电解水实验条件探索与装置改进1

1、第4期娄底师专学报No.42001年10月JournalofLoudiTeachersCollegeOct.,2001电解水实验条件探索与装置改进金乐1,郭建平1,戴丽鸿2(1.娄底师范高等专科学校化学系,湖南娄底417000;2.双峰甘棠中学,417500)摘要:探索用简易装置在不同的条件下、H2、O2体积之比及其对电解速度的影响。同时找到了使氢、氧气体体积比非常接近,提高了实验效果。关键词:电解;电极;电解液;氢气;氧气中图分类号:O6-334;G633.8:1008-1666(2001)04-0037-03ExperimentalConditionofElectrolysisWatera

2、ndImprovementinDeviceJINLe1,GUOJian2ping1,DAILi2hong2(1.DepartmentofChemistry,LoudiTeachersCollege,Loudi,417000,China;2.ShuangfengGantangMiddleSchool,Shuangfeng,417500,China)Abstract:Inthispaper,thevolumeporportionofH2,O2andtheeffectonelectrolyticvelocityduringtheexperimentofelectrolysisofH2Owithasi

3、mpleapparatusundervariousconditionsandwithvariouselectrodearediscussed.AtthecondtionthevolumeporportionofH2andO2closeon21andwithanimprovedtheexperimentaldevicesandtheeffect.Keywords:electrolysis;electrode;electrolyticsolution;hydrogen;oxygen中学化学教材中“水的组成”是通过“电解水”实验,在阴阳两极收到氢气与氧气,且体积比为21来证明的。“电解水”实验需用霍

4、夫曼电解器材才能收到好的效果。由于霍夫曼电解器价格昂贵,而中学一般经费不够,常用简易装置来电解水。通过作者多年的教学实践和中学实验条件的探索,一般中学目前使用的都是简易电解水装置,大学教学法电解水实验也常用“改进前”简易实验装置来进行水的电解,效果非常不理想,缺点很多,如将收集气体的试管放入或取出时,手会被电解液粘污而被腐蚀;还会将杂质带入电解液中。另外检验氢气、氧气的体积时操作很不方便,效果很差,只能看到电解现象,不能准确量出氢气、氧气的体积比。给教学带来很多不便。根据中学化学实验和教学法实验中电解水的实验1,2,我们通过多次探索,终于找到了理想的电极材料和找出了用简易装置电解水的最佳条件,

5、为教学解决了经费不够,仪器简陋的难题。改进后的实验装置(见装置2,此装置是作者自制)的优点是:电解液用洗耳球吸入刻度试管进入导管,不必用手进入电解液中进行操作。可从上部导管处直接收集氢气、氧气、既能量出体积又可检验气体,检验时的演示效果很清晰,教室最后一排学生都能看清实验现象。并且操作简单、方便、效果好、装置价廉又简便可行。1仪器与药品1.1仪器直流电源(SX1718型、苏州电讯仪器厂)、分析天平(TG328B型、湘仪天平仪器厂)1.2药品氢氧化钠、浓硫酸(均为化学纯)2实验部分2.1电解水实验装置的改进:在教学法电解水的实验和中学化学电解水实验中,一般是用改进前(图1)的简易装置,但是,由于

6、前言所述原因,必收稿日期:2001-04-02,修订日期:2001-06-05第一作者简介:金乐(1956-),女,湖南邵东人,娄底师范高等专科学校化生系高级实验师,研究方向:无机化学及实验教学。娄底师专学报总第67期38须将其进行改进(见图2)。图1改进前电解水实验简易装置图2.2实验条件2.2.1实验方法,2,吸电解液至止水夹处(试管中不能留有气泡)。通电一段时间后,记录氢气、电解液浓度、电极形状、电极距离、通电时间,分别进行实验、再记录氢、2.2.21)电解质浓度对电解水的影响:用20%的氢氧化钠作电解液,电压不变为10V时,实验结果如下表1:用18硫酸作电解质,电压为15V,通电时间1

