對電解稀硫酸溶液得到氧氣與氫氣的體積比為1∶5且溶液變紅的探究

龍見濤

【摘要】 電解水時，為了增強水的導(dǎo)電性，通常要在水中加入少量的稀硫酸或氫氧化鈉溶液；電極材料通常用惰性材料為電極。本文就對我化學(xué)實驗室使用學(xué)校自購的H型水電解器（儀器編號：26002）電解稀硫酸，得到氧氣與氫氣的體積比為1∶5且接電源正極的玻璃管內(nèi)溶液變?yōu)樽霞t色的異常現(xiàn)象進行探究。

【關(guān)鍵詞】 電解稀硫酸 電極材料 異常現(xiàn)象 探究

【中圖分類號】 G633.8 【文獻標識碼】 A 【文章編號】 1992-7711（2015）06-027-02

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眾所周知，電解水得到氧氣與氫氣的體積比約為1∶2，實驗數(shù)據(jù)與理論相符。然而，我們實驗得到的結(jié)果說出來你都不信，但事實確實發(fā)生了（如圖所示）。按照開學(xué)初擬定的實驗教學(xué)計劃，我們把普通高中新課程標準實驗教科書化學(xué)必修1P13頁科學(xué)探究——【電解水】選定為學(xué)生實驗，我實驗室使用學(xué)校自購的H型水電解器（儀器編號：26002）作為電解水裝置，用1∶40的稀硫酸作為電解質(zhì)溶液，學(xué)生實驗前，我們實驗教師已經(jīng)進行過實驗預(yù)演，使用的電解器是2000年“普實”配送的儀器（儀器編號：2606），無異常實驗現(xiàn)象發(fā)生。但是，到學(xué)生實驗時，無一臺不是得到氧氣與氫氣的體積比為1∶5且接電源正極的玻璃管內(nèi)溶液變?yōu)樽霞t色（類似稀的高錳酸鉀溶液顏色），雖然實驗教師敷衍搪塞的回答了學(xué)生的疑問，但是幾位實驗教師感到奇怪，課后我們幾位實驗教師立即對這兩個異?，F(xiàn)象展開實驗探究。

一、對學(xué)生實驗異?，F(xiàn)象的探究

猜想1：可能是電解質(zhì)的純度、電解質(zhì)溶液的濃度、溶液的酸堿度的影響。

設(shè)計實驗方案一：

試劑和儀器

工業(yè)濃硫酸、分析純濃硫酸、氫氧化鈉固體、蒸餾水

燒杯、量筒（10mL200mL）、托盤天平、H型水電解器（26002型）等

實驗過程：分別用工業(yè)濃硫酸、分析純濃硫酸各配制1∶50、1∶100稀硫酸200mL，配制0.1mol.L-1、0.2mol.L-1氫氧化鈉溶液各200mL，將配制好的溶液分別注入6臺H型水電解器（26002型）里，直流電壓均為6V，接通直流電源，5分鐘后比較水電解器內(nèi)發(fā)生的現(xiàn)象，結(jié)果見表：

由實驗現(xiàn)象可推知，使溶液變紅、氧氣與氫氣的體積比約為1∶5的現(xiàn)象與電解質(zhì)溶液顯酸性有關(guān)，但是，在學(xué)生實驗前教師用同樣的酸進行過實驗預(yù)演，實驗現(xiàn)象無異常，不同的是使用的水電解器是2000年“普實”配送的儀器（儀器編號：2606），于是我們有如下猜想：

猜想2、可能是受電極材料的影響，才使溶液變紅、氧氣與氫氣的體積比約為1∶5的現(xiàn)象。

設(shè)計實驗方案二：該實驗方案同于方案一，其它條件不變，改變電極材料，5分鐘后比較水電解器內(nèi)發(fā)生的現(xiàn)象，結(jié)果見表：

實驗結(jié)果分析：

由實驗一、二結(jié)果看，無論是用工業(yè)品硫酸還是分析純硫酸作電解質(zhì)，在電解器內(nèi)發(fā)生的異?，F(xiàn)象與電極材料有密切關(guān)系。

那么，我校實驗室自購的這種水電解器里的電極材料是什么材料呢？有人猜想它是一種合金，可能含有鐵、錳、鉻等金屬或合金，也有老師說：“看它的顏色是銀白色的，硬度也大，可能是不銹鋼”。于是，我們結(jié)合我校實驗室現(xiàn)有的條件對電極材料組成成分進行膚淺的探究。

二、對電極材料組成成分的探究

實驗1取出水電解器的電極材料放在桌面上，用磁鐵吸引兩根電極材料均被磁鐵吸取，但吸引力較弱，說明電極材料是含鐵或鉻的合金。

實驗2分別取出正、負極玻璃管內(nèi)電解后的溶液約3毫升置于兩支試管中，向試管中滴加0.05mol·L-1的硫氰化鉀溶液，結(jié)果只有從接電源正極玻璃管內(nèi)取出的溶液立即變得鮮紅，實驗說明溶液中含有Fe3+。再取正、負極管內(nèi)的內(nèi)溶液各5毫升置于試管中，使手電筒光從試管一側(cè)照射溶液，可以看到從正極管內(nèi)取出的紅色液體形成一條光亮的“通路”（如圖所示）。實驗說明該溶液是膠體溶液。

實驗1、2說明電極材料為鐵的合金。

三、對學(xué)生實驗中產(chǎn)生的溶液變紅以及氧氣與氫氣的體積比約為1∶5的現(xiàn)象分析

假如該電極材料是鐵的合金（不銹鋼），不銹鋼的主要成分是鐵，用正極接鋼發(fā)生正極反應(yīng)Fe—2e→Fe2+，F(xiàn)e2+易被氧氣氧化成Fe3+，負極反應(yīng)2H++2e→H2↑，因為是稀硫酸估計酸不夠，馬上負極反應(yīng)就變成中性溶液中的反應(yīng)O2+2H2O+4e→4OH-，OH-移動到正極管內(nèi)發(fā)生反應(yīng)：Fe3++3OH—→Fe（OH）3紅褐色，少量不是沉淀是膠體，所以看到溶液變紅。由于負極發(fā)生有氫氣生成的電極反應(yīng)，所以得到的氫氣的體積增多。

實驗啟示：

做電解反應(yīng)一般都用惰性材料做電極，如鉑、石墨碳棒等，用氫氧化鈉溶液來增強水的導(dǎo)電性；如果不明電極材料的成分，我們就電解氫氧化鈉稀溶液，若要用不銹鋼做電極也只能做負極問題倒不大。