗裝置圖。教材中水電解裝置生成的H2和O2是用試管來收集的，但用試管收集不能準確地讀出生成氣體的體積。筆者把水電解裝置中的試管換成量筒，這樣可以較準確地讀出H2與O2的體積比，實驗裝置圖對比如圖1所示。

2 實驗用品

1）實驗儀器：低壓直流電源、500 ml燒杯、量筒。

2）實驗藥品：稀硫酸（濃度分別為5%、10%、15%、20%各500 g）、氫氧化鈉溶液（濃度分別為5%、10%、15%、20%各500 g）。

3）實驗材料：鉑絲電極、銅電極、石墨電極、電爐絲和回形針電極（為使實驗有可比性，用石蠟將各導線與電極接觸的部位密封起來，保證各類電極是由單種材料做的純種電極，且電極長都為3 cm）。

3 實驗過程與結果分析

下面選擇不同材料的電極，在不同的電解質、電壓、電解時間進行對比實驗。如用非銅電極做實驗，若實驗過程中出現不合理的結果，則要注意電極與銅接口的石蠟是否脫落。

實驗一：用鉑絲作電極

采用鉑絲電極，分別用5%、10%、15%、20%濃度的稀硫酸和氫氧化鈉作為電解液，記錄相同時間不同電壓的VH2:VO2。

由表1、表2可知，用鉑絲作電極，其他條件相同時，電解速度與電解質濃度、電解電壓有關：相同濃度的電解質，電壓越大，電解速度越快；電解質的濃度也與電解速度有一定的關系，但并不是電解質越濃電解速度就越快，如表中的實驗數據所示，10%的稀硫酸比20%的稀硫酸的電解速度快。所以，做實驗時要做到環保、節約，溶液的濃度合適就可以了，免得浪費。

實驗過程中，電解時間越長，所產生的氣體就越多，而且用鉑絲作電極，無論在酸性還是堿性的條件下，生成H2和O2的比值始終保持為2:1。

實驗二：用銅絲作電極材料

用銅絲作電極，正極的銅絲要放在電爐上灼燒一段時間后再冷卻，如此反復，使其表面生成一層致密的氧化銅。

由表3可知，用銅絲作電極，用氫氧化鈉溶液作電解質，在電壓不太高時，各種濃度的電解結果都好，符合VH2:VO2之比為2:1，只是濃度大時，電解速度快些。由于氫氧化鈉對玻璃有腐蝕作用，因此應選擇濃度較小的溶液進行電解。實驗時觀察到的現象是：隨著濃度和電壓的升高，溶液藍色越明顯。

注意：用銅絲作電極，陽極的銅絲必須氧化，否則銅作正極，會發生耗氧反應，2Cu+O2+H2O+CO2=Cu2(OH)2CO3，

VH2:VO2遠遠大于2:1，導致實驗失敗。

由表4可知，用稀硫酸作電解質，用銅絲作電極，電解時較活潑的金屬優先放電，陽極：Cu-2e-=Cu2+。銅絲不斷溶解，而OH-不能放電，不能發生4OH--4e-=2H2O+O2↑，因此沒有O2產生。陽極的銅絲即使先氧化成氧化銅，也是沒有氧氣產生，因為反應過程中陽極的氧化銅與稀硫酸反應，不斷溶解。因此，用稀硫酸作電解質，不能用銅絲作電極。

實驗三：用石墨作電極

由表5和表6可知，無論在酸性還是堿性的條件下，都不能用石墨作電極，因為用石墨作電極，產氣極慢，而且石墨電極對氣體吸附作用強，氣體脫附慢。

實驗四：電爐絲和回形針作電極

電爐絲是鐵鎳合金，與鍍鎳的回形針一樣均可與酸反應，只能用堿作電解液。

如表7所示，相同條件下電爐絲比回形針效果好些。電壓相同時，濃度越大，電解越快；若濃度較小時，可采用較大的電壓，同樣可得到較好的效果。

4 實驗結論

一般條件下，電解質的濃度越大，電解速度越快；電壓越大，電解速度越快。實驗剛開始收集時，H2和O2的體積比不是2:1，而是大于2:1，原因是H2和O2在水中的溶解度不同：1 atm，20 ℃時，O2的溶解度為0.043 4 g/L，換算成體積約30.4 ml/L；H2溶解度為0.001 60 g/L，換算成體積約17.9 ml/L。只有H2和O2在水中達到溶解平衡后，生成的H2和O2的體積比才是2:1。

鉑絲是惰性電極，在酸、堿條件下都是非常理想的電極，但從價格方面考慮，也可以用非鉑電極進行電解。為降低誤差，在使用非鉑電極材料時，注意電極材料與電解質溶液匹配。其基本原則是：所選的電極材料與電解液不發生化學反應，而且在電解時能在陽極表面形成不溶于該電解液的保護膜。另外，實驗時要用石蠟密封導線與非鉑電極接觸的部位，否則影響實驗結果。

參考文獻

[1]彭志文.電解水實驗的探究[J].實驗教學與儀器，2010(5):32-33.

（作者單位：廣州市番禺區石碁第三中學）