電解水實驗中的疑難問題與現象解析

潘國榮

摘要：電解水的實驗是初中化學一個非常重要的定量實驗，這是一個慢速且現象多變又不明顯的疑難實驗，經常得不到氫氣與氧氣的體積比為2∶1的理想結果。文章從十個方面對電解水實驗中的一些不容易理解的疑難問題和現象進行了整理與解析。

關鍵詞：電解水；實驗；疑難問題；現象；解析

文章編號：1008-0546（2014）11-0078-02 中圖分類號：G633.8 文獻標識碼：B

doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2014.11.029

有關“電解水”的實驗是初中化學一個非常重要的定量實驗，它對學生直觀地認識“水的組成”問題具有極其重要的意義。由于這是一個慢速且現象多變又不明顯的疑難實驗，導致我們在實驗過程中常常產生一些不容易理解的疑難問題和現象，下面將它們進行整理解析，供老師們參考。

1. 影響氫氣與氧氣體積比為2∶1的因素有哪些？

電解水實驗中，我們總是得不到氫氣與氧氣的體積比為2∶1的理想結果，氧氣的體積總是小于1，是哪些因素造成了氧氣體積的偏小呢？一是溶解度不同，在一個大氣壓與室溫20℃條件下，1升水溶解18.2mL氫氣、溶解31.1mL氧氣[1]，氧氣溶解到水里多；二是氧氣容易與活潑電極如銅、鐵、碳（石墨）等反應而消耗了部分氧氣，石墨電極生成二氧化碳更易溶于水并造成氧氣不純；三是使用稀硫酸溶液電解時，會在陽極生成少量而穩定的過硫酸、雙氧水與臭氧等，減少了氧氣的生成量[2]；四是若用自來水配制電解液，則電解生成的氧原子很容易把自來水中的還原性物質如氯離子Cl-氧化成次氯酸根離子ClO-等，從而降低了氧氣的產量；五是電解液與電極不匹配而發生化學反應；六是氣體在電極表面的吸附程度不同如鉑對氫氣溶解很小而1體積鉑卻能溶解70體積的氧氣[2]等。

此外，水蒸氣的放大作用、液面高度不同產生的壓強不相等、電極產生的過電位不相同、兩級的電流效率不相同等也會影響到氫氣與氧氣的比例。

2. 如何讓電解水實驗中氫氣與氧氣體積比為2∶1？

為了得到氫氣與氧氣的體積比為2︰1，通常可以采取的辦法是：（1）課前先電解一下水，讓電解液與電極充分吸收氫氣和氧氣到達飽和，然后再把氫氣和氧氣放掉，使課堂電解水時，減少電極與電解液對氫氣和氧氣的吸收。（2）把電解液的溫度控制在25℃以上，減少氧氣的溶解度。（3）讓電解液的濃度適當高一點，也可以減少誤差。（4）調節盛氫氣、氧氣與電解液三個儀管的液面在一個水平高度上，消除大氣壓強不同引起的誤差。

3. 電解水的最低電壓是多少？

電解水時，要使水分解的反應正常進行，需要加的電壓必須超出一個定值即電解水的分解電壓。一是若用惰性的金屬鉑做電極，25℃時氫氧原電池的標準電動勢是1.229V，所加電壓必須先平衡它。二是電解時在電極上，氣體的形成與逸出都需要一定的“活化能”，這就是電化學極化，極化值與氣體性質、電極材料、電流大小、溫度等因素有關；在鉑電極上由電化學極化引起的超電勢氫大約是0.09V、氧大約是0.45V。三是電解時引起的濃度變化導致的電極電勢與平衡電勢發生偏差而產生濃差超電勢，它與攪拌情況、電流強度、離子性質、溶液性質和溫度等有關。四是兩電極及其之間的溶液是有電阻的，這些外電阻要消耗電壓，即電阻電壓降。在起始階段，電流很小時，在不考慮濃差超電勢、電阻電壓降的因素條件下，電解水的標準分解電壓=1.229V+0.45V+0.09V=1.769V[3]。

