電解水實驗裝置的改進及實驗探究

金熒熒　周勇杰　曹雁　徐華

摘要： 初中科學課程中通過電解水的實驗對“水的組成”進行驗證。在實驗驗證過程中由于電解質溶液、電極材料、直流電源電壓等原因，使得反應速率緩慢、效果極不明顯。通過探究水的電解實驗的最佳條件，進而設計了一款適用于家庭實驗的裝置。

關鍵詞： 水的電解； 實驗裝置改進； 實驗探究

文章編號： 10056629（2023）10006704 中圖分類號： G633.8文獻標識碼： B

1 問題提出

科學教材七年級下冊（華東師范大學出版社）中的水電解實驗，可以幫助學生更好地理解水的微觀結構和宏觀組成，因此備受教師重視。但水的電解實驗仍然遇到了一些問題，主要體現(xiàn)在以下幾方面：首先，演示實驗的時間相對較長；其次，驗證氫氣時，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，使得該實驗課堂演示的實施比較困難。

2 文獻中對于水電解實驗的改進案例

許多中學化學教師對水電解實驗的條件進行了探索，如吳永信等人提出5%硫酸鈉溶液作電解液，可獲得較好的實驗效果且符合綠色化學的原則［1］。鄒振惠等人認為電解質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］，但沒有明確指出電解質溶液的種類。張廣學提出使用10%～20%的碳酸鈉溶液作為電解質溶液［3］。劉海燕等人則對溶劑的選擇進行了探討，認為自來水中的離子對實驗會產生干擾，從而導致氧氣產量降低，因此建議使用蒸餾水作為溶劑［4］。

在電極材料選擇方面，為了減少電解時的電極副反應，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，鉑電極價格昂貴，石墨電極因其結構松散易吸附氣體，并不是最理想的電極材料［5］。解樹生則認為用回形針或其他鍍鎳材作為電極材料，可以獲得較好的實驗效果［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，張廣學認為，合適的直流電壓為10～15V。過大的電壓會導致電解反應難以控制，同時堿性溶液容易產生泡沫［9］。鄒振惠則認為用6V或12V整流電源新電池，以獲得較快的反應速率［10］。此外，陳國建也提出要提高電解速率則要增強電流［11］。

針對上述問題，本文從電解質溶液、電極材料和直流電壓大小等方面進行研究，探究水電解實驗的最佳條件，并設計了一款自主創(chuàng)新、適用于學生家庭實驗的水的電解裝置。

3 實驗部分

3.1 實驗材料

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

3.2 實驗裝置與設計

改進后的水電解裝置由三部分構成，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。

實驗前，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，直至沒有液體流出。接下來，連接正負極導線，將電壓調至9V。

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

通電15～20s后，關閉開關。等所有氣泡均消失后，讀取注射器上方刻度并記錄，檢驗陰陽極所產生的氣體。重復實驗三次，并計算氣體產生速率。

3.3 實驗結果討論

3.3.1 電解質溶液最佳濃度

分別利用溶質質量分數均為12%的碳酸鈉、硫酸鈉、氫氧化鉀、氫氧化鈉和硝酸鉀溶液進行水電解實驗，實驗結果列于表1。為了更直觀比較各種溶液的反應速率，我們用柱狀圖描述氫氣產生的速率，如圖2所示。其中，強堿溶液水電解速率最快，在幾種常見鹽類中，碳酸鈉溶液產生氫氣的速率最快。

此外，在實驗過程中，同時還利用了去離子水和自來水作為對照組。自來水（或去離子水）幾乎不產生氫氣，說明當水中不存在或存在極少量離子時電解速率極低，因此在實驗中必須加入電解質溶液。以碳酸鈉作為溶質，分別用自來水和去離子水作為溶劑又進行了對照實驗，發(fā)現(xiàn)沒有明顯區(qū)別。因此，我們在實驗過程中使用更易獲得的自來水作為溶劑，這使得水電解實驗作為家庭實驗成為可能。

