楊麗君，毛媛媛，楊麗維

（玉溪師范學院 化學生物與環(huán)境學院，云南 玉溪 653100）

義務教育九年級化學課程標準（2011 年版）指導下的人教版九年級化學上冊第四單元課題3 水的組成教學內(nèi)容中安排了探究實驗[1]，教材實驗內(nèi)容描述為“在電解器玻璃管里加滿水，接通直流電源，觀察并記錄兩個電極附近和玻璃管內(nèi)發(fā)生的現(xiàn)象”.我們認為，按教材進行實驗，水電解的時間較長，且產(chǎn)物氫氣與氧氣的體積比很難達到理論值VH2:VO2=2∶1.因為，純水電導率很小，當水中含有無機酸、堿或鹽時，電導率增加,但酸會腐蝕電極，鹽則會影響電解產(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的因素，以期達到理想的實驗效果.

1 實驗內(nèi)容

1.1 反應原理

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

陰極：2 H2O+2 e-=H2↑+2OH-；陽極：2 OH--2 e-=H2O+1/2 O2↑

總反應式：2H2O 通電=O2↑+2H2↑

在298.15 K，100 KPa 時，該反應的熱力學數(shù)據(jù)如表1 所示：

表1 反應熱力學數(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，可知此反應不能自發(fā)進行，只有通過電解的方法才可以使反應正向進行.蒸餾水的導電率為1.0×10-3s/m，導電性弱，加入NaOH 溶液的作用在于增加水的電導能力，加快反應速率.

1.2 電壓對電解水的影響

試劑：蒸餾水.

實驗步驟：（1）試驗裝置如圖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 探究最佳實驗電壓.

圖1 水電解裝置圖

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

由實驗現(xiàn)象可知，9 V 為最佳電壓.實驗過程中觀察到細小氣泡產(chǎn)生，說明水能導電，但電解速度慢，這證明水是電解質(zhì)且是弱電解質(zhì)，所以我們通過加入電解質(zhì)NaOH,加快反應速率增強實驗效果.

1.3 電解時間對電解水的影響

試劑：10%NaOH 溶液.試驗裝置如圖1，實驗數(shù)據(jù)見表2.

表2 電解時間對電解水的影響（10% NaOH，9 V）

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

1.4 NaOH溶液質(zhì)量分數(shù)對電解水的影響

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6 組對比實驗探究NaOH 溶液的最佳質(zhì)量分數(shù)，實驗數(shù)據(jù)見表3.

表3 NaOH 溶液質(zhì)量分數(shù)對電解水的影響（9 V，3 min）

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

1.5 電極材料對電解水的影響

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].實驗數(shù)據(jù)見表4.

表4 電極材料對電解水的影響（14%NaOH 溶液，9 V，3 min）

2 實驗結論

（1）時間對電解水的影響.由表2 和圖2 可知：當NaOH 溶液質(zhì)量分數(shù)為10%時，隨著電解時間的延長，生成氣體量越來越多，電解時間在3 min 時最適宜，生成的氫氧體積比最接近理論值，實驗效果最佳.

圖2 時間對電解水的影響（10% NaOH）

（2）NaOH 溶液質(zhì)量分數(shù)對電解水的影響.由表3 和圖3 可知，NaOH 溶液做電解質(zhì)時質(zhì)量分數(shù)在14%～18%之間反應速度最快，且在14%時所生產(chǎn)的氫、氧體積比最接近理論值，實驗效果最佳.當NaOH溶液濃度小時，電解液中的陰離子和陽離子的遷移速度很慢，隨著NaOH 溶液濃度增加，加速了陽離子和陰離子的遷移速度，當濃度過大電解液中水的含量會相對減少，從而使得電解速率降低[4].所以進行電解水實驗時采用質(zhì)量分數(shù)為14%的NaOH 溶液效果最佳.

圖3 NaOH 溶液質(zhì)量分數(shù)對電解水的影響

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

圖4 電極材料對電解水的影響（14%NaOH，9V，3min）

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

3 實驗反思

（1）因NaOH 有腐蝕性，若皮膚接觸電解液易受腐蝕，實驗需謹慎.

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

（3）在電解水實驗過程中氫氣與氧氣體積比偏離理論值原因主要是：陽極材料在電解過程中會被氧化溶于電解液且與氧氣反應減少氧氣的量，從而導致理論值有偏差；電解時間長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，且陽極和陰極有不同的電流效率[5，6].

（4）在進行電解水實驗時最好采用蒸餾水，因為自來水中的氯離子還原性比氫氧根離子更強，更容易失掉電子，導致誤差，且自來水中的其他雜質(zhì)會影響實驗效果.

（5）實驗過程中需要注意電解液與電極材料的匹配，這是影響實驗成敗的關鍵因素.