电解水实验条件探索与装置改进

摘 要： 作者探索了用简易装置在不同的条件下进行“电解水”实验时所产生的H、O体积之比及其对电解速度的影响。同时找到了使氢、氧气体积比非常接近2∶1的实验条件，并改进了实验装置，增强了实验效果。

关键词： 电解水 实验条件 装置改进

一、问题的提出

“水的组成”是通过“电解水”实验，在阴阳两极收集到氢气与氧气，且体积比为2∶1来证明的。“电解水”实验需用霍夫曼电解器才能收到好的效果。由于霍氏电解器价格昂贵，因此常用简易装置来电解水。但用教科书上的简易装置电解水，实验效果非常不理想，缺点很多。如将收集气体的试管放入或取出时，手会被电解液腐蚀，还会将杂质带入电解液中；另外检验氢气、氧气的体积时操作很不方便，效果很差，只能看到电解现象，不能准确量出氢气、氧气的体积比，给教学带来很多不便。因此，我们实验小组针对“电解水“实验进行了深层次的探究与讨论，并对实验装置进行了改进。

二、研究方法与内容

1.实验原理

水是弱电解质，内部存在电离平衡。

①HO=H+OH

②H+OH=HO

v①=v②

在直流电作用下，放出氢气与氧气，氢离子与氢氧根离子不断减少，打破平衡体系，使水不停地电离，且v①＞v②，所以反应不断进行。

阳极反应：4OH-4e=2HO+O

阴极反应：2H+2e=H

总反应：2HO2H+O

2.实验仪器及药品

药品：氢氧化钾固体、98%浓硫酸、自来水

仪器：电子天平、容量瓶（500ml）、烧杯（500ml、1000ml）、玻璃棒、直流电源、止水夹、注射器（10ml、50ml）、铁架台（带铁夹）、大头针、导线

3.实验装置改进

如图：

注：大头针与导线连接处使用塑料输液管密封，防止电解液也导线接触，腐蚀导线。

4.实验方法与步骤

将烧杯中倒满电解液，连接电极，装置如图，吸电解液至止水夹处（试管中不能留有气泡）。通电一段时间后，记录氢气、氧气的体积。改变电解液浓度、电压分别进行实验，再记录氢、氧气体的体积。

（1）准确称量氢氧化钾固体12.5g、25g、50g、100g，分别配置成1000ml的氢氧化钾溶液。

（2）准确量取98%的浓硫酸12.5ml、25ml、50ml、100ml，分别配置成1000ml的硫酸溶液。

（3）向烧杯中倒入电解液，安装实验装置。吸电解液至止水夹处（试管中不能留有气泡）。接通电源，调节电压至12v，计时5min，断开电源，记录氢气、氧气的体积。

（4）分别调节电压至18v、24v、30v，重复以上实验，记录数据。

三、研究数据处理与分析

通电时间5min，不同浓度KOH在不同电压下对水电解的影响：

通电时间5min，不同浓度HSO在不同电压下对水电解的影响：

理论上电解水时产生的H和O的体积比应该是2∶1，但实际上H的体积往往超过两倍。产生这一误差的原因是多方面的，主要有：两个集气管中水柱压力不相等；氢氧两种气体在电解液中的溶解度不同；在相同温度和压力下，氧气的溶解度比氢气大，还有电极上会发生一些副反应。例如，用自来水配置KOH做电解液，因溶液中含有Cl，阳极放出氧原子与Cl生成ClO，消耗部分氧气；若使用稀HSO做电解液，则有下列副反应发生：

HSO=H+HSO

在阴极：2H+2e=H；在阳极：2HSO-2e=HSO（过二硫酸）

HSO+HO=HSO+HSO（过一硫酸）；HSO+HO=HO+HSO

生成的过氧化氢在酸性溶液环境中较稳定，不易分解放出氧气，使放出的氧气量减少。

四、研究结论

综上实验结果可知，电解水实验的较好条件是：氢氧化钾的浓度以12.5g/L，电源电压在12v至18v之间时最佳。（用稀硫酸做电解液，虽然水的电解速率较快，但误差较大，不宜采用。）用改进的实验装置，在最佳的实验条件下，电解水的实验效果与用霍夫曼电解器同样理想。

另外，在实验时还应注意下述情况：由于氢气、氧气在水中的溶解度不同，如在20℃时，氧气的溶解度为31ml/L，而氢气为18.2ml/L；再则，阳极材料被氧化要消耗一部分氧气，因此在正式实验前，应先进行一次预电解，使氢气、氧气在电解液中饱和，同时使阳极表面氧化形成一层保护膜，在以后和各次实验使用时，不需要调换正、负电极。

参考文献：

［1］课程教材研究所，化学课程教材研究开发中心.义务教育课程标准实验教科书（化学）［M］北京：人民教育出版社，2006.

［2］西南师范学院化学系.中学化学教学法实验［M］.北京：高等教育出版社出版，1986.

［3］王希通.化学实验教学研究［M］.北京：高等教育出版社出版，1990.

［4］宋萍，雷复天.电解水实验［M］.青海师专学报，2001，（01）.

（作者系广西师范大学化学化工学院化学课程与教学论专业硕士研究生）

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