電解水實(shí)驗(yàn)條件探究

楊麗君，毛媛媛，楊麗維

（玉溪師范學(xué)院 化學(xué)生物與環(huán)境學(xué)院，云南 玉溪 653100）

義務(wù)教育九年級(jí)化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2011 年版）指導(dǎo)下的人教版九年級(jí)化學(xué)上冊(cè)第四單元課題3 水的組成教學(xué)內(nèi)容中安排了探究實(shí)驗(yàn)[1]，教材實(shí)驗(yàn)內(nèi)容描述為“在電解器玻璃管里加滿水，接通直流電源，觀察并記錄兩個(gè)電極附近和玻璃管內(nèi)發(fā)生的現(xiàn)象”.我們認(rèn)為，按教材進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，水電解的時(shí)間較長(zhǎng)，且產(chǎn)物氫氣與氧氣的體積比很難達(dá)到理論值VH2:VO2=2∶1.因?yàn)?，純水電?dǎo)率很小，當(dāng)水中含有無(wú)機(jī)酸、堿或鹽時(shí)，電導(dǎo)率增加,但酸會(huì)腐蝕電極，鹽則會(huì)影響電解產(chǎn)物的組成.為此，本文選擇用氫氧化鈉增加水的電導(dǎo)率[2]，并從電壓、電解液的濃度、電極材料的選擇等方面探究影響水電解反應(yīng)的因素，以期達(dá)到理想的實(shí)驗(yàn)效果.

1 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

1.1 反應(yīng)原理

在通電條件下，水分子在電極上發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)，分解成氫氣和氧氣.其化學(xué)反應(yīng)式如下 ：

陰極：2 H2O+2 e-=H2↑+2OH-；陽(yáng)極：2 OH--2 e-=H2O+1/2 O2↑

總反應(yīng)式：2H2O 通電=O2↑+2H2↑

在298.15 K，100 KPa 時(shí)，該反應(yīng)的熱力學(xué)數(shù)據(jù)如表1 所示：

表1 反應(yīng)熱力學(xué)數(shù)據(jù)

由表1可得：ΔrHmθ=571.6 kJ·mol-1＞0；ΔrSmθ=396.6 J·mol-1·K-1＞0;ΔrGmθ=474.2 kJ·mol-1＞0，可知此反應(yīng)不能自發(fā)進(jìn)行，只有通過(guò)電解的方法才可以使反應(yīng)正向進(jìn)行.蒸餾水的導(dǎo)電率為1.0×10-3s/m，導(dǎo)電性弱，加入NaOH 溶液的作用在于增加水的電導(dǎo)能力，加快反應(yīng)速率.

1.2 電壓對(duì)電解水的影響

試劑：蒸餾水.

實(shí)驗(yàn)步驟：（1）試驗(yàn)裝置如圖1，注入蒸餾水；（2）接通電源，分別把電壓調(diào)到3 V、6 V 和9 V 探究最佳實(shí)驗(yàn)電壓.

圖1 水電解裝置圖

實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象：（1）電壓調(diào)到3 V 時(shí)，電極棒上無(wú)氣泡，氧氣、氫氣生成量無(wú)明顯變化；（2）電壓調(diào)到6 V 時(shí)，電極棒上有微弱氣泡，氧氣、氫氣生成量無(wú)明顯變化；（3）電壓調(diào)到9 V 時(shí)，電極棒上氣泡稍微變多，氧氣、氫氣生成量無(wú)明顯變化.

由實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象可知，9 V 為最佳電壓.實(shí)驗(yàn)過(guò)程中觀察到細(xì)小氣泡產(chǎn)生，說(shuō)明水能導(dǎo)電，但電解速度慢，這證明水是電解質(zhì)且是弱電解質(zhì)，所以我們通過(guò)加入電解質(zhì)NaOH,加快反應(yīng)速率增強(qiáng)實(shí)驗(yàn)效果.

1.3 電解時(shí)間對(duì)電解水的影響

試劑：10%NaOH 溶液.試驗(yàn)裝置如圖1，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)見(jiàn)表2.

表2 電解時(shí)間對(duì)電解水的影響（10% NaOH，9 V）

由表2 可知：當(dāng)NaOH 溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%時(shí)，隨著電解時(shí)間的延長(zhǎng)，生成氣體量越來(lái)越多，電解時(shí)間在3 min 時(shí)最適宜，生成的氫氣、氧其體積比最接近理論值VH2:VO2=2∶1，實(shí)驗(yàn)效果最佳.

1.4 NaOH溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)電解水的影響

試劑：NaOH 溶液（10%、12%、14%、16%、18%、20%）.電解裝置如圖1 所示.

