電解水實驗正負極體積比異常的實驗探究及優化

郭玲鳳

（江蘇省南通中學附屬實驗學校 江蘇 南通 226500）

一、問題的提出

《義務教育化學課程標準（2022年版）》將“水的組成及變化的探究”作為學生必做實驗，現行各版本九年級化學教科書都編排了電解水實驗，旨在通過正負極產生的兩種氣體成分推知水的組成，再結合正負極氣體的體積比為1∶2推出水分子的構成。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電極、電壓、電解液類別及濃度等實驗條件進行了探究［1-2］，也有老師設計新型水電解器將水的電解與生成物氫氣的點燃和檢驗合二為一［3］，從而證明水的組成。但日常實驗中發現，正負極產生氣體的體積比常常小于1∶2。教學時大多教師一般會用氧氣、氫氣的溶解度差異進行分析和解釋，那是不是這個原因呢？如何優化實驗設計以減小實驗誤差呢？

二、正負極產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個標準大氣壓下，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）兩個支管的實際容積均為40 mL，計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.實驗探究

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溶液進行實驗。實驗3次的結果皆發現兩極產生的氣體體積差遠遠超過理論差值，為了證實非實驗的偶然性，反復多次實驗，結果幾乎一致。實驗數據如表1所示。

表1 用石墨作電極電解水

多次測量數據表明，兩極氣體體積差仍然超過理論差值且相同時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較大。為了排除不是因為溶解能力而導致的差異，分別先電解兩種溶液一段時間使其形成氣體的飽和溶液后，再繼續電解，發現兩極氣體的體積差仍偏大，且理論差值遠大于0.5 mL，如表2 所示。顯然，無法用氫氣、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

通過比較電解兩種溶液過程中氣體體積變化差值，我們還發現，電解硫酸鈉溶液氣體體積比變化不規律，而電解氫氧化鈉溶液氣體體積比逐漸趨于穩定，之后保持在0.25∶1。再反復進行多次實驗，數據關系與上表相符。

已有研究文獻認為，石墨作為電解水的電極材料時，正極的石墨與電解生成的一部分氧氣發生了氧化，產生少量二氧化碳，導致氫氣與氧氣的體積比高于2∶1。錢莉、丁偉等利用手持技術探究用石墨作電極電解水也同樣發現氧氣體積偏小，認為，“氧氣體積偏小的原因是陽極產生氧氣的過程生成強氧化性的自由基，這些自由基與石墨進一步反應形成二氧化碳；另外，石墨電極的確會吸附氣體產生誤差，但其吸附性不是造成氧氣體積偏小的原因，因為石墨對氫氣的吸附能力強于氧氣”［4］。

為了進一步證明，我們將石墨電解硫酸鈉溶液正極所產生的氣體通入澄清石灰水中，石灰水變渾濁，說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。這是因為氫氧化鈉溶液吸收了產生的二氧化碳氣體，產生碳酸根離子。通過對實驗數據進行計算發現，石墨電解氫氧化鈉溶液時約一半的氧氣轉化為二氧化碳。

三、電解水實驗再設計

基于上述實驗結果及相關理論解釋，除石墨電極外，其他活潑金屬作電極也應該會發生氧化作用。為證實這一猜想，我們用鐵釘、回形針、保險絲等常見金屬材料進行電解水實驗，氣體體積變化與理論差值差距也很大，且規律不明顯。

為避免較活潑電極對實驗結果的影響，我們仍然選用霍夫曼電解器，用不易與氧氣反應的鉑絲作電極，分別電解10%硫酸鈉溶液和10%氫氧化鈉溶液多次，并對正負極氣體體積差進行分析，所得數據如表3、表4所示。

表3 用鉑絲作電極電解水實驗

表4 用鉑絲作電極電解水氣體體積差值比較

通過這兩組數據的比較可見，使用鉑絲作電極進行電解時，正、負兩極產生氣體的體積比接近1∶2。選用硫酸鈉作電解質時，由于正極附近的硫酸根離子也會失去電子，形成過二硫酸根離子，從而導致正極產生的氧氣偏小，而且相對來說速率偏慢，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兩極體積比低于1∶2的問題，可先將氫氧化鈉溶液電解一段時間，讓兩種氣體形成各自的飽和溶液，再繼續電解，發現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 溶液的數據。反復多次實驗，數據與理論相符。

四、實驗結論與反思

綜上可知，用電解法測定水的組成時，用鉑絲作電極，氫氧化鈉溶液作電解質溶液較為合適。實驗時，預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，課堂中再實驗可獲得理想的實驗結果。夏天室內氣溫較高時，選擇10%氫氧化鈉溶液作為電解質溶液比較合適。當秋冬季室內氣溫較低，用10%氫氧化鈉溶液作為電解質溶液速率較慢，用15%氫氧化鈉溶液進行實驗，速率較為適中。所以選擇氫氧化鈉溶液濃度時，要考慮周圍環境溫度。

使用霍夫曼電解器進行電解水實驗，操作簡單，耗時少，現象明顯，適合作為學生的分組實驗。上述實驗過程，也可以設計為學生的課后探究活動。引導學生進行對比實驗，分析數據、查閱文獻、推理原因、進行實驗的再設計優化。這種真實的實驗探究活動，能幫助學生初步形成化學實驗探究的一般思路與方法，知道科學探究是獲取科學知識、理解科學本質的重要途徑，培養學生基于實驗事實進行證據推理的能力［5］。

致謝：本文在寫作過程中還得到了江蘇省特級教師李德前的指導，謹表謝意。