电解水实验中的疑难问题与现象解析

2014-11-10潘国荣

化学教与学 2014年11期

关键词：电解水疑难问题解析

潘国荣

摘要：电解水的实验是初中化学一个非常重要的定量实验，这是一个慢速且现象多变又不明显的疑难实验，经常得不到氢气与氧气的体积比为2∶1的理想结果。文章从十个方面对电解水实验中的一些不容易理解的疑难问题和现象进行了整理与解析。

关键词：电解水；实验；疑难问题；现象；解析

文章编号：1008-0546（2014）11-0078-02 中图分类号：G633.8 文献标识码：B

doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2014.11.029

有关“电解水”的实验是初中化学一个非常重要的定量实验，它对学生直观地认识“水的组成”问题具有极其重要的意义。由于这是一个慢速且现象多变又不明显的疑难实验，导致我们在实验过程中常常产生一些不容易理解的疑难问题和现象，下面将它们进行整理解析，供老师们参考。

1. 影响氢气与氧气体积比为2∶1的因素有哪些？

电解水实验中，我们总是得不到氢气与氧气的体积比为2∶1的理想结果，氧气的体积总是小于1，是哪些因素造成了氧气体积的偏小呢？一是溶解度不同，在一个大气压与室温20℃条件下，1升水溶解18.2mL氢气、溶解31.1mL氧气[1]，氧气溶解到水里多；二是氧气容易与活泼电极如铜、铁、碳（石墨）等反应而消耗了部分氧气，石墨电极生成二氧化碳更易溶于水并造成氧气不纯；三是使用稀硫酸溶液电解时，会在阳极生成少量而稳定的过硫酸、双氧水与臭氧等，减少了氧气的生成量[2]；四是若用自来水配制电解液，则电解生成的氧原子很容易把自来水中的还原性物质如氯离子Cl-氧化成次氯酸根离子ClO-等，从而降低了氧气的产量；五是电解液与电极不匹配而发生化学反应；六是气体在电极表面的吸附程度不同如铂对氢气溶解很小而1体积铂却能溶解70体积的氧气[2]等。

此外，水蒸气的放大作用、液面高度不同产生的压强不相等、电极产生的过电位不相同、两级的电流效率不相同等也会影响到氢气与氧气的比例。

2. 如何让电解水实验中氢气与氧气体积比为2∶1？

为了得到氢气与氧气的体积比为2︰1，通常可以采取的办法是：（1）课前先电解一下水，让电解液与电极充分吸收氢气和氧气到达饱和，然后再把氢气和氧气放掉，使课堂电解水时，减少电极与电解液对氢气和氧气的吸收。（2）把电解液的温度控制在25℃以上，减少氧气的溶解度。（3）让电解液的浓度适当高一点，也可以减少误差。（4）调节盛氢气、氧气与电解液三个仪管的液面在一个水平高度上，消除大气压强不同引起的误差。

3. 电解水的最低电压是多少？

电解水时，要使水分解的反应正常进行，需要加的电压必须超出一个定值即电解水的分解电压。一是若用惰性的金属铂做电极，25℃时氢氧原电池的标准电动势是1.229V，所加电压必须先平衡它。二是电解时在电极上，气体的形成与逸出都需要一定的“活化能”，这就是电化学极化，极化值与气体性质、电极材料、电流大小、温度等因素有关；在铂电极上由电化学极化引起的超电势氢大约是0.09V、氧大约是0.45V。三是电解时引起的浓度变化导致的电极电势与平衡电势发生偏差而产生浓差超电势，它与搅拌情况、电流强度、离子性质、溶液性质和温度等有关。四是两电极及其之间的溶液是有电阻的，这些外电阻要消耗电压，即电阻电压降。在起始阶段，电流很小时，在不考虑浓差超电势、电阻电压降的因素条件下，电解水的标准分解电压=1.229V+0.45V+0.09V=1.769V[3]。

