正交試驗法探究電解水實驗

戴小敏 馬 速 胡慧賢

（大連大學環境與化學工程學院 遼寧 大連 116622）

電解水實驗是大學化學教學論實驗和初中化學實驗中的一個重要內容［1-3］。本實驗成功標志有兩點：（1）通直流電流能看到兩個電極都迅速產生大量氣泡。氣體匯集在玻璃管或試管上部，氫氣與氧氣體積比為2∶1。（2）檢驗氧氣時，帶火星的木條應明顯復燃，檢驗氫氣時應看到點燃的氫氣火焰。但是，做到這兩點難度較大。針對《化學教學論實驗》（科學出版社）［1］和《義務教育課程標準實驗教科書·化學·九年級（上冊）》（上海教育出版社）［2］的實驗裝置比較煩瑣不僅難以加工，而且快速且成功的實驗條件難以控制的問題，本文對實驗裝置進行了簡化改進并采用正交試驗法考察了電解液、電極材料及電壓等因素對電解水實驗的影響，以期找到實驗現象明顯且快速的較優化實驗條件。

一、實驗部分

1．實驗用品

NaOH （5%）、H2SO4（10%）、Na2SO4（10%）、電解水裝置、學生電源（J1202-1）、碳棒、曲別針、鐵釘、導線。

2.實驗裝置

圖1 自制水電解器

3.實驗方法

實驗條件按表 1進行。A1、A2、A3分別為 NaOH（5%）、H2SO4（10%）、Na2SO4（10%）；B1、B2、B3 分別為碳棒、鐵釘、曲別針；C1、C2、C3 分別為 6V、8V、12V。仔細觀察電解器兩極產生氣體情況。待收集的氣體達到一定數量后，停止電解。擠壓陰極端尖嘴上的玻璃珠，在尖嘴口點火，觀察現象。然后檢驗另一管口中的氣體，用帶有余燼的細木條放在管口，觀察現象。

表1 正交表

二、實驗結果與討論

一般認為，影響電解實驗的主要因素是電解液、電極材料和電解電壓［1］。為了增加水的導電性、加快水的電解速率、縮短實驗時間，在不影響水的電解本質前提下往往在水中加一定的電解質，如：Na2SO4、NaOH、H2SO4等［1］?？紤]操作方便和安全，本文選用NaOH （5%）、H2SO4（10%）、Na2SO4（10%）為電解液。電極材料可以用碳棒、曲別針、鐵釘、保險絲及鉑絲等。從價格、電解速率及電解效果這些方面綜合考慮，本文選用碳棒、鐵釘、曲別針為電極材料。一般地，電解電壓為6V～12V［1］。本文采用三因素、三水平正交試驗法考察了電解液、電極材料和電壓對電解水實驗的影響規律。

利用自制水電解器如圖1，依照表1試驗方案進行電解水試驗。記錄兩極收集已定體積氣體所需的電解時間。實驗結果及分析見表2。

三、研究結論

從表2可以看出，第一列極差R較大，第三列極差R次之，第二列極差R最小。表明影響水電解因素的主次順序為：電解液、電壓、電極材料。

表2 正交試驗結果分析

本文交試驗結果表明，其他條件不變情況下，電解液為 NaOH （5%）、H2SO4（10%）、Na2SO4（10%）時，水電解速率依次減??；電極為曲別針、碳棒、鐵釘時，水電解速率依次減??；電壓越大，電解速率越大。表明電解水試驗的較優試驗條件為：電解液為NaOH（5%）、電極為曲別針、電壓為12V。

［1］ 李廣洲，陸真．化學教學論實驗［M］．北京：科學出版社，2000．6

［2］ 義務教育化學國家課程標準研制組．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，2001．8

［3］ 課程教材研究所，化學課程教材研究開發中心編著．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，2010．4