電解水實驗中的疑難問題與現(xiàn)象解析

潘國榮

摘要：電解水的實驗是初中化學(xué)一個非常重要的定量實驗，這是一個慢速且現(xiàn)象多變又不明顯的疑難實驗，經(jīng)常得不到氫氣與氧氣的體積比為2∶1的理想結(jié)果。文章從十個方面對電解水實驗中的一些不容易理解的疑難問題和現(xiàn)象進行了整理與解析。

關(guān)鍵詞：電解水；實驗；疑難問題；現(xiàn)象；解析

文章編號：1008-0546（2014）11-0078-02 中圖分類號：G633.8 文獻標(biāo)識碼：B

doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2014.11.029

有關(guān)“電解水”的實驗是初中化學(xué)一個非常重要的定量實驗，它對學(xué)生直觀地認(rèn)識“水的組成”問題具有極其重要的意義。由于這是一個慢速且現(xiàn)象多變又不明顯的疑難實驗，導(dǎo)致我們在實驗過程中常常產(chǎn)生一些不容易理解的疑難問題和現(xiàn)象，下面將它們進行整理解析，供老師們參考。

1. 影響氫氣與氧氣體積比為2∶1的因素有哪些？

電解水實驗中，我們總是得不到氫氣與氧氣的體積比為2∶1的理想結(jié)果，氧氣的體積總是小于1，是哪些因素造成了氧氣體積的偏小呢？一是溶解度不同，在一個大氣壓與室溫20℃條件下，1升水溶解18.2mL氫氣、溶解31.1mL氧氣[1]，氧氣溶解到水里多；二是氧氣容易與活潑電極如銅、鐵、碳（石墨）等反應(yīng)而消耗了部分氧氣，石墨電極生成二氧化碳更易溶于水并造成氧氣不純；三是使用稀硫酸溶液電解時，會在陽極生成少量而穩(wěn)定的過硫酸、雙氧水與臭氧等，減少了氧氣的生成量[2]；四是若用自來水配制電解液，則電解生成的氧原子很容易把自來水中的還原性物質(zhì)如氯離子Cl-氧化成次氯酸根離子ClO-等，從而降低了氧氣的產(chǎn)量；五是電解液與電極不匹配而發(fā)生化學(xué)反應(yīng)；六是氣體在電極表面的吸附程度不同如鉑對氫氣溶解很小而1體積鉑卻能溶解70體積的氧氣[2]等。

此外，水蒸氣的放大作用、液面高度不同產(chǎn)生的壓強不相等、電極產(chǎn)生的過電位不相同、兩級的電流效率不相同等也會影響到氫氣與氧氣的比例。

2. 如何讓電解水實驗中氫氣與氧氣體積比為2∶1？

為了得到氫氣與氧氣的體積比為2︰1，通?？梢圆扇〉霓k法是：（1）課前先電解一下水，讓電解液與電極充分吸收氫氣和氧氣到達飽和，然后再把氫氣和氧氣放掉，使課堂電解水時，減少電極與電解液對氫氣和氧氣的吸收。（2）把電解液的溫度控制在25℃以上，減少氧氣的溶解度。（3）讓電解液的濃度適當(dāng)高一點，也可以減少誤差。（4）調(diào)節(jié)盛氫氣、氧氣與電解液三個儀管的液面在一個水平高度上，消除大氣壓強不同引起的誤差。

3. 電解水的最低電壓是多少？

電解水時，要使水分解的反應(yīng)正常進行，需要加的電壓必須超出一個定值即電解水的分解電壓。一是若用惰性的金屬鉑做電極，25℃時氫氧原電池的標(biāo)準(zhǔn)電動勢是1.229V，所加電壓必須先平衡它。二是電解時在電極上，氣體的形成與逸出都需要一定的“活化能”，這就是電化學(xué)極化，極化值與氣體性質(zhì)、電極材料、電流大小、溫度等因素有關(guān)；在鉑電極上由電化學(xué)極化引起的超電勢氫大約是0.09V、氧大約是0.45V。三是電解時引起的濃度變化導(dǎo)致的電極電勢與平衡電勢發(fā)生偏差而產(chǎn)生濃差超電勢，它與攪拌情況、電流強度、離子性質(zhì)、溶液性質(zhì)和溫度等有關(guān)。四是兩電極及其之間的溶液是有電阻的，這些外電阻要消耗電壓，即電阻電壓降。在起始階段，電流很小時，在不考慮濃差超電勢、電阻電壓降的因素條件下，電解水的標(biāo)準(zhǔn)分解電壓=1.229V+0.45V+0.09V=1.769V[3]。

