水电解实验设计

摘 要 通过水电解实验，对反应电极、电解液的浓度、电压对实验效果的影响进行探究分析。

关键词 水电解；电极；电解液；电压

人教版《化学》九年级上册第三单元课题1“水的组成”中有水的电解实验，若按书本的实验装置图来做实验，很难准确得到H2:O2的体积比为2:1。为此，笔者在书本原来实验的基础上探究水电解得到H2:O2的体积比为2:1的理想条件。

1 实验原理

1）实验原理：2H2O通电2H2+O2。

2）实验装置图。教材中水电解装置生成的H2和O2是用试管来收集的，但用试管收集不能准确地读出生成气体的体积。笔者把水电解装置中的试管换成量筒，这样可以较准确地读出H2与O2的体积比，实验装置图对比如图1所示。

2 实验用品

1）实验仪器：低压直流电源、500 ml烧杯、量筒。

2）实验药品：稀硫酸（浓度分别为5%、10%、15%、20%各500 g）、氢氧化钠溶液（浓度分别为5%、10%、15%、20%各500 g）。

3）实验材料：铂丝电极、铜电极、石墨电极、电炉丝和回形针电极（为使实验有可比性，用石蜡将各导线与电极接触的部位密封起来，保证各类电极是由单种材料做的纯种电极，且电极长都为3 cm）。

3 实验过程与结果分析

下面选择不同材料的电极，在不同的电解质、电压、电解时间进行对比实验。如用非铜电极做实验，若实验过程中出现不合理的结果，则要注意电极与铜接口的石蜡是否脱落。

实验一：用铂丝作电极

采用铂丝电极，分别用5%、10%、15%、20%浓度的稀硫酸和氢氧化钠作为电解液，记录相同时间不同电压的VH2:VO2。

由表1、表2可知，用铂丝作电极，其他条件相同时，电解速度与电解质浓度、电解电压有关：相同浓度的电解质，电压越大，电解速度越快；电解质的浓度也与电解速度有一定的关系，但并不是电解质越浓电解速度就越快，如表中的实验数据所示，10%的稀硫酸比20%的稀硫酸的电解速度快。所以，做实验时要做到环保、节约，溶液的浓度合适就可以了，免得浪费。

实验过程中，电解时间越长，所产生的气体就越多，而且用铂丝作电极，无论在酸性还是碱性的条件下，生成H2和O2的比值始终保持为2:1。

实验二：用铜丝作电极材料

用铜丝作电极，正极的铜丝要放在电炉上灼烧一段时间后再冷却，如此反复，使其表面生成一层致密的氧化铜。

由表3可知，用铜丝作电极，用氢氧化钠溶液作电解质，在电压不太高时，各种浓度的电解结果都好，符合VH2:VO2之比为2:1，只是浓度大时，电解速度快些。由于氢氧化钠对玻璃有腐蚀作用，因此应选择浓度较小的溶液进行电解。实验时观察到的现象是：随着浓度和电压的升高，溶液蓝色越明显。

注意：用铜丝作电极，阳极的铜丝必须氧化，否则铜作正极，会发生耗氧反应，2Cu+O2+H2O+CO2=Cu2(OH)2CO3，

VH2:VO2远远大于2:1，导致实验失败。

由表4可知，用稀硫酸作电解质，用铜丝作电极，电解时较活泼的金属优先放电，阳极：Cu-2e-=Cu2+。铜丝不断溶解，而OH-不能放电，不能发生4OH--4e-=2H2O+O2，因此没有O2产生。阳极的铜丝即使先氧化成氧化铜，也是没有氧气产生，因为反应过程中阳极的氧化铜与稀硫酸反应，不断溶解。因此，用稀硫酸作电解质，不能用铜丝作电极。

实验三：用石墨作电极

由表5和表6可知，无论在酸性还是碱性的条件下，都不能用石墨作电极，因为用石墨作电极，产气极慢，而且石墨电极对气体吸附作用强，气体脱附慢。

实验四：电炉丝和回形针作电极

电炉丝是铁镍合金，与镀镍的回形针一样均可与酸反应，只能用碱作电解液。

如表7所示，相同条件下电炉丝比回形针效果好些。电压相同时，浓度越大，电解越快；若浓度较小时，可采用较大的电压，同样可得到较好的效果。

4 实验结论

一般条件下，电解质的浓度越大，电解速度越快；电压越大，电解速度越快。实验刚开始收集时，H2和O2的体积比不是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 ℃时，O2的溶解度为0.043 4 g/L，换算成体积约30.4 ml/L；H2溶解度为0.001 60 g/L，换算成体积约17.9 ml/L。只有H2和O2在水中达到溶解平衡后，生成的H2和O2的体积比才是2:1。

铂丝是惰性电极，在酸、碱条件下都是非常理想的电极，但从价格方面考虑，也可以用非铂电极进行电解。为降低误差，在使用非铂电极材料时，注意电极材料与电解质溶液匹配。其基本原则是：所选的电极材料与电解液不发生化学反应，而且在电解时能在阳极表面形成不溶于该电解液的保护膜。另外，实验时要用石蜡密封导线与非铂电极接触的部位，否则影响实验结果。

参考文献

[1]彭志文.电解水实验的探究[J].实验教学与仪器,2010(5):32-33.

（作者单位：广州市番禺区石第三中学）