電解水實(shí)驗(yàn)裝置的改進(jìn)及實(shí)驗(yàn)探究

金熒熒　周勇杰　曹雁　徐華

摘要： 初中科學(xué)課程中通過(guò)電解水的實(shí)驗(yàn)對(duì)“水的組成”進(jìn)行驗(yàn)證。在實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證過(guò)程中由于電解質(zhì)溶液、電極材料、直流電源電壓等原因，使得反應(yīng)速率緩慢、效果極不明顯。通過(guò)探究水的電解實(shí)驗(yàn)的最佳條件，進(jìn)而設(shè)計(jì)了一款適用于家庭實(shí)驗(yàn)的裝置。

關(guān)鍵詞： 水的電解； 實(shí)驗(yàn)裝置改進(jìn)； 實(shí)驗(yàn)探究

文章編號(hào)： 10056629（2023）10006704 中圖分類(lèi)號(hào)： G633.8文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： B

1 問(wèn)題提出

科學(xué)教材七年級(jí)下冊(cè)（華東師范大學(xué)出版社）中的水電解實(shí)驗(yàn)，可以幫助學(xué)生更好地理解水的微觀結(jié)構(gòu)和宏觀組成，因此備受教師重視。但水的電解實(shí)驗(yàn)仍然遇到了一些問(wèn)題，主要體現(xiàn)在以下幾方面：首先，演示實(shí)驗(yàn)的時(shí)間相對(duì)較長(zhǎng)；其次，驗(yàn)證氫氣時(shí)，觀察火焰顏色的效果不夠明顯；第三，碳棒、鐵棒等電極材料極易被氧化，使得該實(shí)驗(yàn)課堂演示的實(shí)施比較困難。

2 文獻(xiàn)中對(duì)于水電解實(shí)驗(yàn)的改進(jìn)案例

許多中學(xué)化學(xué)教師對(duì)水電解實(shí)驗(yàn)的條件進(jìn)行了探索，如吳永信等人提出5%硫酸鈉溶液作電解液，可獲得較好的實(shí)驗(yàn)效果且符合綠色化學(xué)的原則［1］。鄒振惠等人認(rèn)為電解質(zhì)溶液最適宜的濃度為10%～13%，溶液太稀，電解速率明顯減慢；太濃，電解速率增加不明顯，卻加大了電解液的腐蝕性［2］，但沒(méi)有明確指出電解質(zhì)溶液的種類(lèi)。張廣學(xué)提出使用10%～20%的碳酸鈉溶液作為電解質(zhì)溶液［3］。劉海燕等人則對(duì)溶劑的選擇進(jìn)行了探討，認(rèn)為自來(lái)水中的離子對(duì)實(shí)驗(yàn)會(huì)產(chǎn)生干擾，從而導(dǎo)致氧氣產(chǎn)量降低，因此建議使用蒸餾水作為溶劑［4］。

在電極材料選擇方面，為了減少電解時(shí)的電極副反應(yīng)，汪阿戀等人指出最好采用惰性電極，如鉑電極、石墨電極等。然而，鉑電極價(jià)格昂貴，石墨電極因其結(jié)構(gòu)松散易吸附氣體，并不是最理想的電極材料［5］。解樹(shù)生則認(rèn)為用回形針或其他鍍鎳材作為電極材料，可以獲得較好的實(shí)驗(yàn)效果［6］。龍威則建議在堿性溶液中用鐵、在酸性溶液中用鉛［7］。由于304不銹鋼具有強(qiáng)耐堿性，姜跟華提出可以將它用作電極［8］。

在電壓的選擇上，張廣學(xué)認(rèn)為，合適的直流電壓為10～15V。過(guò)大的電壓會(huì)導(dǎo)致電解反應(yīng)難以控制，同時(shí)堿性溶液容易產(chǎn)生泡沫［9］。鄒振惠則認(rèn)為用6V或12V整流電源新電池，以獲得較快的反應(yīng)速率［10］。此外，陳國(guó)建也提出要提高電解速率則要增強(qiáng)電流［11］。

針對(duì)上述問(wèn)題，本文從電解質(zhì)溶液、電極材料和直流電壓大小等方面進(jìn)行研究，探究水電解實(shí)驗(yàn)的最佳條件，并設(shè)計(jì)了一款自主創(chuàng)新、適用于學(xué)生家庭實(shí)驗(yàn)的水的電解裝置。

