郭玲鳳

（江蘇省南通中學(xué)附屬實(shí)驗(yàn)學(xué)校 江蘇 南通 226500）

一、問題的提出

《義務(wù)教育化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2022年版）》將“水的組成及變化的探究”作為學(xué)生必做實(shí)驗(yàn)，現(xiàn)行各版本九年級化學(xué)教科書都編排了電解水實(shí)驗(yàn)，旨在通過正負(fù)極產(chǎn)生的兩種氣體成分推知水的組成，再結(jié)合正負(fù)極氣體的體積比為1∶2推出水分子的構(gòu)成。已有研究利用原裝J2606型霍夫曼水電解器或者自制水電解器對電極、電壓、電解液類別及濃度等實(shí)驗(yàn)條件進(jìn)行了探究［1-2］，也有老師設(shè)計新型水電解器將水的電解與生成物氫氣的點(diǎn)燃和檢驗(yàn)合二為一［3］，從而證明水的組成。但日常實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，正負(fù)極產(chǎn)生氣體的體積比常常小于1∶2。教學(xué)時大多教師一般會用氧氣、氫氣的溶解度差異進(jìn)行分析和解釋，那是不是這個原因呢？如何優(yōu)化實(shí)驗(yàn)設(shè)計以減小實(shí)驗(yàn)誤差呢？

二、正負(fù)極產(chǎn)生氣體體積比異常的探究

1.溶解度影響因素的分析

查閱資料可知，在20 ℃、1個標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下，1體積水中分別可溶解約0.018 體積的氫氣和0.031 體積的氧氣。30 mL霍夫曼水電解器（圖1）兩個支管的實(shí)際容積均為40 mL，計算可得溶解的氫氣和氧氣的體積分別約為0.72 mL和1.24 mL，理論差值約為0.5 mL。

圖1 常用的霍夫曼水電解器

2.實(shí)驗(yàn)探究

選擇石墨作為電解水的電極，分別選用10%硫酸鈉溶液、10%氫氧化鈉溶液作為電解質(zhì)溶液進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)3次的結(jié)果皆發(fā)現(xiàn)兩極產(chǎn)生的氣體體積差遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過理論差值，為了證實(shí)非實(shí)驗(yàn)的偶然性，反復(fù)多次實(shí)驗(yàn)，結(jié)果幾乎一致。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 用石墨作電極電解水

多次測量數(shù)據(jù)表明，兩極氣體體積差仍然超過理論差值且相同時間電解氫氧化鈉溶液比電解硫酸鈉溶液所獲得的氣體體積大，兩極氣體體積偏差相對較大。為了排除不是因?yàn)槿芙饽芰Χ鴮?dǎo)致的差異，分別先電解兩種溶液一段時間使其形成氣體的飽和溶液后，再繼續(xù)電解，發(fā)現(xiàn)兩極氣體的體積差仍偏大，且理論差值遠(yuǎn)大于0.5 mL，如表2 所示。顯然，無法用氫氣、氧氣溶解于水中的體積大小給出合理解釋。

表2 用石墨作電極電解水氣體體積差值比較

通過比較電解兩種溶液過程中氣體體積變化差值，我們還發(fā)現(xiàn)，電解硫酸鈉溶液氣體體積比變化不規(guī)律，而電解氫氧化鈉溶液氣體體積比逐漸趨于穩(wěn)定，之后保持在0.25∶1。再反復(fù)進(jìn)行多次實(shí)驗(yàn)，數(shù)據(jù)關(guān)系與上表相符。

已有研究文獻(xiàn)認(rèn)為，石墨作為電解水的電極材料時，正極的石墨與電解生成的一部分氧氣發(fā)生了氧化，產(chǎn)生少量二氧化碳，導(dǎo)致氫氣與氧氣的體積比高于2∶1。錢莉、丁偉等利用手持技術(shù)探究用石墨作電極電解水也同樣發(fā)現(xiàn)氧氣體積偏小，認(rèn)為，“氧氣體積偏小的原因是陽極產(chǎn)生氧氣的過程生成強(qiáng)氧化性的自由基，這些自由基與石墨進(jìn)一步反應(yīng)形成二氧化碳；另外，石墨電極的確會吸附氣體產(chǎn)生誤差，但其吸附性不是造成氧氣體積偏小的原因，因?yàn)槭珜錃獾奈侥芰?qiáng)于氧氣”［4］。

