电解水实验条件探究

2022-11-21杨丽君毛媛媛杨丽维

玉溪师范学院学报 2022年3期

杨丽君，毛媛媛，杨丽维

（玉溪师范学院化学生物与环境学院，云南玉溪 653100）

义务教育九年级化学课程标准（2011 年版）指导下的人教版九年级化学上册第四单元课题3 水的组成教学内容中安排了探究实验[1]，教材实验内容描述为“在电解器玻璃管里加满水，接通直流电源，观察并记录两个电极附近和玻璃管内发生的现象”.我们认为，按教材进行实验，水电解的时间较长，且产物氢气与氧气的体积比很难达到理论值VH2:VO2=2∶1.因为，纯水电导率很小，当水中含有无机酸、碱或盐时，电导率增加,但酸会腐蚀电极，盐则会影响电解产物的组成.为此，本文选择用氢氧化钠增加水的电导率[2]，并从电压、电解液的浓度、电极材料的选择等方面探究影响水电解反应的因素，以期达到理想的实验效果.

1 实验内容

1.1 反应原理

在通电条件下，水分子在电极上发生电化学反应，分解成氢气和氧气.其化学反应式如下：

阴极：2 H2O+2 e-=H2↑+2OH-；阳极：2 OH--2 e-=H2O+1/2 O2↑

总反应式：2H2O 通电=O2↑+2H2↑

在298.15 K，100 KPa 时，该反应的热力学数据如表1 所示：

表1 反应热力学数据

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，可知此反应不能自发进行，只有通过电解的方法才可以使反应正向进行.蒸馏水的导电率为1.0×10-3s/m，导电性弱，加入NaOH 溶液的作用在于增加水的电导能力，加快反应速率.

1.2 电压对电解水的影响

试剂：蒸馏水.

实验步骤：（1）试验装置如图1，注入蒸馏水；（2）接通电源，分别把电压调到3 V、6 V 和9 V 探究最佳实验电压.

图1 水电解装置图

实验现象：（1）电压调到3 V 时，电极棒上无气泡，氧气、氢气生成量无明显变化；（2）电压调到6 V 时，电极棒上有微弱气泡，氧气、氢气生成量无明显变化；（3）电压调到9 V 时，电极棒上气泡稍微变多，氧气、氢气生成量无明显变化.

由实验现象可知，9 V 为最佳电压.实验过程中观察到细小气泡产生，说明水能导电，但电解速度慢，这证明水是电解质且是弱电解质，所以我们通过加入电解质NaOH,加快反应速率增强实验效果.

1.3 电解时间对电解水的影响

试剂：10%NaOH 溶液.试验装置如图1，实验数据见表2.

表2 电解时间对电解水的影响（10% NaOH，9 V）

由表2 可知：当NaOH 溶液质量分数为10%时，随着电解时间的延长，生成气体量越来越多，电解时间在3 min 时最适宜，生成的氢气、氧其体积比最接近理论值VH2:VO2=2∶1，实验效果最佳.

1.4 NaOH溶液质量分数对电解水的影响

试剂：NaOH 溶液（10%、12%、14%、16%、18%、20%）.电解装置如图1 所示.

分别注入10%、12%、14%、16%、18%、20%的NaOH 溶液，在9 V 电压下电解3 min，通过6 组对比实验探究NaOH 溶液的最佳质量分数，实验数据见表3.

表3 NaOH 溶液质量分数对电解水的影响（9 V，3 min）

由表3 可知：当NaOH 溶液质量分数为14%时，生成的氢气、氧其体积比最接近理论值VH2:VO2=2∶1，实验效果最佳.

1.5 电极材料对电解水的影响

仪器及材料：霍夫曼电解器、石墨棒、铜丝、铁丝、镍丝（直条状、螺旋状）.试剂：14%NaOH 溶液.

电解装置如图1 所示.用14%的NaOH 溶液做电解液，将阳极的电极分别换成石墨、铁丝、镍丝、铜丝，在9 V 电压下电解3 min，探究最佳电极材料[4].实验数据见表4.

表4 电极材料对电解水的影响（14%NaOH 溶液，9 V，3 min）

2 实验结论

（1）时间对电解水的影响.由表2 和图2 可知：当NaOH 溶液质量分数为10%时，随着电解时间的延长，生成气体量越来越多，电解时间在3 min 时最适宜，生成的氢氧体积比最接近理论值，实验效果最佳.

图2 时间对电解水的影响（10% NaOH）

（2）NaOH 溶液质量分数对电解水的影响.由表3 和图3 可知，NaOH 溶液做电解质时质量分数在14%～18%之间反应速度最快，且在14%时所生产的氢、氧体积比最接近理论值，实验效果最佳.当NaOH溶液浓度小时，电解液中的阴离子和阳离子的迁移速度很慢，随着NaOH 溶液浓度增加，加速了阳离子和阴离子的迁移速度，当浓度过大电解液中水的含量会相对减少，从而使得电解速率降低[4].所以进行电解水实验时采用质量分数为14%的NaOH 溶液效果最佳.