正交試驗法探究電解水實驗

戴小敏 馬 速 胡慧賢

（大連大學(xué)環(huán)境與化學(xué)工程學(xué)院 遼寧 大連 116622）

電解水實驗是大學(xué)化學(xué)教學(xué)論實驗和初中化學(xué)實驗中的一個重要內(nèi)容［1-3］。本實驗成功標(biāo)志有兩點(diǎn)：（1）通直流電流能看到兩個電極都迅速產(chǎn)生大量氣泡。氣體匯集在玻璃管或試管上部，氫氣與氧氣體積比為2∶1。（2）檢驗氧氣時，帶火星的木條應(yīng)明顯復(fù)燃，檢驗氫氣時應(yīng)看到點(diǎn)燃的氫氣火焰。但是，做到這兩點(diǎn)難度較大。針對《化學(xué)教學(xué)論實驗》（科學(xué)出版社）［1］和《義務(wù)教育課程標(biāo)準(zhǔn)實驗教科書·化學(xué)·九年級（上冊）》（上海教育出版社）［2］的實驗裝置比較煩瑣不僅難以加工，而且快速且成功的實驗條件難以控制的問題，本文對實驗裝置進(jìn)行了簡化改進(jìn)并采用正交試驗法考察了電解液、電極材料及電壓等因素對電解水實驗的影響，以期找到實驗現(xiàn)象明顯且快速的較優(yōu)化實驗條件。

一、實驗部分

1．實驗用品

NaOH （5%）、H2SO4（10%）、Na2SO4（10%）、電解水裝置、學(xué)生電源（J1202-1）、碳棒、曲別針、鐵釘、導(dǎo)線。

2.實驗裝置

圖1 自制水電解器

3.實驗方法

實驗條件按表 1進(jìn)行。A1、A2、A3分別為 NaOH（5%）、H2SO4（10%）、Na2SO4（10%）；B1、B2、B3 分別為碳棒、鐵釘、曲別針；C1、C2、C3 分別為 6V、8V、12V。仔細(xì)觀察電解器兩極產(chǎn)生氣體情況。待收集的氣體達(dá)到一定數(shù)量后，停止電解。擠壓陰極端尖嘴上的玻璃珠，在尖嘴口點(diǎn)火，觀察現(xiàn)象。然后檢驗另一管口中的氣體，用帶有余燼的細(xì)木條放在管口，觀察現(xiàn)象。

表1 正交表

二、實驗結(jié)果與討論

一般認(rèn)為，影響電解實驗的主要因素是電解液、電極材料和電解電壓［1］。為了增加水的導(dǎo)電性、加快水的電解速率、縮短實驗時間，在不影響水的電解本質(zhì)前提下往往在水中加一定的電解質(zhì)，如：Na2SO4、NaOH、H2SO4等［1］。考慮操作方便和安全，本文選用NaOH （5%）、H2SO4（10%）、Na2SO4（10%）為電解液。電極材料可以用碳棒、曲別針、鐵釘、保險絲及鉑絲等。從價格、電解速率及電解效果這些方面綜合考慮，本文選用碳棒、鐵釘、曲別針為電極材料。一般地，電解電壓為6V～12V［1］。本文采用三因素、三水平正交試驗法考察了電解液、電極材料和電壓對電解水實驗的影響規(guī)律。

利用自制水電解器如圖1，依照表1試驗方案進(jìn)行電解水試驗。記錄兩極收集已定體積氣體所需的電解時間。實驗結(jié)果及分析見表2。

三、研究結(jié)論

從表2可以看出，第一列極差R較大，第三列極差R次之，第二列極差R最小。表明影響水電解因素的主次順序為：電解液、電壓、電極材料。

表2 正交試驗結(jié)果分析

本文交試驗結(jié)果表明，其他條件不變情況下，電解液為 NaOH （5%）、H2SO4（10%）、Na2SO4（10%）時，水電解速率依次減小；電極為曲別針、碳棒、鐵釘時，水電解速率依次減小；電壓越大，電解速率越大。表明電解水試驗的較優(yōu)試驗條件為：電解液為NaOH（5%）、電極為曲別針、電壓為12V。

［1］ 李廣洲，陸真．化學(xué)教學(xué)論實驗［M］．北京：科學(xué)出版社，2000．6

［2］ 義務(wù)教育化學(xué)國家課程標(biāo)準(zhǔn)研制組．義務(wù)教育課程標(biāo)準(zhǔn)實驗教科書（化學(xué)）［M］．上海：上海教育出版社，2001．8

［3］ 課程教材研究所，化學(xué)課程教材研究開發(fā)中心編著．義務(wù)教育課程標(biāo)準(zhǔn)實驗教科書（化學(xué)）［M］．北京：人民教育出版社，2010．4