電解水實(shí)驗探析

解樹生

（徐州市大黃山中學(xué) 江蘇 徐州 221131）

電解水實(shí)驗探析

解樹生

（徐州市大黃山中學(xué) 江蘇 徐州 221131）

電解水實(shí)驗是初中化學(xué)教學(xué)中的一個重要的實(shí)驗，做好該實(shí)驗對探究水的組成、從分子原子的角度認(rèn)識電解水的反應(yīng)原理都有很大的幫助。文章從對電解水實(shí)驗裝置的改進(jìn)以及電極材料、電解液和電壓的選用上進(jìn)行分析，對電解水實(shí)驗進(jìn)行探析。

實(shí)驗裝置；反應(yīng)速率；電解液；電極反應(yīng)；電解電壓

圖1 圖2

現(xiàn)行初中化學(xué)教材中用的電解水裝置主要有兩種，一種是霍夫曼水電解器，如圖1，另一種是簡易水電解裝置，如圖2。霍夫曼水電解器造價較高，兩電極之間連通水的玻璃管太細(xì)，兩電極相隔太遠(yuǎn)，反應(yīng)速率較慢。簡易水電解裝置反應(yīng)速率雖比霍夫曼水電解器快，但是實(shí)驗操作存在許多不便，加入電解液以及將試管從電解液中取出進(jìn)行氣體的檢驗時都要戴膠皮手套，以防止電解液的腐蝕性，且操作非常麻煩，且由于試管上沒有刻度，產(chǎn)生的氫氣與氧氣的體積比只能通過目測判斷，實(shí)驗不夠準(zhǔn)確。

本人經(jīng)過多次實(shí)踐摸索，對實(shí)驗裝置、電極材料、電解液、電壓等進(jìn)行了相應(yīng)的改進(jìn)和取舍，取得了較好的實(shí)驗效果。

一、對裝置的改進(jìn)

圖3

［裝置一］用實(shí)驗室中的滴定管進(jìn)行實(shí)驗，裝置如圖3所示：

實(shí)驗器材及藥品：25mL酸式滴定管兩支、大集氣瓶1個、橡皮塞、導(dǎo)管、止水夾、乳膠管、漆包線、鐵釘兩根（或鍍鎳回形針兩枚）、24V直流電源、洗耳球、10%的NaOH溶液 （或5%的Na2SO4溶液）、酒精燈、火柴。

操作方法：把裝置按圖示連接好，先把一支滴定管的旋塞打開，把洗耳球套在乳膠管上，打開止水夾，擠壓洗耳球，把電解液壓入滴定管中，關(guān)閉該滴定管的旋塞，然后用同樣的方法把電解液壓入另一滴定管中，關(guān)閉滴定管的旋塞，用止水夾夾住乳膠管，接通24V直流電源，可看到兩電極上快速產(chǎn)生氣泡，實(shí)驗完成時間大約3分鐘左右，正負(fù)極氣體體積比為1∶2；此時關(guān)閉電源，再用洗耳球往瓶中吹氣加壓，分別打開兩滴定管的旋塞，檢驗正負(fù)極產(chǎn)生的氣體，現(xiàn)象非常明顯。

［裝置二］用注射器制作簡易水電解器

實(shí)驗器材及藥品：20mL一次性塑料注射器兩支、紅黑導(dǎo)線各一根、可調(diào)直流電源（3～24V）、兩根光亮的鐵釘、250mL燒杯、酒精燈、火柴 、10%的NaOH溶液。

圖4 圖5

制作方法：

1.在兩注射器的注射孔附近分別挖出兩個圓孔（如圖4示），在兩個注射孔中分別插入直徑與其相近的鐵釘作電極，在鐵釘上系上導(dǎo)線，并把導(dǎo)線從挖出的圓孔中引出（如圖5示），鐵釘可在注射孔內(nèi)上下移動。