7、min,实验结果如下表2。表1用20%氢氧化钠作电解液,电极材料对电解水的影响电极材料碳棒铜丝保险丝电阻丝铁丝通电时间(min)VHVO6.91.057.73.356.92.957.33.46.513.23322(ml)4.91.28.93.4583.558.84.057.613.752由表1可知,以氢氧化钠作电解液时,铁丝(用砂纸磨光擦亮,实验前必须进行预电解)是较好的电极材料,所产生的氢、氧气体积比最接近21,实验效果很明显。表2用18硫酸作电解液,电极材料对电解水的影响电极材料铜丝电阻丝保险丝氧气量极少由表2可知,以硫酸作电解液时,保险丝(湘潭保险丝厂出品,0.5A,使用前用砂纸擦净,必

8、须先进行预电解)是理想的电极材料,但相对来说,当以非铂系金属为电极时,以氢氧化钠为电解液比稀硫酸更为理想。因为用NaOH作电解液,铁钉作电极时,铁钉在阳极表面形成不溶于氢氧化钠的氧化物保护膜,这就避免了电极材料在电解过程中不断地溶解和氧化;不至于使生成的氧气又被氧化、溶解,使生成的氧气量减少。用碳棒作电极时,由于碳棒对气体的吸附作用强,氧气在碳棒上的超电势高,导致氢、氧气体积偏离21这个比值较大。用H2SO4作电解液时,铜丝、电阻丝在阳极不断被氧化而溶解在酸中,使生成的氧气量大大减小,造成较大误差。2)电解质的浓度不同,电压相同(10V)实验结果如下表3表3不同浓度的NaOH对电解水的影响浓度

9、(%)51012151820通电时间(min)VHVO3.81.855.82.855.92.8573.3573.4226.513.233(ml)4.52.26.22.956.73.37.93.7583.857.613.752由表3可知,用氢氧化钠作电解溶液时浓度在15%-18%之间,速度最快。保险丝作电极,不同浓度的H2SO4作电解液,电压不变(10V),实验如表4总第67期金乐,郭建平,戴丽鸿:电解水实验条件探索与装置改进39表4不同浓度的H2SO4对电解水的影响浓度(v/v)1718110115通电时间(min)VHVO(ml)7.63.68.43.957.33.455.92.953227

10、.63.557.63.556.63.055.062.32由表4可知,当用硫酸作电解液时,硫酸的浓度为18产生的气体速度最快。用硫酸或氢氧化钠作电解液实质上是电解水,是因硫酸或氢氧化钠是强电解质能增强水的导电性。但当电解液浓度减小时,电解液中阴、阳离子迁移速度慢,反之,增大电解液浓度加速了阴、阳离子的迁移速度,同时电解速度加快,则其中水的含量相对减小,单位时间内与电极接触的H+和OH-减少,电解速度则又降低。2.2.3电极距离对电解水的影响以保险丝作电极,18硫酸作电解液,电压为10V,:表5电极距离(mm)81通电时间(min)VHVO(4.2358.744.158.33.952224.258

11、.43.957.93.77.73.551由表5可知,电解速度越快。原因是:电极距离越近,阴、阳离子迁移速度越快,则电解速度越快。2.2.4电极形态对电解水的影响以保险丝作电极,18硫酸作电解液,通电1min,电压为15V时实验结果如表6:表6电极形状对电解水的影响电极形状直条状螺旋状VHVO(ml)22由表6可知,电极形状复杂,电解速度加快,因为电极形状复杂,与电极接触的H+OH-离子数越多,电解速度越快。2.3最佳实验条件下的电解水实验,如表7:表7电解水的最佳条件电解液浓度电极材料电极距离电压通电时间气体体积(mm)NaOHH2SO415%-18%铁丝18(v/v)12-2112-21(V)1010-15min2-31-2H2(ml)6-87-8保险丝3结论综上实验所得结果,得到电解水实验的较好条件是:氢氧化钠的浓度以15-18%为最佳,H2SO4的浓度以18为最佳,电极材料以铁丝为最佳。在改进了实验装置后,通过实验条件的探索,电解水的实验在没有霍夫曼电解器的情况下,实验效果也同样理想(见表7)。另外,在实验时还应注意下述情况:由于氢气、氧气在水中的溶解度不同,如在20时,氧气的溶解度为31ml/L,而氢