电解水实验教学研究

摘要：

   电解水实验是初中化学教学中的一个重要的实验，本实验从电极材料、电解液浓度和电压以及电极距进行分析，探索用简易装置在不同的条件下进行“电解水”实验时所产生的H2、O2对电解速度的影响。同时用正交试验法找到使氢、氧气体积比接近2：1的实验条件，找到最佳组合。

1          前言：

电解水实验是中学化学课本中一个非常重要的实验。该实验主要是验证水是由氢、氧两种元素组成的，实验的理论现象为：通电后，电极上出现气泡，一段时间后所收集到的氢、氧气体积比约为2：1。影响该实验的因素有以下几个：电解质种类、电解液浓度、电极材料、电极距、外加电压。通过探究的过程，利用正交实验法探究影响水电解实验的因素以及实验最佳条件。

2          实验原理：

水在通电情况下会发生水解，氢离子向负极移动，氢离子得负极电子而变成氢气，故阴极产物为氢气，而氢氧根离子向正极移动，氢氧根在水的参与下失去电子而得到氢离子和氧气，故阳极产物为氧气。其体积比为2：1，以此可以确定水的组成成分。纯水导电能力不强，电解速度慢，因此为改善这个问题，加快电解速度，可加入适量电解质来增强水的导电能力，本实验采用硫酸作为电解液，对电解液浓度，电压和电极矩三个因素进行分析比较，以便好中选优。

水在通电下总反应方程式为：2H₂O2H₂↑＋O₂↑

阴极：2H⁺ + 2е^- ==H₂↑         阳极：4OH^{- _} 4е^- ==2H₂O+O₂↑

3          仪器与试剂：

3.1仪器：

直流稳压电源、电极（铁钉、碳棒、保险丝）、饮料瓶、刻度试管（10ml)、导线、胶塞(一号）、1000ml烧杯、火柴、量筒、尺子、剪刀、秒表、酒精灯

3.2试剂：  蒸馏水、浓硫酸（98%）

4  实验部分：

(1)根据因素水平表，按正交表1 L9(34)进行实验。

(2)将饮料瓶剪成水槽状，按电极距要求打孔，装入电极，用蜡封好，检验是否密封完好。

(3)分别配置质量分数为5%、10%、15%的硫酸溶液，装入广口瓶中备用。

(4)按图7-1所示将饮料瓶与电极组装成简易的电解水装置。

(5)将直流稳压电源调节到所需电压，关闭。将正、负极与电极接好，打开开关并立刻计时，当负极收集的氢气为6ml时关闭开关，停止计时，读出正极收集的氧气的体积。

图7-1：电解水简易装置图

表7-1 正交表1  L₉(3⁴)

表7-2 -1    反应体积比例评价标准

表7-2-2反应时间评价标准

5 结果与讨论：

5.1数据记录及处理   

表7-3实验数据记录表

表7-4因素水平分析表

5.2实验结论

本文利用试验正交法探究不同的电极材料、电解液浓度、电压和电极距对实验效果的影响中，电极材料是最主要的影响因素，电极距是最次要影响因素，本实验达到最好效果的电极材料为保险丝，电解液浓度为15%的硫酸，电压为18v，电极距为4cm。

5.3 讨论

实验的理论现象为：通电后，电极上出现气泡，一段时间后所收集到的氢、氧气体积比约为2：1。但在一般情况下，氢气与氧气的体积比值一般大于2:1，原因有下面两种 ：

　1.氢气和氧气的溶解性的差别，氢气难溶于水，氧气不易溶于水（1L水30mL的氧气）所以一小部分氧气溶于水，比值大于2：1.