3 實(shí)驗(yàn)部分

3.1 實(shí)驗(yàn)材料

氫氧化鉀、氫氧化鈉、碳酸鈉、硫酸鈉、硝酸鉀、自來(lái)水、去離子水、J1202中小學(xué)學(xué)生電源（0～12V）、銅絲、石墨棒、鋅片、304不銹鋼（燕尾夾）等

3.2 實(shí)驗(yàn)裝置與設(shè)計(jì)

改進(jìn)后的水電解裝置由三部分構(gòu)成，分別是收集裝置、電解槽以及電源，如圖1所示。其中，注射器容積為1mL。

實(shí)驗(yàn)前，先檢查收集裝置的氣密性。帶有寵物針軟管的注射器浸沒(méi)于水中，用燕尾夾將其夾緊。若注射器下方液體未流出，則氣密性良好；若注射器下方水流出，則再次檢查氣密性，直至沒(méi)有液體流出。接下來(lái)，連接正負(fù)極導(dǎo)線，將電壓調(diào)至9V。

將收集裝置放入電解槽內(nèi)，夾緊燕尾夾。然后，確保下方電極與導(dǎo)線相連，打開(kāi)電源。觀察陰極和陽(yáng)極產(chǎn)生的氣體，其中陰極產(chǎn)生氣體的速率更快。

通電15～20s后，關(guān)閉開(kāi)關(guān)。等所有氣泡均消失后，讀取注射器上方刻度并記錄，檢驗(yàn)陰陽(yáng)極所產(chǎn)生的氣體。重復(fù)實(shí)驗(yàn)三次，并計(jì)算氣體產(chǎn)生速率。

3.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果討論

3.3.1 電解質(zhì)溶液最佳濃度

分別利用溶質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)均為12%的碳酸鈉、硫酸鈉、氫氧化鉀、氫氧化鈉和硝酸鉀溶液進(jìn)行水電解實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果列于表1。為了更直觀比較各種溶液的反應(yīng)速率，我們用柱狀圖描述氫氣產(chǎn)生的速率，如圖2所示。其中，強(qiáng)堿溶液水電解速率最快，在幾種常見(jiàn)鹽類(lèi)中，碳酸鈉溶液產(chǎn)生氫氣的速率最快。

此外，在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，同時(shí)還利用了去離子水和自來(lái)水作為對(duì)照組。自來(lái)水（或去離子水）幾乎不產(chǎn)生氫氣，說(shuō)明當(dāng)水中不存在或存在極少量離子時(shí)電解速率極低，因此在實(shí)驗(yàn)中必須加入電解質(zhì)溶液。以碳酸鈉作為溶質(zhì)，分別用自來(lái)水和去離子水作為溶劑又進(jìn)行了對(duì)照實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)沒(méi)有明顯區(qū)別。因此，我們?cè)趯?shí)驗(yàn)過(guò)程中使用更易獲得的自來(lái)水作為溶劑，這使得水電解實(shí)驗(yàn)作為家庭實(shí)驗(yàn)成為可能。

接下來(lái)，利用碳酸鈉溶液及氫氧化鈉溶液進(jìn)行電解質(zhì)溶液最佳濃度的探究，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖3所示。圖3（a）中，當(dāng)濃度低于12%時(shí)，隨著碳酸鈉溶液濃度增加，氫氣產(chǎn)生速率不斷增大。當(dāng)濃度高于12%時(shí)，電解速率反而隨著濃度增加而減小。主要由于低濃度下，隨著溶液中的離子數(shù)量增多，電導(dǎo)率增大，從而加快電解速率。當(dāng)濃度超過(guò)12%時(shí)，由于陰陽(yáng)離子間距離變小，靜電作用迅速增大，導(dǎo)致陰陽(yáng)離子發(fā)生締合，形成中性粒子［12］。這些中性粒子對(duì)碳酸鈉溶液的電導(dǎo)率沒(méi)有貢獻(xiàn)，因此導(dǎo)致電解速率減小。