4. 电解水的最佳电压是多少？

为了尽快电解得到一定量的氢气和氧气，以供实验演示之用，不同的实验装置和条件所需要的电压并不完全相同，老师们提供的最佳需求电压也不一样。

有用输出电压为5V～7V、电流1A～2A的手机充电器做电源的[4]；有用6V～12V整流电源的[5]。电压低，实验演示的时间就长，适当提高电解电压大约在12V～24V之间[6]，可以使缩短演示时间、减小误差、提高实验效率。

有使用自制的整流电源，把电压可放宽到36V[7]的。直流电压越大，水分解的速度就越快，但是，不容易控制，而且在碱性环境下容易产生泡沫，所以，一般不采用高压电。

也有人[8]曾使用250V高压直流电源做电解水实验，几分钟便得到比较多的氢气和氧气，提高了课堂教学效率的。

因此，实验时，要根据自己选择的电解液、电极、装置、电源类型等的具体情况探索出适当高一点的电压，以提高课堂演示实验的效率。

5. 电解水常用哪些材料做电极好？

实验室常用电极材料：铂、钨、钼、镍、铁丝、铅棒、不锈钢、保险丝（铅锡铋镉合金）、电炉丝（铁镍铝或镍铬合金）等。铜丝也用，但是，容易被氧化，效果要差一些。石墨电极的化学稳定性好，但是它的片层结构之间距离较大，许多分子和离子渗透进入石墨片层之间形成插入化合物[2]。使它形成高过电位、吸附气体作用强、产生气体速率慢等缺陷。而且，碳能够与氧结合形成二氧化碳气体，大大降低了氧气的数量与纯度。因此，电解水的演示实验不适宜使用石墨材料做电极。

（1）铂片：是惰性电极，是电解水最理想的电极材料，它的价格比较昂贵，通常方法难以得到。

（2）钨丝：能够适宜于酸性、中性与碱性的电解液，可以从废旧白炽灯的钨丝中收集。

（3）钼：能够适宜于酸性、中性与碱的电解液，取出废旧白炽灯泡里的两根粗金属丝即可用作钼电极。

（4）铅：能够适宜于酸性、中性与碱性的电解液，铅棒可以从废旧铅蓄电池中取出。

（5）镍：能够适宜于中性与碱性的电解液，可以采用注射器针头、镀镍大头针与回形针等。

（6）不锈钢：能够适宜于中性与碱性的电解液。

（7）铁丝：便宜，能够适宜于中性与碱性的电解液，但是，正极溶液容易变红色。endprint

6. 提高电解水速率的方法有哪些？

法拉第电解定律告诉我们：在电解过程中，电上极上发生反应的物质的量与所通过的电流强度和通电时间成正比，即M=KQ=KIt。提高电解的电流可以提高电解反应速率。

根据欧姆定律：I﹦ε/（R+r），要增大电流强度可以采取的方法有[9]：（1）增大电动势ε（可以近似看成增大电源电压）；（2）减少电路中的外电阻R：一是选用适宜的电解液浓度、二是增加电极的表面积、三是缩短导线和电极的距离、四是选用电阻率低的材料做导线与电极；（3）选择内阻r小的电源，直流电源器内阻大，蓄电池、干电池、功率大的电源变化器内阻小。

7. 电解水时为什么要加入电解质？

氢氧根离子OH-与氢离子H+是所有离子中电迁移速度最快的阴、阳离子。在25℃时，纯净水中[H+]=[OH-]=10-7mol/L，由于离子浓度太低，纯净水的导电能力非常弱。通过加入电解质，其电离所产生的离子在溶液中负担电迁移任务可以增强水溶液的导电能力。为了够保证在电解过程中，只能由氢氧根离子OH-与氢离子H+在阴、阳极上得、失电子，加入的电解质必须是所含阴、阳离子都为不易得失电子的酸、碱或盐。

