電解水實驗探析

解樹生

（徐州市大黃山中學 江蘇 徐州 221131）

電解水實驗探析

解樹生

（徐州市大黃山中學 江蘇 徐州 221131）

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

實驗裝置；反應速率；電解液；電極反應；電解電壓

圖1 圖2

現行初中化學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?；舴蚵娊馄髟靸r較高，兩電極之間連通水的玻璃管太細，兩電極相隔太遠，反應速率較慢。簡易水電解裝置反應速率雖比霍夫曼水電解器快，但是實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，產生的氫氣與氧氣的體積比只能通過目測判斷，實驗不夠準確。

本人經過多次實踐摸索，對實驗裝置、電極材料、電解液、電壓等進行了相應的改進和取舍，取得了較好的實驗效果。

一、對裝置的改進

圖3

［裝置一］用實驗室中的滴定管進行實驗，裝置如圖3所示：

實驗器材及藥品：25mL酸式滴定管兩支、大集氣瓶1個、橡皮塞、導管、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生氣泡，實驗完成時間大約3分鐘左右，正負極氣體體積比為1∶2；此時關閉電源，再用洗耳球往瓶中吹氣加壓，分別打開兩滴定管的旋塞，檢驗正負極產生的氣體，現象非常明顯。

［裝置二］用注射器制作簡易水電解器

實驗器材及藥品：20mL一次性塑料注射器兩支、紅黑導線各一根、可調直流電源（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，在鐵釘上系上導線，并把導線從挖出的圓孔中引出（如圖5示），鐵釘可在注射孔內上下移動。

2.把注射器插入盛有水的燒杯中即可進行實驗，實驗裝置如圖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，防止在注射器外產生氣體逸出。

2.接通直流電源，可觀察到鐵釘表面產生大量氣泡，正負極氣體體積比為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，用一根帶火星的木條從圓孔插入注射器內，可見帶火星的木條復燃，證明生成了氧氣。把與電源負極相連接的注射器移離液面，注射器朝下，圓孔對著點燃的酒精燈，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。

上述兩套裝置的優點：

1.實驗器材易尋找，價格低廉，制作方法簡單，易于推廣。

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

3.整個實驗過程皮膚不接觸電解液，安全可靠。

4.實驗儀器刷洗方便，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，對于強電解質而言，在一定濃度范圍內，電解質的濃度越大，導電能力越強。以氫氧化鈉溶液為例，當氫氧化鈉物質的量濃度為5mol/L（折合成質量分數約為20%）時電導率最大，導電能力最強，但溶液濃度太大，腐蝕性也強，結合實際應用，用10%左右的氫氧化鈉溶液即可，硫酸溶液為5%即可。本實驗用12～24V直流電源進行實驗，實驗裝置用自制裝置一，做的對比實驗結果見下表：

［實驗一］

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

［實驗二］

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

［實驗三］

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

對實驗結果的分析：

通過三組實驗，我發現用石墨作電極，正極的石墨總是從碳棒上脫落進入電解液，影響實驗觀察效果。具體原因還有待進一步研究。用稀硫酸做電解液時，生成氫氣與氧氣的體積比大于2∶1，實驗誤差較大。這是因為在酸性溶液中，H+濃度較大，導致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，氧氣易與電極發生氧化反應而消耗，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異?，F象呢？帶著這個疑問，我用pH試紙分別測正負極附近溶液的pH值，測得的結果是正極pH在2～3之間，呈較強的酸性，負極的pH值在10左右，呈堿性。剛開始正極的溶液呈中性，反應正常，但隨著反應的進行，正極的溶液酸性增強，對鐵有較強的腐蝕作用，鐵發生如下反應：Fe-2e＝Fe2+，Fe2++2OH-＝Fe（OH）2， Fe（OH）2→Fe（OH）3，所以最終產生紅褐色沉淀。由于鐵電極發生了化學反應，抑制了OH-的放電，所以過一會兒就沒有氧氣產生了。而鍍了鎳的回形針不易與酸反應，所以反應正常。而在NaOH溶液中，正極的溶液不呈酸性，鐵在堿性溶液中較穩定，所以對鐵電極腐蝕作用很小，反應一直很正常。

通過上述三個對比實驗可以看出，做電解水的實驗時，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，實驗效果較好。

三、對電壓的選用

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

參考資料

［1］胡英主編.物理化學［M］.北京：高等教育出版社，1999

［2］嚴宣申主編.普通無機化學［M］.北京：北京大學出版社，1999

［3］胡美玲主編.義務教育課程標準實驗教科書（化學）［M］.北京：人民教育出版社，2001.6

［4］王祖浩主編.義務教育課程標準實驗教科書（化學）［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