接下來，利用碳酸鈉溶液及氫氧化鈉溶液進行電解質溶液最佳濃度的探究，實驗結果如圖3所示。圖3（a）中，當濃度低于12%時，隨著碳酸鈉溶液濃度增加，氫氣產生速率不斷增大。當濃度高于12%時，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量增多，電導率增大，從而加快電解速率。當濃度超過12%時，由于陰陽離子間距離變小，靜電作用迅速增大，導致陰陽離子發(fā)生締合，形成中性粒子［12］。這些中性粒子對碳酸鈉溶液的電導率沒有貢獻，因此導致電解速率減小。

圖3（b）中能夠觀察到氫氧化鈉溶液的最佳濃度為18%。當溶質質量分數為18%時，水電解速率最大。在質量分數為12%～18%時，溶液導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%，與本實驗最佳濃度18%非常接近［13］。這表明不同種類的電解質溶液具有不同的最適宜濃度。

即便氫氧化鈉溶液產生氫氣的速率非?？?，但氫氧化鈉腐蝕性極強，無法保障學生在實驗過程中的安全。因此，它不適合作為學生家庭實驗的電解質溶液。所以在后續(xù)實驗中選擇12%的碳酸鈉溶液作為電解質溶液最為合適。

3.3.2 電極材料的最佳選擇

對于電極材料的選擇，需要進一步考慮氣體產生效率的問題。選擇電極材料時，要遵循以下四原則：（1）電極材料必須是高電導率的良性導體；（2）電極材料與電解質不發(fā)生化學反應；（3）電極材料不與生成物發(fā)生化學反應；（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速率［14］。

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

對水電解速率的影響。因此，在后續(xù)探討電極材料表面積對水電解速率影響時選用生活中易于獲得、材質較軟且導電性較強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，改變直流電壓進行實驗。當電源電壓為1.5V時，無法產生氫氣和氧氣，說明此時電壓未達到實際分解電壓［16］。當直流電壓為3～9V時，產生氫氣的速率隨著電壓的增加而不斷增大且變化率較快。當電壓為12V時，雖然產生氫氣的速率仍然在變大，但是變化率減慢。同時，較高的電壓會產生大量氣泡，影響氣體體積的觀測。因此，使用9V直流電壓作為電源最為合適。

3.4 實驗過程中的幾點注意

（1） 為了使每次實驗過程中初始條件相同，重復實驗時要將電解質溶液倒出攪拌至溶液中離子均勻分布。

（2） 為了使實驗更加精確，須待電極產生氣體時再開始計時。

（3） 實驗過程中，須保持實驗臺干燥，防止觸電、漏電等現(xiàn)象。

4 結語

通過綜合分析，電解質的種類和濃度、電極材料以及直流電壓大小是水電解實驗的關鍵因素。以綠色安全為原則，設計水電解的學生家庭實驗，選擇12%的碳酸鈉溶液作為電解質溶液、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，這對科學的家庭實驗教學有一定的參考價值。

參考文獻：

［1］吳永信， 孫燕平， 何成功等. 土法電解水的實驗［J］. 西北師范大學學報（自然科學版）， 1974， （2）： 16～18.

［2］［10］鄒振惠. 電解水實驗的再探討［J］. 化學教育， 2000， （11）： 45.

［3］張廣學. 電解水實驗減小實驗誤差的幾點建議［J］. 教學儀器與實驗， 2000， （12）： 14.

［4］［9］［14］劉海燕， 張云杰， 于連生. 注重綠色實驗教學改進電解水實驗方法［J］. 黑龍江醫(yī)藥科學， 2007，160（2）： 38～39.

［5］汪阿戀， 吳新建， 張賢金等. 霍夫曼水電解器的實驗條件探究［J］. 福建基礎教育研究， 2022， 160（4）： 112～114.

［6］［13］解樹生. 電解水實驗探析［J］. 化學教與學， 2012， 327（3）： 94～96.

［7］龍威. 非鉑電極電解水實驗的探究［J］. 教學月刊（中學版）， 2010， 505（6）： 55～56.

［8］姜跟華. 電解水實驗的再改進［J］. 化學教學， 2023， （3）： 73～75.

［11］陳國建. 電解水實驗方法的探討［J］. 化學教學， 1998， （4）： 7～8.

［12］傅獻彩.物理化學（第五版）（下冊）［M］.北京：高等教育出版社，2006：19.

［15］［16］Edited by Ohta T.. Solar-Hydrogen Energy Systems. Chap.3-Water Electrolysis ［M］. Oxford： Pergamon， 1979： 35～58.