解析電解水實驗中的三大問題

電化學發展史上的第一個發明是利用電流分解了水。電解水是初中一個經典演示實驗，但實際操作過程中，有不少問題讓人困惑。如：為何氫氣和氧氣的體積比不是2∶1？實驗過程中有一種神秘的氣泡既不是氫氣也不是氧氣，它是什么？如何改進實驗？筆者進行了探究。

據精確的實驗測定，電解水產生的氫氣和氧氣的體積比為2∶1，據此可以確定水的分子式為H20。然而在演示實驗時，得到的氫氣和氧氣的體積比大于2∶1。經過思考和查閱有關資料，分析得出主要原因如下：

1.兩根玻璃管水柱壓強不等。負極放出氫氣的體積大于正極放出氧氣的體積，玻璃管水柱壓強對負極影響大于正極，致使氫氣體積偏小。

2.氫氣和氧氣在水中的溶解度不同。一個標準大氣壓室溫下，每升水可溶解18.2毫升的氫氣或31毫升的氧氣。由于溶解度不同，電解水時氧氣的體積略小。實驗表明，氣體在管內所承受的水壓越大，氫氣和氧氣在水里的溶解度差別就越顯著，體積比偏離理論值2∶1就越多；降低管內氣體的壓強，可以明顯縮小氫氣和氧氣在水中溶解度的差別。

3.介質副反應影響電解結果。電解水時加入少量硫酸（介質），實際上電解的不是純水而是稀硫酸，實驗結果的偏差主要是由下列副反應所造成：

由于H2O2在酸性溶液中較穩定，致使陽極電解過程中放電遲緩，不易放出氧氣，結果氧氣體積偏小。

4.正極被新生態氧氧化，導致氧氣體積偏小。

電解水實驗在正極冒出的是氧氣，負極冒出的是氫氣。但實際上，水的電解過程中還會有古怪的第三種氣體冒出！

這種現象許多人在做實驗的過程中都忽視了。仔細觀察電解水時，除了冒出氫氣或氧氣的氣泡之外，在兩極板間清澈的液體中還會冒出串串氣泡，形成一條從下到上豎直的氣泡線。

電解開始數秒鐘后，就可以看見氣泡線在透明的電解池兩極板中間的水中形成。一開始氣泡還只是排成弓形，后來就形成豎直而穩定的氣泡線。當電流增強時，氣泡線冒氣泡的速度更快。最后氣泡線逐漸加寬，直到氣泡與極板上的氣泡碰頭，于是整個電解池充滿了氣泡。

兩極的氣泡（氫氣和氧氣）是水中的氫離子和氫氧根離子在極板上與電荷中和，形成原子，進而形成雙原子的氣體分子，順著極板冒出來，它與液體中央的氣泡線并沒有任何聯系。清澈液體中的氣泡并不是極板上的氣泡拐彎，然后“跑”到極板之間的液體中，再從那兒冒出來的。

原來，當電極在水中放電，電流很強時，在水中會出現火花，這種火花溫度很低，卻具有很高的能量使周圍的水爆炸，火花給水充電，當水被加進了電能后，就變成一種特殊狀態的氣態水，這種攜帶了電能的布朗氣體比較穩定，不會隨溫度的變化而改變狀態。

也就是說，布朗氣體是吸收了電能的水，水的分子鍵并沒有因為攜帶了更多的能量而斷裂，因此，布朗氣體還是水，只不過是較高能量的水，雖然為氣態，但卻并不是水蒸汽。氣態的水卻不是水蒸汽，這真讓人大開眼界！

1.改進目的

加快反應速度，在較短時間里能產生足夠量的氫氣和氧氣，兩極產生的氫氣和氧氣的體積比為2∶1。

2.裝置圖

裝置圖為霍夫曼電解器示意圖，只是更換了電極，故圖略。

3.操作步驟

①制作電極。用新鐵釘穿過橡皮塞，再將長約20厘米的鋼鋸條捆在鐵釘的一頭?；蛴么值碾娫幢ｋU絲敲打成長約15厘米、寬0.5厘米、厚約2毫米的長條。將尾部約3厘米保留原形，并穿過橡皮塞。

②配制電解液。配制10%左右的氫氧化鈉溶液（電鋸條作電極）或1：4左右的稀硫酸（保險絲作電極）。需要注意的是，用氫氧化鈉溶液電解，應及時清洗電解液，以免氫氧化鈉與玻璃反應，導致電解器活塞粘結而損壞。

③電解水：將電極插入電解器，倒入電解液，通電，觀察現象，并檢查兩極氣體。長時間電解后體積比若偏離2∶1，可將電源正、負極對調，通電1至2分鐘，再觀察。

經測定，用12至24V電壓，20至30秒即可產生20ml氫氣。且體積比剛好為2∶1。點燃氫氣，可以長時間觀察到氫氣燃燒產生的淡藍色火焰。