電解水實(shí)驗(yàn)正負(fù)極體積比異常的實(shí)驗(yàn)探究及優(yōu)化

郭玲鳳

（江蘇省南通中學(xué)附屬實(shí)驗(yàn)學(xué)校 江蘇 南通 226500）

一、問(wèn)題的提出

《義務(wù)教育化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2022年版）》將“水的組成及變化的探究”作為學(xué)生必做實(shí)驗(yàn)，現(xiàn)行各版本九年級(jí)化學(xué)教科書(shū)都編排了電解水實(shí)驗(yàn)，旨在通過(guò)正負(fù)極產(chǎn)生的兩種氣體成分推知水的組成，再結(jié)合正負(fù)極氣體的體積比為1∶2推出水分子的構(gòu)成。已有研究利用原裝J2606型霍夫曼水電解器或者自制水電解器對(duì)電極、電壓、電解液類別及濃度等實(shí)驗(yàn)條件進(jìn)行了探究［1-2］，也有老師設(shè)計(jì)新型水電解器將水的電解與生成物氫氣的點(diǎn)燃和檢驗(yàn)合二為一［3］，從而證明水的組成。但日常實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，正負(fù)極產(chǎn)生氣體的體積比常常小于1∶2。教學(xué)時(shí)大多教師一般會(huì)用氧氣、氫氣的溶解度差異進(jìn)行分析和解釋，那是不是這個(gè)原因呢？如何優(yōu)化實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)以減小實(shí)驗(yàn)誤差呢？

二、正負(fù)極產(chǎn)生氣體體積比異常的探究

1.溶解度影響因素的分析

查閱資料可知，在20 ℃、1個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下，1體積水中分別可溶解約0.018 體積的氫氣和0.031 體積的氧氣。30 mL霍夫曼水電解器（圖1）兩個(gè)支管的實(shí)際容積均為40 mL，計(jì)算可得溶解的氫氣和氧氣的體積分別約為0.72 mL和1.24 mL，理論差值約為0.5 mL。

圖1 常用的霍夫曼水電解器

2.實(shí)驗(yàn)探究

選擇石墨作為電解水的電極，分別選用10%硫酸鈉溶液、10%氫氧化鈉溶液作為電解質(zhì)溶液進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)3次的結(jié)果皆發(fā)現(xiàn)兩極產(chǎn)生的氣體體積差遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)理論差值，為了證實(shí)非實(shí)驗(yàn)的偶然性，反復(fù)多次實(shí)驗(yàn)，結(jié)果幾乎一致。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 用石墨作電極電解水

多次測(cè)量數(shù)據(jù)表明，兩極氣體體積差仍然超過(guò)理論差值且相同時(shí)間電解氫氧化鈉溶液比電解硫酸鈉溶液所獲得的氣體體積大，兩極氣體體積偏差相對(duì)較大。為了排除不是因?yàn)槿芙饽芰Χ鴮?dǎo)致的差異，分別先電解兩種溶液一段時(shí)間使其形成氣體的飽和溶液后，再繼續(xù)電解，發(fā)現(xiàn)兩極氣體的體積差仍偏大，且理論差值遠(yuǎn)大于0.5 mL，如表2 所示。顯然，無(wú)法用氫氣、氧氣溶解于水中的體積大小給出合理解釋。

表2 用石墨作電極電解水氣體體積差值比較

通過(guò)比較電解兩種溶液過(guò)程中氣體體積變化差值，我們還發(fā)現(xiàn)，電解硫酸鈉溶液氣體體積比變化不規(guī)律，而電解氫氧化鈉溶液氣體體積比逐漸趨于穩(wěn)定，之后保持在0.25∶1。再反復(fù)進(jìn)行多次實(shí)驗(yàn)，數(shù)據(jù)關(guān)系與上表相符。

已有研究文獻(xiàn)認(rèn)為，石墨作為電解水的電極材料時(shí)，正極的石墨與電解生成的一部分氧氣發(fā)生了氧化，產(chǎn)生少量二氧化碳，導(dǎo)致氫氣與氧氣的體積比高于2∶1。錢(qián)莉、丁偉等利用手持技術(shù)探究用石墨作電極電解水也同樣發(fā)現(xiàn)氧氣體積偏小，認(rèn)為，“氧氣體積偏小的原因是陽(yáng)極產(chǎn)生氧氣的過(guò)程生成強(qiáng)氧化性的自由基，這些自由基與石墨進(jìn)一步反應(yīng)形成二氧化碳；另外，石墨電極的確會(huì)吸附氣體產(chǎn)生誤差，但其吸附性不是造成氧氣體積偏小的原因，因?yàn)槭珜?duì)氫氣的吸附能力強(qiáng)于氧氣”［4］。