8. 电解水中通常加入的电解质是哪些？

为了增强水电解液的导电能力，通常要加入一些阴、阳离子都为不易得失电子的酸、碱或盐做电解质：（1）强酸如硫酸；（2）强碱如氢氧化钠、氢氧化钾；（3）盐如碳酸钠（溶液呈碱性）、硫酸钠（溶液呈中性）、磷酸二氢钾（溶液呈弱酸性）等。

强酸、强碱的溶液腐蚀性大，不适宜学生操作。碳酸钠溶液、硫酸钠溶液稳定性好，可以长期保存，下次再用。磷酸二氢钾溶液稀释后，作为磷钾快速高效复合肥使用，不需要特别保存也不产生污染的问题。从“绿色化学”的“安全、无污染”角度考虑，电解水时，选用磷酸二氢钾作为电解质是比较理想的。

9. 适宜的电解质溶液的浓度是多少？

（1）NaOH：使用氢氧化钠溶液做电解液时，适宜是浓度为10﹪-13﹪[4]，浓度低了就会影响电解速率，而浓度大了增加的电解速率不明显却增强了电解液的腐蚀性。

（2）H2SO4：使用稀硫酸溶液做电解液时，适宜的浓度为1∶4～1∶5[10]，通常配套使用铂或铅做电极，其它活泼电极容易在阳极被氧化而影响效果。

（3）KH2PO4：使用磷酸二氢钾溶液做电解液时，比较适宜的浓度为10﹪左右[4]，该溶液的pH≈5，酸性不强，对皮肤没有腐蚀性和刺激性。

（4）Na2SO4：使用硫酸钠溶液做电解液时，可以配制成浓度为10﹪左右[11]的溶液，也可以配制成饱和溶液。该溶液呈中性，而且非常稳定，可以长期保存重复使用，不会变质。

（5）Na2CO3：使用碳酸钠溶液做电解液时，配制成饱和溶液即可[12]。碳酸钠溶液呈碱性，它的腐蚀性不强，即使有晶体析出也不影响实验。而且碳酸钠溶液比较稳定，可以长期保存重复使用。

10. 电解水的最佳实验条件是什么？

陈劲老师[13]选取电解水时（1）生成氢气H2和氧气O2的体积比为2∶1的权重占75﹪，（2）生成2mL氢气H2所需要时间的权重占25﹪，这两个试验指标的综合评分法，通过正交试验法求电解水的最佳实验条件，结果如下：

影响试验结果的因素主次关系为电极材料（R值2.9325）、电解质种类（R值2.9125）、两电极间的距离（R值2.905）、电解液浓度（R值2.74）、电压（R值2.1875）。他根据计算结果得出的结论是：（1）以铅质材料为电极；（2）选用KH2PO4为电解质；（3）电解液浓度为10﹪；（4）电极间的距离为21mm；（5）电压为18V时，实验效果最好。

参考资料

[1] 张向宇等编.实用化学手册[M].北京：国防工业出版社，1986：471-472

[2] 陈涌生.电解水H2和O2体积比的误差和实验方法的改进[J].化学教学，1992，（1）：22-24

[3] 孙秋香等.电解水实验纵横谈 [J].湖北教育学院学报，1998，（5）：64-66

[4] 梁淑凤.适于自主探究的电解水实验[J].农村青少年科学探究，2009，（10）：18

[5] 邹振惠.电解水的实验再探讨[J].化学教育，2000，（11）：45

[6] 宋萍，雷复天. 电解水实验[J].青海师专学报（自然科学），2001，（6）：72-74

[7] 祁秀勇等.电解水实验的制约因素及应对方法[J].化学教学，2002，（9）：7-8

[8] 夏力.电解水的实验装置的组装 [J].实验教学与仪器，1999，（9）：10

[9] 张青.不同介质条件下电解水的实验方法[J].平原大学学报，1999，16（2）：33-34

[10] 李仲明.电解水演示实验的改进[J].教学仪器与实验，1998，（2）：10

[11] 王宝权.电解水实验的再改进[J].教学仪器与实验，2012，28（3）：11-13