2.把注射器插入盛有水的燒杯中即可進(jìn)行實(shí)驗，實(shí)驗裝置如圖6所示。

圖6

操作方法：

1.把兩支注射器插入盛水的燒杯中，把注射器的栓塞向前推，把注射器內(nèi)的空氣排出，此時鐵釘露出注射孔，然后把栓塞慢慢向后拉，吸取液體20mL，稍用力按壓注射器，把露出注射孔的鐵釘壓入注射孔，防止在注射器外產(chǎn)生氣體逸出。

2.接通直流電源，可觀察到鐵釘表面產(chǎn)生大量氣泡，正負(fù)極氣體體積比為1∶2。

3.把與電源正極相連接的注射器移離液面，迅速把注射器倒轉(zhuǎn)，用一根帶火星的木條從圓孔插入注射器內(nèi)，可見帶火星的木條復(fù)燃，證明生成了氧氣。把與電源負(fù)極相連接的注射器移離液面，注射器朝下，圓孔對著點(diǎn)燃的酒精燈，可聽到爆鳴聲，圓孔處可看到火焰，證明該氣體能燃燒，是氫氣。

上述兩套裝置的優(yōu)點(diǎn)：

1.實(shí)驗器材易尋找，價格低廉，制作方法簡單，易于推廣。

2.實(shí)驗完成時間較短（若用24V電壓只需2分鐘），現(xiàn)象明顯，通過注射器及滴定管上的刻度可準(zhǔn)確比較產(chǎn)生氫氣與氧氣的體積。

3.整個實(shí)驗過程皮膚不接觸電解液，安全可靠。

4.實(shí)驗儀器刷洗方便，電極更換簡單。

二、對電極材料、電解液的選用

對于電解質(zhì)的選用和電解液的濃度，課本上是向水中加入硫酸或氫氧化鈉，對于強(qiáng)電解質(zhì)而言，在一定濃度范圍內(nèi)，電解質(zhì)的濃度越大，導(dǎo)電能力越強(qiáng)。以氫氧化鈉溶液為例，當(dāng)氫氧化鈉物質(zhì)的量濃度為5mol/L（折合成質(zhì)量分?jǐn)?shù)約為20%）時電導(dǎo)率最大，導(dǎo)電能力最強(qiáng)，但溶液濃度太大，腐蝕性也強(qiáng)，結(jié)合實(shí)際應(yīng)用，用10%左右的氫氧化鈉溶液即可，硫酸溶液為5%即可。本實(shí)驗用12～24V直流電源進(jìn)行實(shí)驗，實(shí)驗裝置用自制裝置一，做的對比實(shí)驗結(jié)果見下表：

［實(shí)驗一］

電解液 電極材料 正極現(xiàn)象 負(fù)極現(xiàn)象 氫氣與氧氣體積比石墨碳棒產(chǎn)生氣泡，石墨粉從碳棒上脫落，液體渾濁產(chǎn)生大量的氣泡 接近 2∶1 10%的NaOH溶液 鐵釘產(chǎn)生大量氣泡，電極光亮，液體澄清產(chǎn)生大量氣泡，電極光亮，液體澄清接近 2∶1回形針（鍍鎳）產(chǎn)生大量氣泡，電極光亮，液體澄清產(chǎn)生大量氣泡，電極光亮，液體澄清接近 2∶1

［實(shí)驗二］

電解液 電極材料 正極現(xiàn)象 負(fù)極現(xiàn)象 氫氣與氧氣體積比石墨碳棒5%的H2SO4溶液產(chǎn)生氣泡，石墨粉從碳棒上快速脫落，液體渾濁產(chǎn)生大量的氣泡 大于 2∶1回形針（鍍鎳）產(chǎn)生大量氣泡，電極光亮，液體澄清產(chǎn)生大量氣泡，電極光亮，液體澄清大于 2∶1

