霍夫曼水電解器的實驗條件探究

汪阿戀 吳新建 張賢金 葉燕珠

（福建教育學院化學教育研究所，福建 福州 350025）

一、實驗研究背景

水的電解實驗是初中化學一個重要的學生必做實驗。通過電解水分解產生氫氣和氧氣、驗證氣體、合成水的實驗，讓學生從獲得的直觀感知中理解水的組成，得出水是由氫、氧元素組成的結論，還可讓學生學習從元素觀、微粒觀的角度認識和探究物質結構的方法。在較短時間內收集足夠量的氣體，生成氫氣和氧氣的體積比為2∶1，能夠方便快捷地檢驗生成的氣體，是獲得最佳實驗教學效果的前提。

在滬教版、人教版等多版本初中化學教材中均使用霍夫曼水電解器來進行該實驗。市售的霍夫曼水電解器具有不同的型號，使用的電極亦不同。教材水的電解實驗中，對水溶液中添加的電解質的種類、電解液的濃度、電源電壓等都未詳細給出，給教師的實驗準備帶來不便。另外，電解器電極易被氧化損壞，使用壽命短，市場上亦有售賣使用鉑金電極的霍夫曼水電解器，電解速度快，電極抗氧化耐用，但是價格昂貴，是普通霍夫曼水電解器價格的兩倍，不利于推廣使用。針對教材裝置存在的問題，有研究者對水電解器的實驗裝置進行了改進。有學者以塑料材質的注射器、礦泉水瓶作為反應容器，對電解裝置進行整體改造［1-3］，改進后的裝置體積小、輕便易攜帶、便于課堂走動演示，但使用注射器等材料進行改進，存在以下問題：注射器等塑料材料不完全透明，會干擾實驗現象的觀察，另外使用過的注射器作為醫療廢棄物存在傳染疾病的可能性須集中處理，用于實驗改進的注射器只能是全新購買的，這也將提高改進實驗的成本［4］。此外還有研究者使用帶刻度H 管［5］、V型管和帶支管的U型管［6］等進行水電解器的改進，但均存在儀器加工改造復雜、操作不方便或者實驗數據觀察不便等問題。另外還有一些簡易的改進裝置，使用者在裝液和氣體檢查時難免會接觸電解液，對手部皮膚造成傷害。

霍夫曼水電解器作電解水的專用儀器，具有以下優點：加液、驗氣等操作方便，刻度清晰，便于學生觀察，可以準確測定產生氣體的體積，氣體檢驗時可以直接點燃氣體進行操作，氣體流速可控，避免了手與電解液的直接接觸，實驗的安全性較高。另外，霍夫曼水電解器作為教材的原型裝置，學生較為熟悉，在實驗教學中應用可減少學生的認知障礙，獲得較好的實驗教學效果。

鑒于霍夫曼水電解器的這些優點，探究原裝霍夫曼水電解器的最優實驗條件，針對存在的不足進行改進，提高實驗的準確度、裝置的耐用性，以便在教學實踐中充分發揮教材原型實驗裝置的教育功能。

二、實驗用品

藥品：硫酸（衡陽市凱信化工試劑有限公司，AR），硫酸鈉（西隴科學股份有限公司，AR），氫氧化鈉（西隴科學股份有限公司，AR），蒸餾水。

溶液配制：使用蒸餾水分別配制2.5%、5.0%、10.0%、15.0%的氫氧化鈉溶液，配制濃硫酸：水的體積比為1∶15、1∶12、1∶10、1∶8、1∶5 的硫酸溶液，配制10%的硫酸鈉水溶液。

儀器：J2606 型霍夫曼酸式活塞型水電解器（原裝電極：錫棒），04003 高中學生電源（2V-16V），鍍鎳回形針。

三、原裝霍夫曼水電解器實驗條件探究

水電解反應的進行以及反應速率的快慢與水中添加的電解質種類、濃度、電壓大小密切相關。為了在短時間內產生符合課堂教學要求的體積比為2∶1 的氫氣和氧氣，分別探究以硫酸鈉溶液、氫氧化鈉溶液、硫酸溶液為電解液，在不同的直流電壓下的電解情況，優選出最佳的實驗條件。

（一）硫酸鈉溶液作為電解液的電解情況

在電源電壓為16V 時，使用10%硫酸鈉溶液作為電解液，生成20 mL H2的時間為7′02″，此時生成的O2體積為8.5 mL，氫氣和氧氣的體積比大于2∶1，另外電解時陰極會出現黑色絮狀物，電極變軟溶解?？赡艿脑蚴窃陔娊饬蛩徕c水溶液的過程中，氫離子得到電源負極輸入的電子轉變為氫氣；同時用作陰極的比氫離子活潑的錫原子也可將氫離子還原為氫氣［7］，造成陰極材料的損耗，陽極表面則形成難溶的保護膜而不被溶解。以硫酸鈉溶液作為電解液，電解速率慢，電解過程有副反應出現，故不宜用作水電解實驗的電解液。

（二）氫氧化鈉溶液作為電解液的電解情況

測試不同濃度氫氧化鈉溶液在8V、12V、16V 電壓下生成20 ml 氫氣所需的時間（T）及對應生成的氧氣的體積，具體數值見表1。從表中可以看出，氫氧化鈉濃度越大、電解電壓越高，電解的速率越快，氫氣和氧氣的體積比越接近2∶1。但在電解過程中，如同電解硫酸鈉溶液一樣，陰極也會出現黑色絮狀物，并且隨著氫氧化鈉濃度和電壓的增大，產生黑色物質的現象更明顯，電解一定時間后陰極會被溶解?？赡苁怯捎阱a作為陰極材料，當電解電流達到一定值時，電極材料與氫氧化鈉溶液發生析氫反應。使用氫氧化鈉溶液作為電解液電解速度較快，生成氫氣和氧氣的體積比也接近2∶1，但陰極會發生副反應，氫氧化鈉溶液亦不宜作為原裝的J2606 水電解器的電解液。

