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(xué)院化學(xué)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(xué)一個重要的學(xué)生必做實驗。通過電解水分解產(chǎn)生氫氣和氧氣、驗證氣體、合成水的實驗，讓學(xué)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(jié)論，還可讓學(xué)生學(xué)習(xí)從元素觀、微粒觀的角度認(rèn)識和探究物質(zhì)結(jié)構(gòu)的方法。在較短時間內(nèi)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(xué)效果的前提。

在滬教版、人教版等多版本初中化學(xué)教材中均使用霍夫曼水電解器來進(jìn)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(zhì)的種類、電解液的濃度、電源電壓等都未詳細(xì)給出，給教師的實驗準(zhǔn)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(jìn)行了改進(jìn)。有學(xué)者以塑料材質(zhì)的注射器、礦泉水瓶作為反應(yīng)容器，對電解裝置進(jìn)行整體改造［1-3］，改進(jìn)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(jìn)行改進(jìn)，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(xiàn)象的觀察，另外使用過的注射器作為醫(yī)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(jìn)的注射器只能是全新購買的，這也將提高改進(jìn)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(jìn)行水電解器的改進(jìn)，但均存在儀器加工改造復(fù)雜、操作不方便或者實驗數(shù)據(jù)觀察不便等問題。另外還有一些簡易的改進(jìn)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(yōu)點：加液、驗氣等操作方便，刻度清晰，便于學(xué)生觀察，可以準(zhǔn)確測定產(chǎn)生氣體的體積，氣體檢驗時可以直接點燃?xì)怏w進(jìn)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(xué)生較為熟悉，在實驗教學(xué)中應(yīng)用可減少學(xué)生的認(rèn)知障礙，獲得較好的實驗教學(xué)效果。

鑒于霍夫曼水電解器的這些優(yōu)點，探究原裝霍夫曼水電解器的最優(yōu)實驗條件，針對存在的不足進(jìn)行改進(jìn)，提高實驗的準(zhǔn)確度、裝置的耐用性，以便在教學(xué)實踐中充分發(fā)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(xué)股份有限公司，AR），氫氧化鈉（西隴科學(xué)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(xué)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(yīng)的進(jìn)行以及反應(yīng)速率的快慢與水中添加的電解質(zhì)種類、濃度、電壓大小密切相關(guān)。為了在短時間內(nèi)產(chǎn)生符合課堂教學(xué)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(yōu)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(xiàn)黑色絮狀物，電極變軟溶解。可能的原因是在電解硫酸鈉水溶液的過程中，氫離子得到電源負(fù)極輸入的電子轉(zhuǎn)變?yōu)闅錃?；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(hù)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(yīng)出現(xiàn)，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(yīng)生成的氧氣的體積，具體數(shù)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(xiàn)黑色絮狀物，并且隨著氫氧化鈉濃度和電壓的增大，產(chǎn)生黑色物質(zhì)的現(xiàn)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(dāng)電解電流達(dá)到一定值時，電極材料與氫氧化鈉溶液發(fā)生析氫反應(yīng)。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(fā)生副反應(yīng)，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(yīng)生成的氧氣的體積，實驗結(jié)果見表2。從實驗數(shù)據(jù)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(qū)間范圍內(nèi)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?？紤]實際的課堂教學(xué)效果，鑒于高濃度的硫酸溶液具有較強(qiáng)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(dǎo)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(yīng)，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(jié)構(gòu)較為松散，電解時容易吸附氣體；且作為陽極時容易產(chǎn)生石墨粉，使得溶液變黑，兩者都不適合作為電極材料。根據(jù)文獻(xiàn)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(jìn)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(jìn)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(fā)現(xiàn)，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(yīng)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(fā)生反應(yīng)，電解一段時間后會發(fā)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(yōu)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(jié)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(jié)果越準(zhǔn)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(xué)效果，由于高濃度的氫氧化鈉溶液腐蝕性強(qiáng)，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(dǎo)學(xué)生觀察實驗現(xiàn)象，不至于因反應(yīng)太快影響學(xué)生觀察或者反應(yīng)太慢影響教學(xué)進(jìn)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(yōu)秀教材編寫者的智慧結(jié)晶，具有獨特的教育價值。對其進(jìn)行深入探究，并根據(jù)存在的不足進(jìn)行簡單改造、再探究，以獲得更佳的實驗結(jié)果，才能充分發(fā)揮教材原型實驗的教學(xué)功能。