电解水实验探究报告

电解水实验探究报告
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。

电解水在通电下总反应方程式为:2HO2H?，O? 222
+ - - _ - 阴极:2H+ 2е==H? 阳极:4OH4е==2HO+O? 222
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
4表7-1 正交表1 L(3) 9
因素电压E/V 硫酸浓度(%) 电极材料电极距/cm 1 6 5 铁钉 4 试验号 (硫酸)/%
2 6 10 碳棒 6
3 6 15 保险丝 8
4 12
5 碳棒 8 5 12 10 保险丝 4
6 12 15 铁钉 6
7 1
8 5 保险丝 6 8 18 10 铁钉 8
9 18 15 碳棒 4
表7-2 -1 反应体积比例评价标准实验结果评价(氢气氧气比例) 分数
2:1 100
1.75:1-2:1或2:1-
2.25:1 90-99 1.5:1-1.75:1或2.25:1-2.5:1 80-89 1.25:1-1.5:1或2.5:1-2.75:1 70-79 1.0:1-1.25:1或2.75:1-
3.0:1 60-69
表7-2-2反应时间评价标准
实验结果评价(产生气体时间) 分数
90-120 100
70-90或90-110 90-99
50-70或110-130 80-89
30-50或130-150 70-79
<30或>150 60-69 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
编号气体体积比分数分数总分数反应时间
(s) 1 2.1:1 96 210 62 89 2 2.9:1 64 222 61 63 3 2:1 100 78 94 99 4 3.0:1 60 157 68 62 5 2.3:1 88 50 80 86 6 1.9:1 96 53 81 93 7 1.9:1 96 120 100 97 8 2.1:1 96 28 68 90 9 2.9:1 64 23 68 93
表7-4因素水平分析表
电压E/V 电解液浓度电极材料电极距/cm
K 251 248 272 268 1(硫酸)/%
K 241 239 218 253 2
K 280 285 282 251 3
k 84 83 91 89 1
k 80 80 73 84 2
k 93 95 94 84 3
R 13 15 19 5 主次顺序电极材料,电解液浓度,电压,电极距
A B C D 3331优水平
A B C D 3331优组合
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》。