电解水8人组.doc

设计实验方案报告书 开课学期： 2011 至 2012 学年第 2 学期 姓名： XXX 学号： 09060447003 专业： 化学教育 班级： 三班 实验项目名称： 电解水实验教学研究 指导教师： XXX 填表时间： 2012 年 4 月 24 日电解水实验教学研究一、 文献综述传统的制氢工艺方法有：电解水；烃类水蒸汽重整制氢方法及重油(或渣油)部分氧化重整制氢方法。电解水方法制氢是目前应用较广且比较成熟的方法之一。水为原料制氢工程是氢与氧燃烧生成水的逆过程，因此只要提供一定形式一定的能量，则可使水分解成氢气和氧气。提供电能使水分解制得的氢气的效率一般在75%-85%。其中工艺过程简单，无污染，但消耗电量大，因此其应用受到一定的限制。目前电解水的工艺、设备均在不断的改进，但电解水制氢能耗仍然很高。随着氢气用途的日益广泛，其需求量也迅速增加。通过电解水制氢从第一台制氢设备问世以来，至今已有二百多年历史。由于该法通过水的电解容易获得而又基本不消耗其他原料；设备简单、稳定可靠、操作管理方便；生产无污染；制得的氢气又是诸多制氢方法中公认的纯度高、杂质含量少、适用于各种用氢场所，具有高适应性的气体；故一直被广泛采用。缺点是电耗大。针对降低电耗，进一步提高制氢系统的稳定可靠运行性和高度自动化无人值守的操作使用性，国内外从事水电解制氢研究与生产的科技人员，不断展开改进研制、试验和生产实践，水电解制氢技术不断地取得进展。水电解制氢设备主要生产国家有：1.美国以生产小型精巧型水电解制氢设备而著称；2.德国以生产大型中压水电解制氢设备为主；3.中国八十年代前以仿苏常压型为主，八十年代后以自行研制设计的中压型为主；4.挪威以生产大型常压水电解制氢设备名扬世界；5.俄罗斯、加拿大以生产常压型水电解制氢设备为主；6.少数国家生产箱式结构槽、单极式槽的水电解制氢设备已被淘汰。水电解制氢技术应用广泛成熟。但是，随着世界经济的发展，科技的进步，仍有许多工作需进一步改进和开发。综合当前的研究和生产应用现状，发展趋势为：（一）进一步降低设备电能消耗，措施有：（1）研究出一种薄型新材料隔膜取代原来的石棉布隔膜；（2）改进采用多孔催化电极；（3）太阳能、风能水电解制氢设备的研究开发；（4）制造和推广在能耗最佳的3.2MPa压力下工作的水电解制氢设备。（二）进一步降低设备制造成本：降低设备制造成本最关键的是提高电解槽的电流密度，电流密度提高一倍，设备生产能力就提高一倍，这样电解槽体小质轻，制造成本自然大大下降。还可以采用石棉布隔膜垫片或采用碳钢材质并内外化学镀镍工艺的设备。（三）进一步向设备大型化方向发展。目前电解水实验是中学化学一个非常重要的演示实验。该实验不仅为探究水分子的构成提供了有用资料,而且有利于学生认识构成物质的微粒(原子、分子)之间的关系,有利于学生理解化学反应的实质和质量守恒定律。在现行的实际操作中，用纯水电解无论用何种材料做电极，外加电压加大至12V，要收集到一定体积氢气和氧气都需要较长的时间，即实验效果不明显。因此，为使实验效果明显，中学教师往往会加人一定浓度的NaOH或H2SO4溶液。因而影响该实验效果的因素有电极材料、外加电压、温度，还有加入的NaOH或H2SO4的浓度等。参考文献 1.电子工业部第十设计院.氢气生产与纯化.黑龙江科技出版社，1983.2.中国动力工程学会工业气体专委会，中国通用机械气体分离设备行业协会.94 工业氢气的制取和净化技术交流会论文集，1994.3.湖南省工业气体专委会.水电解制氢氧，1996.4中国工业气体专业委员会.氢能技术研讨会论文集，2002.5.中国动力工程学会工业气体专委会，中国通用机械气体分离设备行业协会.制氢技术交流会论文集，2003.6.中国工业气体协会氢气专业委员会.