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。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。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↑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1L9(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1L9(34)因素试验号电压E/V硫酸浓度（%）（硫酸)/%电极材料电极距/cm165铁钉42610碳棒63615保险丝84125碳棒851210保险丝461215铁钉67185保险丝681810铁钉891815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2：11001.75:1-2:1或2:1-2.25:190-991.5:1-1.75：1或2.25:1-2.5:180-891.25:1-1.5：1或2.5:1-2.75:170-791.0:1-1.25:1或2.75:1-3.0:160-69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90-12010070-90或90-11090-9950-70或110-13080-8930-50或130-15070-79<30或>15060-695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反应时间（s）分数总分数12.1:196210628922.9:164222616332:110078949943.0:160157686252.39:19653819371.9:1961201009782.1:19628689092.9:164236893表7-4因素水平分析表电压E/V电解液浓度（硫酸)/%电极材料电极距/cmK1251248272268K2241239218253K3280285282251k184839189k280807384k393959484R1315195主次顺序电极材料＞电解液浓度＞电压＞电极距优水平A3B3C3D1优组合A3B3C3D15.2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