4. 電解水的最佳電壓是多少？

為了盡快電解得到一定量的氫氣和氧氣，以供實驗演示之用，不同的實驗裝置和條件所需要的電壓并不完全相同，老師們提供的最佳需求電壓也不一樣。

有用輸出電壓為5V～7V、電流1A～2A的手機充電器做電源的[4]；有用6V～12V整流電源的[5]。電壓低，實驗演示的時間就長，適當提高電解電壓大約在12V～24V之間[6]，可以使縮短演示時間、減小誤差、提高實驗效率。

有使用自制的整流電源，把電壓可放寬到36V[7]的。直流電壓越大，水分解的速度就越快，但是，不容易控制，而且在堿性環境下容易產生泡沫，所以，一般不采用高壓電。

也有人[8]曾使用250V高壓直流電源做電解水實驗，幾分鐘便得到比較多的氫氣和氧氣，提高了課堂教學效率的。

因此，實驗時，要根據自己選擇的電解液、電極、裝置、電源類型等的具體情況探索出適當高一點的電壓，以提高課堂演示實驗的效率。

5. 電解水常用哪些材料做電極好？

實驗室常用電極材料：鉑、鎢、鉬、鎳、鐵絲、鉛棒、不銹鋼、保險絲（鉛錫鉍鎘合金）、電爐絲（鐵鎳鋁或鎳鉻合金）等。銅絲也用，但是，容易被氧化，效果要差一些。石墨電極的化學穩定性好，但是它的片層結構之間距離較大，許多分子和離子滲透進入石墨片層之間形成插入化合物[2]。使它形成高過電位、吸附氣體作用強、產生氣體速率慢等缺陷。而且，碳能夠與氧結合形成二氧化碳氣體，大大降低了氧氣的數量與純度。因此，電解水的演示實驗不適宜使用石墨材料做電極。

（1）鉑片：是惰性電極，是電解水最理想的電極材料，它的價格比較昂貴，通常方法難以得到。

（2）鎢絲：能夠適宜于酸性、中性與堿性的電解液，可以從廢舊白熾燈的鎢絲中收集。

（3）鉬：能夠適宜于酸性、中性與堿的電解液，取出廢舊白熾燈泡里的兩根粗金屬絲即可用作鉬電極。

（4）鉛：能夠適宜于酸性、中性與堿性的電解液，鉛棒可以從廢舊鉛蓄電池中取出。

（5）鎳：能夠適宜于中性與堿性的電解液，可以采用注射器針頭、鍍鎳大頭針與回形針等。

（6）不銹鋼：能夠適宜于中性與堿性的電解液。

（7）鐵絲：便宜，能夠適宜于中性與堿性的電解液，但是，正極溶液容易變紅色。endprint

6. 提高電解水速率的方法有哪些？

法拉第電解定律告訴我們：在電解過程中，電上極上發生反應的物質的量與所通過的電流強度和通電時間成正比，即M=KQ=KIt。提高電解的電流可以提高電解反應速率。

根據歐姆定律：I﹦ε/（R+r），要增大電流強度可以采取的方法有[9]：（1）增大電動勢ε（可以近似看成增大電源電壓）；（2）減少電路中的外電阻R：一是選用適宜的電解液濃度、二是增加電極的表面積、三是縮短導線和電極的距離、四是選用電阻率低的材料做導線與電極；（3）選擇內阻r小的電源，直流電源器內阻大，蓄電池、干電池、功率大的電源變化器內阻小。

7. 電解水時為什么要加入電解質？

氫氧根離子OH-與氫離子H+是所有離子中電遷移速度最快的陰、陽離子。在25℃時，純凈水中[H+]=[OH-]=10-7mol/L，由于離子濃度太低，純凈水的導電能力非常弱。通過加入電解質，其電離所產生的離子在溶液中負擔電遷移任務可以增強水溶液的導電能力。為了夠保證在電解過程中，只能由氫氧根離子OH-與氫離子H+在陰、陽極上得、失電子，加入的電解質必須是所含陰、陽離子都為不易得失電子的酸、堿或鹽。

8. 電解水中通常加入的電解質是哪些？

為了增強水電解液的導電能力，通常要加入一些陰、陽離子都為不易得失電子的酸、堿或鹽做電解質：（1）強酸如硫酸；（2）強堿如氫氧化鈉、氫氧化鉀；（3）鹽如碳酸鈉（溶液呈堿性）、硫酸鈉（溶液呈中性）、磷酸二氫鉀（溶液呈弱酸性）等。

