电解水实验装置的改进及实验探究

金荧荧　周勇杰　曹雁　徐华

摘要： 初中科学课程中通过电解水的实验对“水的组成”进行验证。在实验验证过程中由于电解质溶液、电极材料、直流电源电压等原因，使得反应速率缓慢、效果极不明显。通过探究水的电解实验的最佳条件，进而设计了一款适用于家庭实验的装置。

关键词： 水的电解； 实验装置改进； 实验探究

文章编号： 10056629（2023）10006704 中图分类号： G633.8文献标识码： B

1 问题提出

科学教材七年级下册（华东师范大学出版社）中的水电解实验，可以帮助学生更好地理解水的微观结构和宏观组成，因此备受教师重视。但水的电解实验仍然遇到了一些问题，主要体现在以下几方面：首先，演示实验的时间相对较长；其次，验证氢气时，观察火焰颜色的效果不够明显；第三，碳棒、铁棒等电极材料极易被氧化，使得该实验课堂演示的实施比较困难。

2 文献中对于水电解实验的改进案例

许多中学化学教师对水电解实验的条件进行了探索，如吴永信等人提出5%硫酸钠溶液作电解液，可获得较好的实验效果且符合绿色化学的原则［1］。邹振惠等人认为电解质溶液最适宜的浓度为10%～13%，溶液太稀，电解速率明显减慢；太浓，电解速率增加不明显，却加大了电解液的腐蚀性［2］，但没有明确指出电解质溶液的种类。张广学提出使用10%～20%的碳酸钠溶液作为电解质溶液［3］。刘海燕等人则对溶剂的选择进行了探讨，认为自来水中的离子对实验会产生干扰，从而导致氧气产量降低，因此建议使用蒸馏水作为溶剂［4］。

在电极材料选择方面，为了减少电解时的电极副反应，汪阿恋等人指出最好采用惰性电极，如铂电极、石墨电极等。然而，铂电极价格昂贵，石墨电极因其结构松散易吸附气体，并不是最理想的电极材料［5］。解树生则认为用回形针或其他镀镍材作为电极材料，可以获得较好的实验效果［6］。龙威则建议在碱性溶液中用铁、在酸性溶液中用铅［7］。由于304不锈钢具有强耐碱性，姜跟华提出可以将它用作电极［8］。

在电压的选择上，张广学认为，合适的直流电压为10～15V。过大的电压会导致电解反应难以控制，同时碱性溶液容易产生泡沫［9］。邹振惠则认为用6V或12V整流电源新电池，以获得较快的反应速率［10］。此外，陈国建也提出要提高电解速率则要增强电流［11］。

针对上述问题，本文从电解质溶液、电极材料和直流电压大小等方面进行研究，探究水电解实验的最佳条件，并设计了一款自主创新、适用于学生家庭实验的水的电解装置。

3 实验部分

3.1 实验材料

氢氧化钾、氢氧化钠、碳酸钠、硫酸钠、硝酸钾、自来水、去离子水、J1202中小学学生电源（0～12V）、铜丝、石墨棒、锌片、304不锈钢（燕尾夹）等

3.2 实验装置与设计

改进后的水电解装置由三部分构成，分别是收集装置、电解槽以及电源，如图1所示。其中，注射器容积为1mL。

实验前，先检查收集装置的气密性。带有宠物针软管的注射器浸没于水中，用燕尾夹将其夹紧。若注射器下方液体未流出，则气密性良好；若注射器下方水流出，则再次检查气密性，直至没有液体流出。接下来，连接正负极导线，将电压调至9V。

将收集装置放入电解槽内，夹紧燕尾夹。然后，确保下方电极与导线相连，打开电源。观察阴极和阳极产生的气体，其中阴极产生气体的速率更快。

通电15～20s后，关闭开关。等所有气泡均消失后，读取注射器上方刻度并记录，检验阴阳极所产生的气体。重复实验三次，并计算气体产生速率。

3.3 实验结果讨论

3.3.1 电解质溶液最佳浓度

分别利用溶质质量分数均为12%的碳酸鈉、硫酸钠、氢氧化钾、氢氧化钠和硝酸钾溶液进行水电解实验，实验结果列于表1。为了更直观比较各种溶液的反应速率，我们用柱状图描述氢气产生的速率，如图2所示。其中，强碱溶液水电解速率最快，在几种常见盐类中，碳酸钠溶液产生氢气的速率最快。

此外，在实验过程中，同时还利用了去离子水和自来水作为对照组。自来水（或去离子水）几乎不产生氢气，说明当水中不存在或存在极少量离子时电解速率极低，因此在实验中必须加入电解质溶液。以碳酸钠作为溶质，分别用自来水和去离子水作为溶剂又进行了对照实验，发现没有明显区别。因此，我们在实验过程中使用更易获得的自来水作为溶剂，这使得水电解实验作为家庭实验成为可能。

