電解水實驗探究

摘 要：電解水實驗將知識的獲取、科學(xué)過程的體驗和科學(xué)思想方法的學(xué)習(xí)融為一體，教育內(nèi)涵十分豐富，學(xué)習(xí)情景生動，以有趣的現(xiàn)象來啟發(fā)學(xué)生思維，有利于激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性。要完成以上教育功能，必須確保電解水實驗的成功。但在具體的教學(xué)實踐中，許多老師常常反映該實驗不好做，成功率低。

關(guān)鍵詞：電解水;實驗;探究

一、 存在的問題

1. 實驗室沒有霍夫曼水電解器，或有但實驗成功率低。

2. 電解水產(chǎn)生的氣體量太少，實驗時間過長。

3. 產(chǎn)生氫氣與氧氣的體積比與理論值2∶1相差較多。

4. 實驗過程中產(chǎn)生大量泡沫，影響觀測氣體的體積。

針對以上存在的問題，本人查閱大量的資料，對各種電解水裝置進(jìn)行實驗研究，找出了現(xiàn)行條件下，完成電解水實驗的最佳方法。

二、 解決的對策

（一）自制水電解器

若實驗室沒有霍夫曼水電解器，老師可以按下圖自制水電解器，以下自制水電解器各有千秋，老師可以依據(jù)實驗室條件，靈活制作。

各種自制水電解器裝置圖：

圖1裝置圖需要：大號U形管，2個三孔橡膠塞，2個長頸漏斗，2根銅絲，2個帶玻璃珠的尖嘴玻璃彎管（可用廢棄的酸式滴定管末端代替），學(xué)生電源，導(dǎo)線若干，帶支架的木板。

圖2裝置圖需要：大號可樂瓶1只，膠塞1個，鍍鉻別針2只，試管2支，低壓電源（可用干電池代替）1個，導(dǎo)線2根。

圖3裝置圖需要：醫(yī)用5mL注射器2個，5號電池碳棒2個，汽水瓶蓋2個，500mL燒杯1個（可用水盆代替），低壓電源（可用干電池代替），導(dǎo)線2根;蠟燭一支，木條一塊。

圖4裝置圖需要：膠塞2個（中間打孔插入電極），不銹鋼電極2個，試管2支，低壓電源（可用干電池代替）1個，導(dǎo)線2根。

圖5裝置圖需要：廢棄礦泉水瓶1只，廢燈泡燈絲1個，導(dǎo)線3根，電鍵1個，橡皮塞1只，小木盒1個，小試管2支，低壓電源（可用干電池代替）1個，剪子，錐子，紅、黃兩根細(xì)塑料管。

圖6裝置圖需要：1. 直徑為6厘米圓臺形橡膠塞。2. 口徑為6厘米的透明玻璃杯。3. 5毫升或10毫升注射器玻璃管。4. 長頸漏斗。5. 電極（鍍鉻不銹鋼——帶孔一小節(jié)傘骨子）。6. 外絕級導(dǎo)電線（細(xì)鋼絲）。7. 與注射器管相配套的針帽（針尖切斷且夾扁密封）。8. 帶孔小膠塞。

（二）電解水產(chǎn)生的氣體量少，實驗時間長的原因分析

筆者經(jīng)過多次實驗發(fā)現(xiàn)，影響電解水實驗氣體量和實驗時間的因素有：（1）電極;（2）電壓;（3）電解液類別及濃度等。以下是相關(guān)實驗數(shù)據(jù)。

1. 電極選擇材料探究

筆者選擇了碳棒、鋁片、鐵片、銀絲、鉑絲、保險絲、不銹鋼等作電極，用15%的氫氧化鈉溶液做電解液，直流電壓12V，通電時間2分鐘，以下是各項實驗數(shù)據(jù)：

從以上數(shù)據(jù)可知電解水實驗電極可以選擇鉑絲、不銹鋼、鍍鉻材料等不易與氧反應(yīng)的材料;若選擇鋁、鐵、銅等金屬材料，雖然也可以較快速的產(chǎn)生氣體，但正極容易被氧化，消耗了產(chǎn)生的氧氣，使兩極產(chǎn)生的氣體體積比與理論值2∶1相差較多。