強酸、強堿的溶液腐蝕性大，不適宜學生操作。碳酸鈉溶液、硫酸鈉溶液穩定性好，可以長期保存，下次再用。磷酸二氫鉀溶液稀釋后，作為磷鉀快速高效復合肥使用，不需要特別保存也不產生污染的問題。從“綠色化學”的“安全、無污染”角度考慮，電解水時，選用磷酸二氫鉀作為電解質是比較理想的。

9. 適宜的電解質溶液的濃度是多少？

（1）NaOH：使用氫氧化鈉溶液做電解液時，適宜是濃度為10﹪-13﹪[4]，濃度低了就會影響電解速率，而濃度大了增加的電解速率不明顯卻增強了電解液的腐蝕性。

（2）H2SO4：使用稀硫酸溶液做電解液時，適宜的濃度為1∶4～1∶5[10]，通常配套使用鉑或鉛做電極，其它活潑電極容易在陽極被氧化而影響效果。

（3）KH2PO4：使用磷酸二氫鉀溶液做電解液時，比較適宜的濃度為10﹪左右[4]，該溶液的pH≈5，酸性不強，對皮膚沒有腐蝕性和刺激性。

（4）Na2SO4：使用硫酸鈉溶液做電解液時，可以配制成濃度為10﹪左右[11]的溶液，也可以配制成飽和溶液。該溶液呈中性，而且非常穩定，可以長期保存重復使用，不會變質。

（5）Na2CO3：使用碳酸鈉溶液做電解液時，配制成飽和溶液即可[12]。碳酸鈉溶液呈堿性，它的腐蝕性不強，即使有晶體析出也不影響實驗。而且碳酸鈉溶液比較穩定，可以長期保存重復使用。

10. 電解水的最佳實驗條件是什么？

陳勁老師[13]選取電解水時（1）生成氫氣H2和氧氣O2的體積比為2∶1的權重占75﹪，（2）生成2mL氫氣H2所需要時間的權重占25﹪，這兩個試驗指標的綜合評分法，通過正交試驗法求電解水的最佳實驗條件，結果如下：

影響試驗結果的因素主次關系為電極材料（R值2.9325）、電解質種類（R值2.9125）、兩電極間的距離（R值2.905）、電解液濃度（R值2.74）、電壓（R值2.1875）。他根據計算結果得出的結論是：（1）以鉛質材料為電極；（2）選用KH2PO4為電解質；（3）電解液濃度為10﹪；（4）電極間的距離為21mm；（5）電壓為18V時，實驗效果最好。

參考資料

[1] 張向宇等編.實用化學手冊[M].北京：國防工業出版社，1986：471-472

[2] 陳涌生.電解水H2和O2體積比的誤差和實驗方法的改進[J].化學教學，1992，（1）：22-24

[3] 孫秋香等.電解水實驗縱橫談 [J].湖北教育學院學報，1998，（5）：64-66

[4] 梁淑鳳.適于自主探究的電解水實驗[J].農村青少年科學探究，2009，（10）：18

[5] 鄒振惠.電解水的實驗再探討[J].化學教育，2000，（11）：45

[6] 宋萍，雷復天. 電解水實驗[J].青海師專學報（自然科學），2001，（6）：72-74

[7] 祁秀勇等.電解水實驗的制約因素及應對方法[J].化學教學，2002，（9）：7-8

[8] 夏力.電解水的實驗裝置的組裝 [J].實驗教學與儀器，1999，（9）：10

[9] 張青.不同介質條件下電解水的實驗方法[J].平原大學學報，1999，16（2）：33-34

[10] 李仲明.電解水演示實驗的改進[J].教學儀器與實驗，1998，（2）：10

[11] 王寶權.電解水實驗的再改進[J].教學儀器與實驗，2012，28（3）：11-13

[12] 張振明.對初三化學電解水實驗的改進[J].教育革新，2008，（8）：51

[13] 陳勁.用正交試驗法探求電解水的最佳實驗條件[J].貴州教育學院學報（自然科學），2005，16（4）：46-49endprint