接下来，利用碳酸钠溶液及氢氧化钠溶液进行电解质溶液最佳浓度的探究，实验结果如图3所示。图3（a）中，当浓度低于12%时，随着碳酸钠溶液浓度增加，氢气产生速率不断增大。当浓度高于12%时，电解速率反而随着浓度增加而减小。主要由于低浓度下，随着溶液中的离子数量增多，电导率增大，从而加快电解速率。当浓度超过12%时，由于阴阳离子间距离变小，静电作用迅速增大，导致阴阳离子发生缔合，形成中性粒子［12］。这些中性粒子对碳酸钠溶液的电导率没有贡献，因此导致电解速率减小。

图3（b）中能够观察到氢氧化钠溶液的最佳浓度为18%。当溶质质量分数为18%时，水电解速率最大。在质量分数为12%～18%时，溶液导电能力随着浓度增大而增加。工业上用于水电解的浓度大致为20%，与本实验最佳浓度18%非常接近［13］。这表明不同种类的电解质溶液具有不同的最适宜浓度。

即便氢氧化钠溶液产生氢气的速率非常快，但氢氧化钠腐蚀性极强，无法保障学生在实验过程中的安全。因此，它不适合作为学生家庭实验的电解质溶液。所以在后续实验中选择12%的碳酸钠溶液作为电解质溶液最为合适。

3.3.2 电极材料的最佳选择

对于电极材料的选择，需要进一步考虑气体产生效率的问题。选择电极材料时，要遵循以下四原则：（1）电极材料必须是高电导率的良性导体；（2）电极材料与电解质不发生化学反应；（3）电极材料不与生成物发生化学反应；（4）电极材料表面积尽量大，增大与水的接触面积以加快反应速率［14］。

实验结果如表2和图4（a）所示，在相同直径为3.00mm时，不锈钢燕尾夹和铜丝电极电解速率无明显差异。但是不锈钢硬度较大，不利于研究电极表面积

对水电解速率的影响。因此，在后续探讨电极材料表面积对水电解速率影响时选用生活中易于获得、材质较软且导电性较强的铜丝作为电极材料。

我们将铜丝分别缠绕成1圈、2圈和3圈，发现随着电极表面积的增加，水电解速率也增加，如表3和图4（b）所示。电极表面积越大意味着电解速率更快。然而，铜丝虽然电解速率较快，但极易被氧化生成碱式碳酸铜，因此不适合重复使用。所以不锈钢燕尾夹是最佳的电极选择。

3.3.3 直流电压的最佳大小

为了促进水的分解，必须施加超电压［15］。如图5所示，在室温下，改变直流电压进行实验。当电源电压为1.5V时，无法产生氢气和氧气，说明此时电压未达到实际分解电压［16］。当直流电压为3～9V时，产生氢气的速率随着电压的增加而不断增大且变化率较快。当电压为12V时，虽然产生氢气的速率仍然在变大，但是变化率减慢。同时，较高的电压会产生大量气泡，影响气体体积的观测。因此，使用9V直流电压作为电源最为合适。

3.4 实验过程中的几点注意

（1） 为了使每次实验过程中初始条件相同，重复实验时要将电解质溶液倒出搅拌至溶液中离子均匀分布。

（2） 为了使实验更加精确，须待电极产生气体时再开始计时。

（3） 实验过程中，须保持实验台干燥，防止触电、漏电等现象。

4 结语

通过综合分析，电解质的种类和浓度、电极材料以及直流电压大小是水电解实验的关键因素。以绿色安全为原则，设计水电解的学生家庭实验，选择12%的碳酸钠溶液作为电解质溶液、不锈钢燕尾夹作为电极、9V直流电压等作为装置的主体部分，这对科学的家庭实验教学有一定的参考价值。

参考文献：

［1］吴永信， 孙燕平， 何成功等. 土法电解水的实验［J］. 西北师范大学学报（自然科学版）， 1974， （2）： 16～18.

［2］［10］邹振惠. 电解水实验的再探讨［J］. 化学教育， 2000， （11）： 45.

［3］张广学. 电解水实验减小实验误差的几点建议［J］. 教学儀器与实验， 2000， （12）： 14.

［4］［9］［14］刘海燕， 张云杰， 于连生. 注重绿色实验教学改进电解水实验方法［J］. 黑龙江医药科学， 2007，160（2）： 38～39.

［5］汪阿恋， 吴新建， 张贤金等. 霍夫曼水电解器的实验条件探究［J］. 福建基础教育研究， 2022， 160（4）： 112～114.

［6］［13］解树生. 电解水实验探析［J］. 化学教与学， 2012， 327（3）： 94～96.

［7］龙威. 非铂电极电解水实验的探究［J］. 教学月刊（中学版）， 2010， 505（6）： 55～56.

［8］姜跟华. 电解水实验的再改进［J］. 化学教学， 2023， （3）： 73～75.

［11］陈国建. 电解水实验方法的探讨［J］. 化学教学， 1998， （4）： 7～8.

［12］傅献彩.物理化学（第五版）（下册）［M］.北京：高等教育出版社，2006：19.

［15］［16］Edited by Ohta T.. Solar-Hydrogen Energy Systems. Chap.3-Water Electrolysis ［M］. Oxford： Pergamon， 1979： 35～58.