為了進(jìn)一步證明，我們將石墨電解硫酸鈉溶液正極所產(chǎn)生的氣體通入澄清石灰水中，石灰水變渾濁，說明正極氣體中的確含有二氧化碳；將石墨電解氫氧化鈉溶液正極產(chǎn)生氣體通入澄清石灰水中，石灰水不變渾濁，再將正極電解液加入澄清石灰水中，石灰水變渾濁。這是因?yàn)闅溲趸c溶液吸收了產(chǎn)生的二氧化碳?xì)怏w，產(chǎn)生碳酸根離子。通過對實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行計算發(fā)現(xiàn)，石墨電解氫氧化鈉溶液時約一半的氧氣轉(zhuǎn)化為二氧化碳。

三、電解水實(shí)驗(yàn)再設(shè)計

基于上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果及相關(guān)理論解釋，除石墨電極外，其他活潑金屬作電極也應(yīng)該會發(fā)生氧化作用。為證實(shí)這一猜想，我們用鐵釘、回形針、保險絲等常見金屬材料進(jìn)行電解水實(shí)驗(yàn)，氣體體積變化與理論差值差距也很大，且規(guī)律不明顯。

為避免較活潑電極對實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響，我們?nèi)匀贿x用霍夫曼電解器，用不易與氧氣反應(yīng)的鉑絲作電極，分別電解10%硫酸鈉溶液和10%氫氧化鈉溶液多次，并對正負(fù)極氣體體積差進(jìn)行分析，所得數(shù)據(jù)如表3、表4所示。

表3 用鉑絲作電極電解水實(shí)驗(yàn)

表4 用鉑絲作電極電解水氣體體積差值比較

通過這兩組數(shù)據(jù)的比較可見，使用鉑絲作電極進(jìn)行電解時，正、負(fù)兩極產(chǎn)生氣體的體積比接近1∶2。選用硫酸鈉作電解質(zhì)時，由于正極附近的硫酸根離子也會失去電子，形成過二硫酸根離子，從而導(dǎo)致正極產(chǎn)生的氧氣偏小，而且相對來說速率偏慢，不適合課堂演示。

為了解決氧氣比氫氣更易溶于水使得正負(fù)兩極體積比低于1∶2的問題，可先將氫氧化鈉溶液電解一段時間，讓兩種氣體形成各自的飽和溶液，再繼續(xù)電解，發(fā)現(xiàn)電解所得到的氣體體積比恰好為1∶2，如表4所示第8次和第9次電解10%NaOH 溶液的數(shù)據(jù)。反復(fù)多次實(shí)驗(yàn)，數(shù)據(jù)與理論相符。

四、實(shí)驗(yàn)結(jié)論與反思

綜上可知，用電解法測定水的組成時，用鉑絲作電極，氫氧化鈉溶液作電解質(zhì)溶液較為合適。實(shí)驗(yàn)時，預(yù)先將氫氧化鈉溶液電解約5 min，待形成氧氣和氫氣的飽和溶液后，放掉氣體，課堂中再實(shí)驗(yàn)可獲得理想的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。夏天室內(nèi)氣溫較高時，選擇10%氫氧化鈉溶液作為電解質(zhì)溶液比較合適。當(dāng)秋冬季室內(nèi)氣溫較低，用10%氫氧化鈉溶液作為電解質(zhì)溶液速率較慢，用15%氫氧化鈉溶液進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，速率較為適中。所以選擇氫氧化鈉溶液濃度時，要考慮周圍環(huán)境溫度。

使用霍夫曼電解器進(jìn)行電解水實(shí)驗(yàn)，操作簡單，耗時少，現(xiàn)象明顯，適合作為學(xué)生的分組實(shí)驗(yàn)。上述實(shí)驗(yàn)過程，也可以設(shè)計為學(xué)生的課后探究活動。引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行對比實(shí)驗(yàn)，分析數(shù)據(jù)、查閱文獻(xiàn)、推理原因、進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的再設(shè)計優(yōu)化。這種真實(shí)的實(shí)驗(yàn)探究活動，能幫助學(xué)生初步形成化學(xué)實(shí)驗(yàn)探究的一般思路與方法，知道科學(xué)探究是獲取科學(xué)知識、理解科學(xué)本質(zhì)的重要途徑，培養(yǎng)學(xué)生基于實(shí)驗(yàn)事實(shí)進(jìn)行證據(jù)推理的能力［5］。

致謝：本文在寫作過程中還得到了江蘇省特級教師李德前的指導(dǎo)，謹(jǐn)表謝意。