4. 電解水的最佳電壓是多少？

為了盡快電解得到一定量的氫氣和氧氣，以供實驗演示之用，不同的實驗裝置和條件所需要的電壓并不完全相同，老師們提供的最佳需求電壓也不一樣。

有用輸出電壓為5V～7V、電流1A～2A的手機充電器做電源的[4]；有用6V～12V整流電源的[5]。電壓低，實驗演示的時間就長，適當(dāng)提高電解電壓大約在12V～24V之間[6]，可以使縮短演示時間、減小誤差、提高實驗效率。

有使用自制的整流電源，把電壓可放寬到36V[7]的。直流電壓越大，水分解的速度就越快，但是，不容易控制，而且在堿性環(huán)境下容易產(chǎn)生泡沫，所以，一般不采用高壓電。

也有人[8]曾使用250V高壓直流電源做電解水實驗，幾分鐘便得到比較多的氫氣和氧氣，提高了課堂教學(xué)效率的。

因此，實驗時，要根據(jù)自己選擇的電解液、電極、裝置、電源類型等的具體情況探索出適當(dāng)高一點的電壓，以提高課堂演示實驗的效率。

5. 電解水常用哪些材料做電極好？

實驗室常用電極材料：鉑、鎢、鉬、鎳、鐵絲、鉛棒、不銹鋼、保險絲（鉛錫鉍鎘合金）、電爐絲（鐵鎳鋁或鎳鉻合金）等。銅絲也用，但是，容易被氧化，效果要差一些。石墨電極的化學(xué)穩(wěn)定性好，但是它的片層結(jié)構(gòu)之間距離較大，許多分子和離子滲透進入石墨片層之間形成插入化合物[2]。使它形成高過電位、吸附氣體作用強、產(chǎn)生氣體速率慢等缺陷。而且，碳能夠與氧結(jié)合形成二氧化碳?xì)怏w，大大降低了氧氣的數(shù)量與純度。因此，電解水的演示實驗不適宜使用石墨材料做電極。

（1）鉑片：是惰性電極，是電解水最理想的電極材料，它的價格比較昂貴，通常方法難以得到。

（2）鎢絲：能夠適宜于酸性、中性與堿性的電解液，可以從廢舊白熾燈的鎢絲中收集。

（3）鉬：能夠適宜于酸性、中性與堿的電解液，取出廢舊白熾燈泡里的兩根粗金屬絲即可用作鉬電極。

（4）鉛：能夠適宜于酸性、中性與堿性的電解液，鉛棒可以從廢舊鉛蓄電池中取出。

（5）鎳：能夠適宜于中性與堿性的電解液，可以采用注射器針頭、鍍鎳大頭針與回形針等。

（6）不銹鋼：能夠適宜于中性與堿性的電解液。

（7）鐵絲：便宜，能夠適宜于中性與堿性的電解液，但是，正極溶液容易變紅色。endprint

6. 提高電解水速率的方法有哪些？

法拉第電解定律告訴我們：在電解過程中，電上極上發(fā)生反應(yīng)的物質(zhì)的量與所通過的電流強度和通電時間成正比，即M=KQ=KIt。提高電解的電流可以提高電解反應(yīng)速率。

根據(jù)歐姆定律：I﹦ε/（R+r），要增大電流強度可以采取的方法有[9]：（1）增大電動勢ε（可以近似看成增大電源電壓）；（2）減少電路中的外電阻R：一是選用適宜的電解液濃度、二是增加電極的表面積、三是縮短導(dǎo)線和電極的距離、四是選用電阻率低的材料做導(dǎo)線與電極；（3）選擇內(nèi)阻r小的電源，直流電源器內(nèi)阻大，蓄電池、干電池、功率大的電源變化器內(nèi)阻小。

7. 電解水時為什么要加入電解質(zhì)？

氫氧根離子OH-與氫離子H+是所有離子中電遷移速度最快的陰、陽離子。在25℃時，純凈水中[H+]=[OH-]=10-7mol/L，由于離子濃度太低，純凈水的導(dǎo)電能力非常弱。通過加入電解質(zhì)，其電離所產(chǎn)生的離子在溶液中負(fù)擔(dān)電遷移任務(wù)可以增強水溶液的導(dǎo)電能力。為了夠保證在電解過程中，只能由氫氧根離子OH-與氫離子H+在陰、陽極上得、失電子，加入的電解質(zhì)必須是所含陰、陽離子都為不易得失電子的酸、堿或鹽。

8. 電解水中通常加入的電解質(zhì)是哪些？

為了增強水電解液的導(dǎo)電能力，通常要加入一些陰、陽離子都為不易得失電子的酸、堿或鹽做電解質(zhì)：（1）強酸如硫酸；（2）強堿如氫氧化鈉、氫氧化鉀；（3）鹽如碳酸鈉（溶液呈堿性）、硫酸鈉（溶液呈中性）、磷酸二氫鉀（溶液呈弱酸性）等。