圖3（b）中能夠觀察到氫氧化鈉溶液的最佳濃度為18%。當(dāng)溶質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)為18%時(shí)，水電解速率最大。在質(zhì)量分?jǐn)?shù)為12%～18%時(shí)，溶液導(dǎo)電能力隨著濃度增大而增加。工業(yè)上用于水電解的濃度大致為20%，與本實(shí)驗(yàn)最佳濃度18%非常接近［13］。這表明不同種類(lèi)的電解質(zhì)溶液具有不同的最適宜濃度。

即便氫氧化鈉溶液產(chǎn)生氫氣的速率非常快，但氫氧化鈉腐蝕性極強(qiáng)，無(wú)法保障學(xué)生在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中的安全。因此，它不適合作為學(xué)生家庭實(shí)驗(yàn)的電解質(zhì)溶液。所以在后續(xù)實(shí)驗(yàn)中選擇12%的碳酸鈉溶液作為電解質(zhì)溶液最為合適。

3.3.2 電極材料的最佳選擇

對(duì)于電極材料的選擇，需要進(jìn)一步考慮氣體產(chǎn)生效率的問(wèn)題。選擇電極材料時(shí)，要遵循以下四原則：（1）電極材料必須是高電導(dǎo)率的良性導(dǎo)體；（2）電極材料與電解質(zhì)不發(fā)生化學(xué)反應(yīng)；（3）電極材料不與生成物發(fā)生化學(xué)反應(yīng)；（4）電極材料表面積盡量大，增大與水的接觸面積以加快反應(yīng)速率［14］。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表2和圖4（a）所示，在相同直徑為3.00mm時(shí)，不銹鋼燕尾夾和銅絲電極電解速率無(wú)明顯差異。但是不銹鋼硬度較大，不利于研究電極表面積

對(duì)水電解速率的影響。因此，在后續(xù)探討電極材料表面積對(duì)水電解速率影響時(shí)選用生活中易于獲得、材質(zhì)較軟且導(dǎo)電性較強(qiáng)的銅絲作為電極材料。

我們將銅絲分別纏繞成1圈、2圈和3圈，發(fā)現(xiàn)隨著電極表面積的增加，水電解速率也增加，如表3和圖4（b）所示。電極表面積越大意味著電解速率更快。然而，銅絲雖然電解速率較快，但極易被氧化生成堿式碳酸銅，因此不適合重復(fù)使用。所以不銹鋼燕尾夾是最佳的電極選擇。

3.3.3 直流電壓的最佳大小

為了促進(jìn)水的分解，必須施加超電壓［15］。如圖5所示，在室溫下，改變直流電壓進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。當(dāng)電源電壓為1.5V時(shí)，無(wú)法產(chǎn)生氫氣和氧氣，說(shuō)明此時(shí)電壓未達(dá)到實(shí)際分解電壓［16］。當(dāng)直流電壓為3～9V時(shí)，產(chǎn)生氫氣的速率隨著電壓的增加而不斷增大且變化率較快。當(dāng)電壓為12V時(shí)，雖然產(chǎn)生氫氣的速率仍然在變大，但是變化率減慢。同時(shí)，較高的電壓會(huì)產(chǎn)生大量氣泡，影響氣體體積的觀測(cè)。因此，使用9V直流電壓作為電源最為合適。

3.4 實(shí)驗(yàn)過(guò)程中的幾點(diǎn)注意

（1） 為了使每次實(shí)驗(yàn)過(guò)程中初始條件相同，重復(fù)實(shí)驗(yàn)時(shí)要將電解質(zhì)溶液倒出攪拌至溶液中離子均勻分布。

（2） 為了使實(shí)驗(yàn)更加精確，須待電極產(chǎn)生氣體時(shí)再開(kāi)始計(jì)時(shí)。

（3） 實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，須保持實(shí)驗(yàn)臺(tái)干燥，防止觸電、漏電等現(xiàn)象。

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)綜合分析，電解質(zhì)的種類(lèi)和濃度、電極材料以及直流電壓大小是水電解實(shí)驗(yàn)的關(guān)鍵因素。以綠色安全為原則，設(shè)計(jì)水電解的學(xué)生家庭實(shí)驗(yàn)，選擇12%的碳酸鈉溶液作為電解質(zhì)溶液、不銹鋼燕尾夾作為電極、9V直流電壓等作為裝置的主體部分，這對(duì)科學(xué)的家庭實(shí)驗(yàn)教學(xué)有一定的參考價(jià)值。

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