［實(shí)驗三］

電解液 電極材料 正極現(xiàn)象 負(fù)極現(xiàn)象 氫氣與氧氣體積比石墨碳棒產(chǎn)生氣泡，石墨粉從碳棒上脫落，液體渾濁產(chǎn)生大量的氣泡 接近 2∶1 5% 的Na2SO4溶液 鐵釘開始產(chǎn)生大量氣泡，半分鐘左右氣泡停止，鐵釘部分溶解，溶液中產(chǎn)生沉淀，最終成紅褐色產(chǎn)生大量氣泡，電極光亮，溶液中最終產(chǎn)生紅褐色沉淀大于 2∶1回形針（鍍鎳）產(chǎn)生大量氣泡，電極光亮，液體澄清產(chǎn)生大量氣泡，電極光亮，液體澄清接近 2∶1

對實(shí)驗結(jié)果的分析：

通過三組實(shí)驗，我發(fā)現(xiàn)用石墨作電極，正極的石墨總是從碳棒上脫落進(jìn)入電解液，影響實(shí)驗觀察效果。具體原因還有待進(jìn)一步研究。用稀硫酸做電解液時，生成氫氣與氧氣的體積比大于2∶1，實(shí)驗誤差較大。這是因為在酸性溶液中，H+濃度較大，導(dǎo)致OH-離子濃度減小，抑制了OH-的放電，且生成的氧氣比氫氣在水中的溶解度大，氧氣易與電極發(fā)生氧化反應(yīng)而消耗，造成氫氣與氧氣的體積比明顯大于2∶1。所以做電解水實(shí)驗用稀硫酸做電解液效果不好。那么為什么用中性的硫酸鈉溶液做電解液，用鐵釘做電極時會出現(xiàn)異?，F(xiàn)象呢？帶著這個疑問，我用pH試紙分別測正負(fù)極附近溶液的pH值，測得的結(jié)果是正極pH在2～3之間，呈較強(qiáng)的酸性，負(fù)極的pH值在10左右，呈堿性。剛開始正極的溶液呈中性，反應(yīng)正常，但隨著反應(yīng)的進(jìn)行，正極的溶液酸性增強(qiáng)，對鐵有較強(qiáng)的腐蝕作用，鐵發(fā)生如下反應(yīng)：Fe-2e＝Fe2+，F(xiàn)e2++2OH-＝Fe（OH）2， Fe（OH）2→Fe（OH）3，所以最終產(chǎn)生紅褐色沉淀。由于鐵電極發(fā)生了化學(xué)反應(yīng)，抑制了OH-的放電，所以過一會兒就沒有氧氣產(chǎn)生了。而鍍了鎳的回形針不易與酸反應(yīng)，所以反應(yīng)正常。而在NaOH溶液中，正極的溶液不呈酸性，鐵在堿性溶液中較穩(wěn)定，所以對鐵電極腐蝕作用很小，反應(yīng)一直很正常。

通過上述三個對比實(shí)驗可以看出，做電解水的實(shí)驗時，不宜用稀硫酸作電解液。用10%的NaOH溶液作電解液時，電極材料用鐵釘或回形針，實(shí)驗效果較好。用5%的硫酸鈉溶液作電解液時，電極材料用回形針或其他鍍鎳材料，實(shí)驗效果較好。

三、對電壓的選用

在上述三個實(shí)驗中，分別選用3V～24V不等的電源電壓做對比實(shí)驗，可以看出用24V的電壓時，現(xiàn)象明顯，用時較少，效果最好。

參考資料

［1］胡英主編.物理化學(xué)［M］.北京：高等教育出版社，1999

［2］嚴(yán)宣申主編.普通無機(jī)化學(xué)［M］.北京：北京大學(xué)出版社，1999

［3］胡美玲主編.義務(wù)教育課程標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗教科書（化學(xué)）［M］.北京：人民教育出版社，2001.6

［4］王祖浩主編.義務(wù)教育課程標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗教科書（化學(xué)）［M］.上海：上海教育出版社，2009.5

1008-0546（2012）03-0094-02

G633.8

B

10.3969/j.issn.1008-0546.2012.03.044