水電解實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

摘 要 通過(guò)水電解實(shí)驗(yàn)，對(duì)反應(yīng)電極、電解液的濃度、電壓對(duì)實(shí)驗(yàn)效果的影響進(jìn)行探究分析。

關(guān)鍵詞 水電解；電極；電解液；電壓

人教版《化學(xué)》九年級(jí)上冊(cè)第三單元課題1“水的組成”中有水的電解實(shí)驗(yàn)，若按書本的實(shí)驗(yàn)裝置圖來(lái)做實(shí)驗(yàn)，很難準(zhǔn)確得到H2:O2的體積比為2:1。為此，筆者在書本原來(lái)實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上探究水電解得到H2:O2的體積比為2:1的理想條件。

1 實(shí)驗(yàn)原理

1）實(shí)驗(yàn)原理：2H2O通電2H2↑+O2↑。

2）實(shí)驗(yàn)裝置圖。教材中水電解裝置生成的H2和O2是用試管來(lái)收集的，但用試管收集不能準(zhǔn)確地讀出生成氣體的體積。筆者把水電解裝置中的試管換成量筒，這樣可以較準(zhǔn)確地讀出H2與O2的體積比，實(shí)驗(yàn)裝置圖對(duì)比如圖1所示。

2 實(shí)驗(yàn)用品

1）實(shí)驗(yàn)儀器：低壓直流電源、500 ml燒杯、量筒。

2）實(shí)驗(yàn)藥品：稀硫酸（濃度分別為5%、10%、15%、20%各500 g）、氫氧化鈉溶液（濃度分別為5%、10%、15%、20%各500 g）。

3）實(shí)驗(yàn)材料：鉑絲電極、銅電極、石墨電極、電爐絲和回形針電極（為使實(shí)驗(yàn)有可比性，用石蠟將各導(dǎo)線與電極接觸的部位密封起來(lái)，保證各類電極是由單種材料做的純種電極，且電極長(zhǎng)都為3 cm）。

3 實(shí)驗(yàn)過(guò)程與結(jié)果分析

下面選擇不同材料的電極，在不同的電解質(zhì)、電壓、電解時(shí)間進(jìn)行對(duì)比實(shí)驗(yàn)。如用非銅電極做實(shí)驗(yàn)，若實(shí)驗(yàn)過(guò)程中出現(xiàn)不合理的結(jié)果，則要注意電極與銅接口的石蠟是否脫落。

實(shí)驗(yàn)一：用鉑絲作電極

采用鉑絲電極，分別用5%、10%、15%、20%濃度的稀硫酸和氫氧化鈉作為電解液，記錄相同時(shí)間不同電壓的VH2:VO2。

由表1、表2可知，用鉑絲作電極，其他條件相同時(shí)，電解速度與電解質(zhì)濃度、電解電壓有關(guān)：相同濃度的電解質(zhì)，電壓越大，電解速度越快；電解質(zhì)的濃度也與電解速度有一定的關(guān)系，但并不是電解質(zhì)越濃電解速度就越快，如表中的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)所示，10%的稀硫酸比20%的稀硫酸的電解速度快。所以，做實(shí)驗(yàn)時(shí)要做到環(huán)保、節(jié)約，溶液的濃度合適就可以了，免得浪費(fèi)。

實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，電解時(shí)間越長(zhǎng)，所產(chǎn)生的氣體就越多，而且用鉑絲作電極，無(wú)論在酸性還是堿性的條件下，生成H2和O2的比值始終保持為2:1。

實(shí)驗(yàn)二：用銅絲作電極材料

用銅絲作電極，正極的銅絲要放在電爐上灼燒一段時(shí)間后再冷卻，如此反復(fù)，使其表面生成一層致密的氧化銅。

由表3可知，用銅絲作電極，用氫氧化鈉溶液作電解質(zhì)，在電壓不太高時(shí)，各種濃度的電解結(jié)果都好，符合VH2:VO2之比為2:1，只是濃度大時(shí)，電解速度快些。由于氫氧化鈉對(duì)玻璃有腐蝕作用，因此應(yīng)選擇濃度較小的溶液進(jìn)行電解。實(shí)驗(yàn)時(shí)觀察到的現(xiàn)象是：隨著濃度和電壓的升高，溶液藍(lán)色越明顯。

注意：用銅絲作電極，陽(yáng)極的銅絲必須氧化，否則銅作正極，會(huì)發(fā)生耗氧反應(yīng)，2Cu+O2+H2O+CO2=Cu2(OH)2CO3，

VH2:VO2遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于2:1，導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)失敗。

由表4可知，用稀硫酸作電解質(zhì)，用銅絲作電極，電解時(shí)較活潑的金屬優(yōu)先放電，陽(yáng)極：Cu-2e-=Cu2+。銅絲不斷溶解，而OH-不能放電，不能發(fā)生4OH--4e-=2H2O+O2↑，因此沒有O2產(chǎn)生。陽(yáng)極的銅絲即使先氧化成氧化銅，也是沒有氧氣產(chǎn)生，因?yàn)榉磻?yīng)過(guò)程中陽(yáng)極的氧化銅與稀硫酸反應(yīng)，不斷溶解。因此，用稀硫酸作電解質(zhì)，不能用銅絲作電極。

實(shí)驗(yàn)三：用石墨作電極

由表5和表6可知，無(wú)論在酸性還是堿性的條件下，都不能用石墨作電極，因?yàn)橛檬麟姌O，產(chǎn)氣極慢，而且石墨電極對(duì)氣體吸附作用強(qiáng)，氣體脫附慢。

實(shí)驗(yàn)四：電爐絲和回形針作電極

電爐絲是鐵鎳合金，與鍍鎳的回形針一樣均可與酸反應(yīng)，只能用堿作電解液。

如表7所示，相同條件下電爐絲比回形針效果好些。電壓相同時(shí)，濃度越大，電解越快；若濃度較小時(shí)，可采用較大的電壓，同樣可得到較好的效果。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)論

一般條件下，電解質(zhì)的濃度越大，電解速度越快；電壓越大，電解速度越快。實(shí)驗(yàn)剛開始收集時(shí)，H2和O2的體積比不是2:1，而是大于2:1，原因是H2和O2在水中的溶解度不同：1 atm，20 ℃時(shí)，O2的溶解度為0.043 4 g/L，換算成體積約30.4 ml/L；H2溶解度為0.001 60 g/L，換算成體積約17.9 ml/L。只有H2和O2在水中達(dá)到溶解平衡后，生成的H2和O2的體積比才是2:1。

鉑絲是惰性電極，在酸、堿條件下都是非常理想的電極，但從價(jià)格方面考慮，也可以用非鉑電極進(jìn)行電解。為降低誤差，在使用非鉑電極材料時(shí)，注意電極材料與電解質(zhì)溶液匹配。其基本原則是：所選的電極材料與電解液不發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，而且在電解時(shí)能在陽(yáng)極表面形成不溶于該電解液的保護(hù)膜。另外，實(shí)驗(yàn)時(shí)要用石蠟密封導(dǎo)線與非鉑電極接觸的部位，否則影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

參考文獻(xiàn)

[1]彭志文.電解水實(shí)驗(yàn)的探究[J].實(shí)驗(yàn)教學(xué)與儀器，2010(5):32-33.

（作者單位：廣州市番禺區(qū)石碁第三中學(xué)）