2.电极氧化消耗了一部分氧气，ρO2=1.429g/mL ， ρH2=0.089g/mL

（其中氢，氧两种分子数比值：2:1；氢气，氧气的质量比值：1:8）

6  参考文献

[1] 刘怀乐.中学化学教学实证与求索[M].重庆：西南师范大学出版社.2002：

[2] 华彤文,陈景祖等. 普通化学原理（第三版）[M]. 北京：北京大学出版社.2005：

[3]中学化学教师手册编委会.中学化学教师手册[M]. 北京：科学普及出版社.1981：

[4]  王克勤，逯俊玲,左志军.酒精灯加热温度的测定研究[J].化学教学， 2003，（11）：

[5]  《中学化学实验大全》《中学化学教法》《中学趣味实验》

第二篇：电解水实验的改进装置探讨

电解水实验的改进装置探讨

             化学系本0802班  孙涓   王艳芳  李婧

             指导教师：范建凤

电解水实验的改进装置探讨

摘要：为了验证水是由氢和氧两种元素组成的，由水的电解实验来探讨。但由于实验中气体的量比较少，现象不明显。且学生不易动手去做受到条件的限制。

关键词：电解水 改进装置

正文：

一 引言  随着中学化学实验的的普及和重要性探讨创新性实验变得十分重要，因此本次电解水实验讨论代用装置和改进变得十分有意义。

二 内容

1．实验原理

电解水装置的简单示意图如下

工作原理 由A和C两电极浸入含有Me⁺离子和X-离子组成溶液的电解池中，在两极的上端分别与直流电源的正、负两极接通时，直流电源便起着一个电子泵的作用;将电子压入C，又从A将电子抽回电源。由于溶液中并不存在自由电子，因此当通过电流时，在电极-溶液界面上就会发生某种或某些组分的氧化还原，使得在C处消耗电子，而在A处放出电子。这个过程就是氧化-还原反应。电极C就是通常所说的阴极(和电源负极相接)，在它附近的离子或分子由于接受电子而被还原;而在阳极A处(与电源正极相接)，由于离子或分子产生电子而氧化。总的电解池反应是两个电极半反应的总和。当电解进行时，离子不断向两极迁移，正离子(阳离子)向阴极迁移，负离子(阴离子)则向阳极迁移。

这种以金属盐水溶液为电解质进行提取或处理金属的电化冶金方法，简称电解，是一种将电能转变成化学能的过程。 由于水是弱电解质，故自由离子比较少，会使反应速率较慢，所以实验中加入少量的稀硫酸溶液。

阳极析氧         2H₂O→O₂+4H⁺+4e

碱性溶液中       4OH-→O₂+2H₂O+4e

2．装置改进

方法一   使用医用5 ml注射器两个，5号电池碳棒两个，汽水瓶盖两个，500ml烧杯一个，低压电源，导线两根，木条，蜡烛一支。

电极制作如下图  

（1）在木条相距4厘米间打两个小孔，大小使注射器针头刚好插入。

（2）将导线缠在碳棒两端，瓶盖的侧面孔使导线插入，上面的孔使碳棒插入，最后如图将导线和碳棒插出，为使铜丝不被电解，向瓶盖内滴蜡水将连接处密封起。

                                                                     

实验步骤

a) 将两个针管电极放入烧杯底部如下图

b) 拔去注射器的针头，按下图插入水中，套在碳棒上，当空气排尽后装上针头固定注射器。

   

c) 将导线和电极相连，接通电源后注射器内产生气泡，与负极相连的产生的是氢气先充满，与正极相连的产生的是氧气后充满。

d) 气体的检验如下图

方法二  使用两支小试管代替霍夫曼电解器的两个尖嘴管

    a) 准备两支小试管，用铁丝两边弯曲用皮筋固定铁丝和试管，将铁丝挂在烧杯壁上，固定了试管如下图。

    b)接通电源，收集气体，验纯同方法一

3.实验结果

酸性条件下（硫酸）

           阴极H2（ml）  阳极O2（ml）   时间（s）      体积氢比氧 

铅棒             4              1.9         40              〉2：1

碳棒             4              1.7         52              〉2：1

铜棒             4              0.0         150             0

因此在此条件下铅棒做电极最好

碱性条件下（氢氧化钠）

          阴极H2（ml）   阳极O2（ml）   极距（cm）   时间（s）   体积氢比氧 

铁棒            4              2.2            6             90         = 2：1

                               2.0            1             70        〈 2:1

碳棒            4              1.4            6             80         〉2：1

铜棒            4              1.8            6             50         〉2：1

因此在此条件下铁棒做电极最好并且极距越小越好

参考文献

·   傅祟说,冶金溶液热力学原理与计算,第2版,冶金工业出版社,北京,1989。

·   钟竹前等,湿法冶金过程,中南工业大学出版社,长沙,1988。

·   赵天从,重金属冶金学,冶金工业出版社,北京,1981。