氢气生产、技术、经验交流会文件汇编，2004.7.Teledyne Energy Systems INC.USA.Specifications of Teledyne Titan HM Gencrator Series,2003.二、 实验目的1 知识与技能 理解在不同电解质环境中电解水的原理及其规律；了解水的元素组成及其比例；2 过程与方法 通过本实验进一步理解电能与化学能之间的关系； 了解电解质对电解的作用； 探究各因素对电解水实验的影响，寻求最优实验条件； 掌握正交实验法探究实验条件的原理及操作；3.请感态度与价值观 培养学生“以教师的姿态”做好实验的准备工作以及进行演示的初步能力； 了解人类认识物质世界的过程和方法，培养学生科学探究的精神。三、 实验仪器与试剂实验仪器：低压直流电源、 碳棒、铁丝、保险丝、量筒试剂：硫酸 5%、10% 、15% 四、 实验方案设计实验原理：1、正交实验设计是安排多因素实验、寻求最有水平组合的一种高效率实验设计方法。通过对部分实验结果的全面分析了解全面实验情况，找出最优水平组合。2、水可以被直流电源还原和氧化，负极还原为氢气，正极氧化为氧气，理论上氢氧比例为2:1。水中存在氢离子和氢氧根离子，在通电的情况下，氢离子向负极移动，而氢氧根离子向正极移动，氢离子得负极电子而变成氢气，氢氧根在水参与下失去电子而得到氢离子和氧气，得到的氢离子又移向负极，从而接通外部电源成为回路。电解水方程式：产生的氧气和氢气体积比为。纯水导电能力不强，电解速度慢，所以要改善这个问题，加快电解速率，可加适量的稀硫酸等电解质来增强水的电解能力。而电解质种类、电解液浓度、电极材料、两电极间的距离和电压都是影响实验的因素。实验过程： 1、实验装置图2、按上图组装仪器。3、取电解溶液装入水槽并装满试管。4、连接好电源、导线、开关。5、闭合开关同时开始计时。观察实验现象并记录收集到20ml H2时所用时间以及收集到的O2的体积。6、按表51进行实验。7、试验结束后，先打开开关。最后整理台面。实验水平的确定： 在试验中,由于因素所处的状态和条件不同,可能引起指标的变化,因素的这些态和条件称为水平。51 因素水平表因素序号电极距/cm电解液H2SO4浓度C（molL）电极材料D电源电压E（V）145%铁钉62610%碳棒123815%保险丝18表52 实验最佳条件探究实验序号电源电压/电解液浓度/（molL）电极材料电极距/cm111112122231333421235223162312731328321393321实验结果与记录：（以收集H2体积6+-0.3mL为终点记录时间）实验序号H2/mLO2/mL时间/S评分评分标准16.02.2191691、体积H2:O2比例为2:1占80%2、每个实验时间控制在90120S之间占20%26.11.6162.667.636.02.997.19646.01.2147.66456.03.149.492.466.13.141.092.676.03.691.583.686.22.926.081.296.02.221.868.4K1232.6216.6242.8229.8K2249241.2200243.8K3233.2257272241.2k177.572.280.976.6k28380.466.781.3k377.785.790.780.4最优水平2332最优组合电极距6cmH2SO4浓度15%材料保险丝电源电压12V五、 实验中可能遇到的问题及解决办法：1、 得到的氢气：氧气体积之比可能不是2:1，原因有可能是漏气，所以要在实验过程中注意检验装置的气密性。2、 由于氢气、氧气的溶解度不同，可能会引起实验误差。3、 检验氢气时要检验氢气的纯度，方法是收集氢气在试管中，用