2. 電壓選擇研究

為研究電壓對電解水實驗產(chǎn)生氣體速度的影響，本實驗選用寧波教學(xué)儀器廠生產(chǎn)的J2606水電解器，電解液為15%氫氧化鈉溶液，以產(chǎn)生10mL氫氣、5mL 氧氣為計時時段。

電解水實驗所用時間是衡量實驗成功與否的重要指標(biāo)，如果實驗時間過長，學(xué)生會出現(xiàn)觀察疲勞，同時占用過多時間，無法完成本課時的其他教學(xué)任務(wù);如果實驗時間過短，學(xué)生來不及觀察電極氣泡的產(chǎn)生，實驗就已經(jīng)完成，同時該實驗反應(yīng)過快，會導(dǎo)致電解液從電解器的漏斗中溢出，腐蝕實驗臺。

從以上數(shù)據(jù)分析，該實驗選擇12V至18V的電壓是較適合的。

3. 電解液類別及濃度選擇

因此本實驗推薦使用堿性物質(zhì)作電解液，例如氫氧化鈉、氫氧化鉀等。為研究氫氧化鈉電解液濃度對電解水實驗產(chǎn)生氣體速度的影響，本實驗選用寧波教學(xué)儀器廠生產(chǎn)的J2606水電解器，以產(chǎn)生10mL氫氣、5mL氧氣為計時時段，選用直流電壓15V。

以下是用氫氧化鈉溶液作電解液的相關(guān)數(shù)據(jù)：

同選擇的電壓情況一樣，電解水實驗所用時間是衡量實驗成功與否的重要指標(biāo)，如果時間過長，學(xué)生會出現(xiàn)觀察疲勞，無法完成本課時的其他教學(xué)任務(wù);如果時間過短，學(xué)生來不及觀察電極氣泡的產(chǎn)生，實驗就已經(jīng)完成，同時該實驗反應(yīng)過快，會導(dǎo)致電解液從電解器的漏斗中溢出，腐蝕實驗臺，另外氫氧化鈉配制濃度過大，也會造成安全隱患，綜合以上因素，該實驗選擇10%至15%的氫氧化鈉溶液是較適合的。

（三）產(chǎn)生氫氣與氧氣的體積比與理論值不符的原因及解決方法

在實驗過程中產(chǎn)生氫氣的體積往往大于氧氣體積的2倍，主要原因是：

（1）實驗測得，在通常狀況下，1體積水里能溶解0.02體積的氫氣，卻能溶解0.03體積的氧氣，即氧氣在水中的溶解能力比氫氣大，從而導(dǎo)致試管中收集到的氧氣體積偏小。

（2）在電解過程中，產(chǎn)生的氧氣會與金屬電極發(fā)生氧化反應(yīng)，從而消耗一部分氧氣，導(dǎo)致氧氣的體積偏小。

解決方法：實驗之前應(yīng)預(yù)先電解一次，對電極和電解液分別進(jìn)行氧化和氧氣飽和的處理，則可以減少實驗誤差。

（四）實驗過程中產(chǎn)生泡沫的原因及解決方法

本實驗若選用氫氧化鈉作電解液，則在兩電極產(chǎn)生氣泡上升的同時，也會隨之產(chǎn)生許多泡沫，這些泡沫不易破裂，會影響我們讀取氣體體積的數(shù)據(jù)。泡沫產(chǎn)生的原因一是實驗裝置不潔凈，二是電解液有雜質(zhì)。解決的方法是所選用的電解水實驗裝置要充分洗凈;配制電解液一定要使用蒸餾水，不要用自來水;固體氫氧化鈉試劑要使用分析純的，不要用化學(xué)純的。

三、 研究結(jié)論

實驗產(chǎn)生氫氣與氧氣的比值大于2∶1，原因是氧氣在水中的溶解能力比氫氣大，從而導(dǎo)致試管中收集到的氧氣體積偏小;電解過程中，產(chǎn)生的氧氣會與金屬電極發(fā)生氧化反應(yīng)，從而消耗一部分氧氣，導(dǎo)致氧氣的體積偏小。實驗之前應(yīng)預(yù)先電解一次，對電極和電解液分別進(jìn)行氧化和氧氣飽和的處理，則可以減少實驗誤差。

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作者簡介：

曾文忠，海南省三亞市，海南省三亞市藤橋中學(xué)。