电解水实验探析

2012-07-19解树生

化学教与学 2012年3期

关键词：滴定管铁钉电解水

解树生

（徐州市大黄山中学江苏徐州 221131）

电解水实验探析

解树生

（徐州市大黄山中学江苏徐州 221131）

电解水实验是初中化学教学中的一个重要的实验，做好该实验对探究水的组成、从分子原子的角度认识电解水的反应原理都有很大的帮助。文章从对电解水实验装置的改进以及电极材料、电解液和电压的选用上进行分析，对电解水实验进行探析。

实验装置；反应速率；电解液；电极反应；电解电压

图1 图2

现行初中化学教材中用的电解水装置主要有两种，一种是霍夫曼水电解器，如图1，另一种是简易水电解装置，如图2。霍夫曼水电解器造价较高，两电极之间连通水的玻璃管太细，两电极相隔太远，反应速率较慢。简易水电解装置反应速率虽比霍夫曼水电解器快，但是实验操作存在许多不便，加入电解液以及将试管从电解液中取出进行气体的检验时都要戴胶皮手套，以防止电解液的腐蚀性，且操作非常麻烦，且由于试管上没有刻度，产生的氢气与氧气的体积比只能通过目测判断，实验不够准确。

本人经过多次实践摸索，对实验装置、电极材料、电解液、电压等进行了相应的改进和取舍，取得了较好的实验效果。

一、对装置的改进

图3

［装置一］用实验室中的滴定管进行实验，装置如图3所示：

实验器材及药品：25mL酸式滴定管两支、大集气瓶1个、橡皮塞、导管、止水夹、乳胶管、漆包线、铁钉两根（或镀镍回形针两枚）、24V直流电源、洗耳球、10%的NaOH溶液（或5%的Na2SO4溶液）、酒精灯、火柴。

操作方法：把装置按图示连接好，先把一支滴定管的旋塞打开，把洗耳球套在乳胶管上，打开止水夹，挤压洗耳球，把电解液压入滴定管中，关闭该滴定管的旋塞，然后用同样的方法把电解液压入另一滴定管中，关闭滴定管的旋塞，用止水夹夹住乳胶管，接通24V直流电源，可看到两电极上快速产生气泡，实验完成时间大约3分钟左右，正负极气体体积比为1∶2；此时关闭电源，再用洗耳球往瓶中吹气加压，分别打开两滴定管的旋塞，检验正负极产生的气体，现象非常明显。

［装置二］用注射器制作简易水电解器

实验器材及药品：20mL一次性塑料注射器两支、红黑导线各一根、可调直流电源（3～24V）、两根光亮的铁钉、250mL烧杯、酒精灯、火柴、10%的NaOH溶液。

图4 图5

制作方法：

1.在两注射器的注射孔附近分别挖出两个圆孔（如图4示），在两个注射孔中分别插入直径与其相近的铁钉作电极，在铁钉上系上导线，并把导线从挖出的圆孔中引出（如图5示），铁钉可在注射孔内上下移动。

2.把注射器插入盛有水的烧杯中即可进行实验，实验装置如图6所示。

图6

操作方法：

1.把两支注射器插入盛水的烧杯中，把注射器的栓塞向前推，把注射器内的空气排出，此时铁钉露出注射孔，然后把栓塞慢慢向后拉，吸取液体20mL，稍用力按压注射器，把露出注射孔的铁钉压入注射孔，防止在注射器外产生气体逸出。

2.接通直流电源，可观察到铁钉表面产生大量气泡，正负极气体体积比为1∶2。

3.把与电源正极相连接的注射器移离液面，迅速把注射器倒转，用一根带火星的木条从圆孔插入注射器内，可见带火星的木条复燃，证明生成了氧气。把与电源负极相连接的注射器移离液面，注射器朝下，圆孔对着点燃的酒精灯，可听到爆鸣声，圆孔处可看到火焰，证明该气体能燃烧，是氢气。