強酸、強堿的溶液腐蝕性大，不適宜學(xué)生操作。碳酸鈉溶液、硫酸鈉溶液穩(wěn)定性好，可以長期保存，下次再用。磷酸二氫鉀溶液稀釋后，作為磷鉀快速高效復(fù)合肥使用，不需要特別保存也不產(chǎn)生污染的問題。從“綠色化學(xué)”的“安全、無污染”角度考慮，電解水時，選用磷酸二氫鉀作為電解質(zhì)是比較理想的。

9. 適宜的電解質(zhì)溶液的濃度是多少？

（1）NaOH：使用氫氧化鈉溶液做電解液時，適宜是濃度為10﹪-13﹪[4]，濃度低了就會影響電解速率，而濃度大了增加的電解速率不明顯卻增強了電解液的腐蝕性。

（2）H2SO4：使用稀硫酸溶液做電解液時，適宜的濃度為1∶4～1∶5[10]，通常配套使用鉑或鉛做電極，其它活潑電極容易在陽極被氧化而影響效果。

（3）KH2PO4：使用磷酸二氫鉀溶液做電解液時，比較適宜的濃度為10﹪左右[4]，該溶液的pH≈5，酸性不強，對皮膚沒有腐蝕性和刺激性。

（4）Na2SO4：使用硫酸鈉溶液做電解液時，可以配制成濃度為10﹪左右[11]的溶液，也可以配制成飽和溶液。該溶液呈中性，而且非常穩(wěn)定，可以長期保存重復(fù)使用，不會變質(zhì)。

（5）Na2CO3：使用碳酸鈉溶液做電解液時，配制成飽和溶液即可[12]。碳酸鈉溶液呈堿性，它的腐蝕性不強，即使有晶體析出也不影響實驗。而且碳酸鈉溶液比較穩(wěn)定，可以長期保存重復(fù)使用。

10. 電解水的最佳實驗條件是什么？

陳勁老師[13]選取電解水時（1）生成氫氣H2和氧氣O2的體積比為2∶1的權(quán)重占75﹪，（2）生成2mL氫氣H2所需要時間的權(quán)重占25﹪，這兩個試驗指標(biāo)的綜合評分法，通過正交試驗法求電解水的最佳實驗條件，結(jié)果如下：

影響試驗結(jié)果的因素主次關(guān)系為電極材料（R值2.9325）、電解質(zhì)種類（R值2.9125）、兩電極間的距離（R值2.905）、電解液濃度（R值2.74）、電壓（R值2.1875）。他根據(jù)計算結(jié)果得出的結(jié)論是：（1）以鉛質(zhì)材料為電極；（2）選用KH2PO4為電解質(zhì)；（3）電解液濃度為10﹪；（4）電極間的距離為21mm；（5）電壓為18V時，實驗效果最好。

參考資料

[1] 張向宇等編.實用化學(xué)手冊[M].北京：國防工業(yè)出版社，1986：471-472

[2] 陳涌生.電解水H2和O2體積比的誤差和實驗方法的改進[J].化學(xué)教學(xué)，1992，（1）：22-24

[3] 孫秋香等.電解水實驗縱橫談 [J].湖北教育學(xué)院學(xué)報，1998，（5）：64-66

[4] 梁淑鳳.適于自主探究的電解水實驗[J].農(nóng)村青少年科學(xué)探究，2009，（10）：18

[5] 鄒振惠.電解水的實驗再探討[J].化學(xué)教育，2000，（11）：45

[6] 宋萍，雷復(fù)天. 電解水實驗[J].青海師專學(xué)報（自然科學(xué)），2001，（6）：72-74

[7] 祁秀勇等.電解水實驗的制約因素及應(yīng)對方法[J].化學(xué)教學(xué)，2002，（9）：7-8

[8] 夏力.電解水的實驗裝置的組裝 [J].實驗教學(xué)與儀器，1999，（9）：10

[9] 張青.不同介質(zhì)條件下電解水的實驗方法[J].平原大學(xué)學(xué)報，1999，16（2）：33-34

[10] 李仲明.電解水演示實驗的改進[J].教學(xué)儀器與實驗，1998，（2）：10

[11] 王寶權(quán).電解水實驗的再改進[J].教學(xué)儀器與實驗，2012，28（3）：11-13

[12] 張振明.對初三化學(xué)電解水實驗的改進[J].教育革新，2008，（8）：51

[13] 陳勁.用正交試驗法探求電解水的最佳實驗條件[J].貴州教育學(xué)院學(xué)報（自然科學(xué)），2005，16（4）：46-49endprint