分別注入10%、12%、14%、16%、18%、20%的NaOH 溶液，在9 V 電壓下電解3 min，通過(guò)6 組對(duì)比實(shí)驗(yàn)探究NaOH 溶液的最佳質(zhì)量分?jǐn)?shù)，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)見(jiàn)表3.

表3 NaOH 溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)電解水的影響（9 V，3 min）

由表3 可知：當(dāng)NaOH 溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)為14%時(shí)，生成的氫氣、氧其體積比最接近理論值VH2:VO2=2∶1，實(shí)驗(yàn)效果最佳.

1.5 電極材料對(duì)電解水的影響

儀器及材料：霍夫曼電解器、石墨棒、銅絲、鐵絲、鎳絲（直條狀、螺旋狀）.試劑：14%NaOH 溶液.

電解裝置如圖1 所示.用14%的NaOH 溶液做電解液，將陽(yáng)極的電極分別換成石墨、鐵絲、鎳絲、銅絲，在9 V 電壓下電解3 min，探究最佳電極材料[4].實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)見(jiàn)表4.

表4 電極材料對(duì)電解水的影響（14%NaOH 溶液，9 V，3 min）

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)論

（1）時(shí)間對(duì)電解水的影響.由表2 和圖2 可知：當(dāng)NaOH 溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%時(shí)，隨著電解時(shí)間的延長(zhǎng)，生成氣體量越來(lái)越多，電解時(shí)間在3 min 時(shí)最適宜，生成的氫氧體積比最接近理論值，實(shí)驗(yàn)效果最佳.

圖2 時(shí)間對(duì)電解水的影響（10% NaOH）

（2）NaOH 溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)電解水的影響.由表3 和圖3 可知，NaOH 溶液做電解質(zhì)時(shí)質(zhì)量分?jǐn)?shù)在14%～18%之間反應(yīng)速度最快，且在14%時(shí)所生產(chǎn)的氫、氧體積比最接近理論值，實(shí)驗(yàn)效果最佳.當(dāng)NaOH溶液濃度小時(shí)，電解液中的陰離子和陽(yáng)離子的遷移速度很慢，隨著NaOH 溶液濃度增加，加速了陽(yáng)離子和陰離子的遷移速度，當(dāng)濃度過(guò)大電解液中水的含量會(huì)相對(duì)減少，從而使得電解速率降低[4].所以進(jìn)行電解水實(shí)驗(yàn)時(shí)采用質(zhì)量分?jǐn)?shù)為14%的NaOH 溶液效果最佳.

圖3 NaOH 溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)電解水的影響

（3）電極材料對(duì)電解水的影響.由表4 和圖4 可知，用 NaOH 溶液在電解蒸餾水的過(guò)程中作為電解液，以鎳絲（螺旋狀）作為電極時(shí)產(chǎn)生的氫氣和氧氣體積接近理論值.

圖4 電極材料對(duì)電解水的影響（14%NaOH，9V，3min）

綜上所述：以NaOH 溶液做電解液，電解水的最佳實(shí)驗(yàn)條件為：鎳（螺旋狀）、銅做分別做正、負(fù)極材料，14%NaOH 溶液做電解液在9V 直流電源條件下通電3min，水的電解實(shí)驗(yàn)可達(dá)到理想的實(shí)驗(yàn)效果.

3 實(shí)驗(yàn)反思

（1）因NaOH 有腐蝕性，若皮膚接觸電解液易受腐蝕，實(shí)驗(yàn)需謹(jǐn)慎.

（2）由于電極材料取材的局限性，本實(shí)驗(yàn)采用的電極材料與電解液的匹配性不一定是最佳的.

（3）在電解水實(shí)驗(yàn)過(guò)程中氫氣與氧氣體積比偏離理論值原因主要是：陽(yáng)極材料在電解過(guò)程中會(huì)被氧化溶于電解液且與氧氣反應(yīng)減少氧氣的量，從而導(dǎo)致理論值有偏差；電解時(shí)間長(zhǎng)使得霍夫曼電解器兩邊玻璃管的水柱高度不同產(chǎn)生壓力差，且陽(yáng)極和陰極有不同的電流效率[5，6].

（4）在進(jìn)行電解水實(shí)驗(yàn)時(shí)最好采用蒸餾水，因?yàn)樽詠?lái)水中的氯離子還原性比氫氧根離子更強(qiáng)，更容易失掉電子，導(dǎo)致誤差，且自來(lái)水中的其他雜質(zhì)會(huì)影響實(shí)驗(yàn)效果.

（5）實(shí)驗(yàn)過(guò)程中需要注意電解液與電極材料的匹配，這是影響實(shí)驗(yàn)成敗的關(guān)鍵因素.