表1 氫氧化鈉溶液作為電解液的電解情況

（三）硫酸溶液作為電解液的電解情況

測試不同濃度的硫酸溶液（濃硫酸：水體積比為1∶15～1∶5）分別在8V、12V、16V 電壓下生成20 mL 氫氣所需的時間（T）以及相應生成的氧氣的體積，實驗結果見表2。從實驗數據可以看出，在硫酸濃度相同的情況下，電壓越大，電解速率越快，收集20 mL H2所需的時間越短；在同一電壓下，硫酸濃度在1∶15～1∶10之間，隨著溶液濃度的升高，生氣氫氣的速率加快，而硫酸濃度在1∶10～1∶5 之間時，生成20 mL H2所需的時間相差不明顯，可見硫酸的濃度在這區間范圍內對生成氫氣的速度沒有太大的影響。

表2 硫酸溶液作為電解液的電解情況

綜上所述，在使用原裝的J2606 霍夫曼水電解器時，不宜采用硫酸鈉溶液、氫氧化鈉溶液作為電解液，可使用硫酸溶液作為電解液。考慮實際的課堂教學效果，鑒于高濃度的硫酸溶液具有較強的腐蝕性，而且生成氫氣的速度并不都隨著硫酸濃度的升高而加快，可選用濃度為1∶15～1∶10 的硫酸水溶液，在16V 的電壓下，2 分鐘左右可以就可以電解出20 mL H2，氫氣和氧氣的體積比為2∶1，可以滿足電解實驗的要求。

四、霍夫曼水電解器的改裝及實驗條件探究

原裝的J2606 電解器采用錫棒作為電極，使用硫酸溶液作為電解液在一定電壓下可獲得理想的電解效果，但是長時間電解后電極會變軟、彎曲甚至斷掉，而且配套的膠塞容易老化變硬導致漏液，故需要尋找電極替代品。為了減少電解時的電極副反應，最好采用惰性電極，如鉑電極、石墨電極。然而鉑電極價格昂貴，石墨電極結構較為松散，電解時容易吸附氣體；且作為陽極時容易產生石墨粉，使得溶液變黑，兩者都不適合作為電極材料。根據文獻報道，可以使用價廉易得的回形針（表面鍍鎳，基體材料為鐵）作為電極，替代原裝電極。

（一）霍夫曼水電解器的簡單改裝

以鍍鎳回形針作為電極，將拉直后的回形針穿過0 號橡膠塞，將帶有回形針的膠塞塞入電解器的下管口，浸沒在電解液中的回形針長度約為3.5 cm，這樣就完成對J2606 電解器的改造，采用的實驗裝置及新舊電極的實物如圖1 所示。

圖1 實驗裝置：新舊電極實物圖

（二）改裝霍夫曼水電解器的實驗條件探究

對改造后的電解器進行最佳電解條件的探究，主要對電解液的種類、濃度、電解電壓進行選擇。在直流電壓為16 V時，分別測試10%硫酸鈉溶液、1∶10硫酸溶液、10%氫氧化鈉溶液作為電解液時電解水的情況。通過實驗發現，以10%硫酸鈉為電解液，生成20 mL 氫氣的時間需要10 多分鐘，反應速率慢；使用1∶10 硫酸溶液作為電解液，生成20 mL 氫氣所需時間僅90″左右，但生成的氫氣和氧氣的體積比為2.2∶1，大于理論值2∶1，另外回形針會跟硫酸溶液發生反應，電解一段時間后會發生陽極電極熔斷的情況；采用10%氫氧化鈉溶液作為電解液，生成20 mL 氫氣所需時間為2 分鐘左右，氫氣、氧氣的體積比為2∶1。綜合以上分析，使用回形針作為電極時，不宜采用硫酸鈉溶液及硫酸溶液作為電解液，可使用氫氧化鈉溶液。

為獲得以氫氧化鈉溶液作為電解液時的最優電解條件，探究不同濃度的氫氧化鈉溶液在不同的電壓下的電解情況，具體結果見表3。從表3 中可以看出，隨著氫氧化鈉溶液濃度的增大、電壓的增高，電解的速率越快，實驗結果越準確。但在氫氧化鈉濃度超過10%后，其濃度的增加對于電解速率的影響變小。綜合考慮實驗的安全性和教學效果，由于高濃度的氫氧化鈉溶液腐蝕性強，可以使用16 V 的電壓，氫氧化鈉溶液的濃度在5%～10%之間。此時電解出20 mL 氫氣的時間（T）為2～4 分鐘，這個電解時間可邊講解邊引導學生觀察實驗現象，不至于因反應太快影響學生觀察或者反應太慢影響教學進度。

表3 氫氧化鈉溶液作為電解液、回形針為電極時的電解情況

使用原裝霍夫曼水電解器（J2606）時，可采用16V的電壓，以濃度在1∶15～1∶10 的硫酸水溶液作為電解液。鑒于原裝電極易損耗、裝置存在漏液的情況，可使用鍍鎳回形針作為替代電極，以5%～10%氫氧化鈉溶液作為電解液，電壓為16V 時，也可得到理想的電解效果。

教材的原型實驗是眾多優秀教材編寫者的智慧結晶，具有獨特的教育價值。對其進行深入探究，并根據存在的不足進行簡單改造、再探究，以獲得更佳的實驗結果，才能充分發揮教材原型實驗的教學功能。