為了進(jìn)一步證明，我們將石墨電解硫酸鈉溶液正極所產(chǎn)生的氣體通入澄清石灰水中，石灰水變渾濁，說(shuō)明正極氣體中的確含有二氧化碳；將石墨電解氫氧化鈉溶液正極產(chǎn)生氣體通入澄清石灰水中，石灰水不變渾濁，再將正極電解液加入澄清石灰水中，石灰水變渾濁。這是因?yàn)闅溲趸c溶液吸收了產(chǎn)生的二氧化碳?xì)怏w，產(chǎn)生碳酸根離子。通過(guò)對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算發(fā)現(xiàn)，石墨電解氫氧化鈉溶液時(shí)約一半的氧氣轉(zhuǎn)化為二氧化碳。

三、電解水實(shí)驗(yàn)再設(shè)計(jì)

基于上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果及相關(guān)理論解釋，除石墨電極外，其他活潑金屬作電極也應(yīng)該會(huì)發(fā)生氧化作用。為證實(shí)這一猜想，我們用鐵釘、回形針、保險(xiǎn)絲等常見(jiàn)金屬材料進(jìn)行電解水實(shí)驗(yàn)，氣體體積變化與理論差值差距也很大，且規(guī)律不明顯。

為避免較活潑電極對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響，我們?nèi)匀贿x用霍夫曼電解器，用不易與氧氣反應(yīng)的鉑絲作電極，分別電解10%硫酸鈉溶液和10%氫氧化鈉溶液多次，并對(duì)正負(fù)極氣體體積差進(jìn)行分析，所得數(shù)據(jù)如表3、表4所示。

表3 用鉑絲作電極電解水實(shí)驗(yàn)

表4 用鉑絲作電極電解水氣體體積差值比較

通過(guò)這兩組數(shù)據(jù)的比較可見(jiàn)，使用鉑絲作電極進(jìn)行電解時(shí)，正、負(fù)兩極產(chǎn)生氣體的體積比接近1∶2。選用硫酸鈉作電解質(zhì)時(shí)，由于正極附近的硫酸根離子也會(huì)失去電子，形成過(guò)二硫酸根離子，從而導(dǎo)致正極產(chǎn)生的氧氣偏小，而且相對(duì)來(lái)說(shuō)速率偏慢，不適合課堂演示。

為了解決氧氣比氫氣更易溶于水使得正負(fù)兩極體積比低于1∶2的問(wèn)題，可先將氫氧化鈉溶液電解一段時(shí)間，讓兩種氣體形成各自的飽和溶液，再繼續(xù)電解，發(fā)現(xiàn)電解所得到的氣體體積比恰好為1∶2，如表4所示第8次和第9次電解10%NaOH 溶液的數(shù)據(jù)。反復(fù)多次實(shí)驗(yàn)，數(shù)據(jù)與理論相符。

四、實(shí)驗(yàn)結(jié)論與反思

綜上可知，用電解法測(cè)定水的組成時(shí)，用鉑絲作電極，氫氧化鈉溶液作電解質(zhì)溶液較為合適。實(shí)驗(yàn)時(shí)，預(yù)先將氫氧化鈉溶液電解約5 min，待形成氧氣和氫氣的飽和溶液后，放掉氣體，課堂中再實(shí)驗(yàn)可獲得理想的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。夏天室內(nèi)氣溫較高時(shí)，選擇10%氫氧化鈉溶液作為電解質(zhì)溶液比較合適。當(dāng)秋冬季室內(nèi)氣溫較低，用10%氫氧化鈉溶液作為電解質(zhì)溶液速率較慢，用15%氫氧化鈉溶液進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，速率較為適中。所以選擇氫氧化鈉溶液濃度時(shí)，要考慮周圍環(huán)境溫度。

使用霍夫曼電解器進(jìn)行電解水實(shí)驗(yàn)，操作簡(jiǎn)單，耗時(shí)少，現(xiàn)象明顯，適合作為學(xué)生的分組實(shí)驗(yàn)。上述實(shí)驗(yàn)過(guò)程，也可以設(shè)計(jì)為學(xué)生的課后探究活動(dòng)。引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行對(duì)比實(shí)驗(yàn)，分析數(shù)據(jù)、查閱文獻(xiàn)、推理原因、進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的再設(shè)計(jì)優(yōu)化。這種真實(shí)的實(shí)驗(yàn)探究活動(dòng)，能幫助學(xué)生初步形成化學(xué)實(shí)驗(yàn)探究的一般思路與方法，知道科學(xué)探究是獲取科學(xué)知識(shí)、理解科學(xué)本質(zhì)的重要途徑，培養(yǎng)學(xué)生基于實(shí)驗(yàn)事實(shí)進(jìn)行證據(jù)推理的能力［5］。

致謝：本文在寫(xiě)作過(guò)程中還得到了江蘇省特級(jí)教師李德前的指導(dǎo)，謹(jǐn)表謝意。