上述两套装置的优点：

1.实验器材易寻找，价格低廉，制作方法简单，易于推广。

2.实验完成时间较短（若用24V电压只需2分钟），现象明显，通过注射器及滴定管上的刻度可准确比较产生氢气与氧气的体积。

3.整个实验过程皮肤不接触电解液，安全可靠。

4.实验仪器刷洗方便，电极更换简单。

二、对电极材料、电解液的选用

对于电解质的选用和电解液的浓度，课本上是向水中加入硫酸或氢氧化钠，对于强电解质而言，在一定浓度范围内，电解质的浓度越大，导电能力越强。以氢氧化钠溶液为例，当氢氧化钠物质的量浓度为5mol/L（折合成质量分数约为20%）时电导率最大，导电能力最强，但溶液浓度太大，腐蚀性也强，结合实际应用，用10%左右的氢氧化钠溶液即可，硫酸溶液为5%即可。本实验用12～24V直流电源进行实验，实验装置用自制装置一，做的对比实验结果见下表：

［实验一］

电解液电极材料正极现象负极现象氢气与氧气体积比石墨碳棒产生气泡，石墨粉从碳棒上脱落，液体浑浊产生大量的气泡接近 2∶1 10%的NaOH溶液铁钉产生大量气泡，电极光亮，液体澄清产生大量气泡，电极光亮，液体澄清接近 2∶1回形针（镀镍）产生大量气泡，电极光亮，液体澄清产生大量气泡，电极光亮，液体澄清接近 2∶1

［实验二］

电解液电极材料正极现象负极现象氢气与氧气体积比石墨碳棒5%的H2SO4溶液产生气泡，石墨粉从碳棒上快速脱落，液体浑浊产生大量的气泡大于 2∶1回形针（镀镍）产生大量气泡，电极光亮，液体澄清产生大量气泡，电极光亮，液体澄清大于 2∶1

［实验三］

电解液电极材料正极现象负极现象氢气与氧气体积比石墨碳棒产生气泡，石墨粉从碳棒上脱落，液体浑浊产生大量的气泡接近 2∶1 5% 的Na2SO4溶液铁钉开始产生大量气泡，半分钟左右气泡停止，铁钉部分溶解，溶液中产生沉淀，最终成红褐色产生大量气泡，电极光亮，溶液中最终产生红褐色沉淀大于 2∶1回形针（镀镍）产生大量气泡，电极光亮，液体澄清产生大量气泡，电极光亮，液体澄清接近 2∶1

对实验结果的分析：

通过三组实验，我发现用石墨作电极，正极的石墨总是从碳棒上脱落进入电解液，影响实验观察效果。具体原因还有待进一步研究。用稀硫酸做电解液时，生成氢气与氧气的体积比大于2∶1，实验误差较大。这是因为在酸性溶液中，H+浓度较大，导致OH-离子浓度减小，抑制了OH-的放电，且生成的氧气比氢气在水中的溶解度大，氧气易与电极发生氧化反应而消耗，造成氢气与氧气的体积比明显大于2∶1。所以做电解水实验用稀硫酸做电解液效果不好。那么为什么用中性的硫酸钠溶液做电解液，用铁钉做电极时会出现异常现象呢？带着这个疑问，我用pH试纸分别测正负极附近溶液的pH值，测得的结果是正极pH在2～3之间，呈较强的酸性，负极的pH值在10左右，呈碱性。刚开始正极的溶液呈中性，反应正常，但随着反应的进行，正极的溶液酸性增强，对铁有较强的腐蚀作用，铁发生如下反应：Fe-2e＝Fe2+，Fe2++2OH-＝Fe（OH）2， Fe（OH）2→Fe（OH）3，所以最终产生红褐色沉淀。由于铁电极发生了化学反应，抑制了OH-的放电，所以过一会儿就没有氧气产生了。而镀了镍的回形针不易与酸反应，所以反应正常。而在NaOH溶液中，正极的溶液不呈酸性，铁在碱性溶液中较稳定，所以对铁电极腐蚀作用很小，反应一直很正常。

通过上述三个对比实验可以看出，做电解水的实验时，不宜用稀硫酸作电解液。用10%的NaOH溶液作电解液时，电极材料用铁钉或回形针，实验效果较好。用5%的硫酸钠溶液作电解液时，电极材料用回形针或其他镀镍材料，实验效果较好。