水的電解

國中化學霍夫曼電解器：I = (V − 1.8 V)/R，氣體體積根據通過的電荷量（法拉第定律）計算（20 °C，1 atm）

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關於此實驗

讓電流通過水，水就會分解成其組成元素。在霍夫曼電解器中，氣體會收集在兩根帶刻度的管中：氫氣聚集在負極上方，氧氣聚集在正極上方，而且氫氣的量總是約為氧氣的兩倍。調高電壓、更換溶液，加入廣泛指示劑，觀察電極處酸和鹼的生成，並用帶火星的木條檢驗每種氣體。

學習目標

確定水電解時陰極和陽極生成的產物
解釋為什麼氫氣的體積是氧氣體積的兩倍
解釋為什麼必須在純水中加入硫酸鈉等電解質
寫出各電極上的半反應方程式
使用法拉第常數，根據電流和時間計算氣體體積

使用方法

1選擇純水，並接通 6 V 電源。你對電流有什麼發現？然後選擇硫酸鈉溶液。
2收集氣體幾分鐘。讀取兩根管上的刻度，並比較氣體體積。
3用帶火星的木條檢驗每支試管中的氣體。哪種氣體會發出爆鳴聲，哪種氣體會使帶火星的木條復燃？
4加入廣用指示劑後，描述各電極附近的顏色。各電極會生成哪些離子？
5逐步降低電壓，找出氣體不再生成時的電壓。
6根據通過的電荷量計算電子的莫耳數，再以每莫耳 24 L 計算氫氣的體積。將結果與試管中的氣體量比較。

模型

2 H_{2} O (l) \to 2 H_{2} (g) + O_{2} (g)

總反應

cathode: 4 H_{2} O + 4 e^{-} \to 2 H_{2} + 4 OH^{-} anode: 2 H_{2} O \to O_{2} + 4 H^{+} + 4 e^{-}

中性溶液中的半反應式

Q = I t, n (e^{-}) = \frac{Q}{F}, F = 96485 C/mol

電荷量與電子的莫耳數

n (H_{2}) = \frac{n ( e ^{-} )}{2}, n (O_{2}) = \frac{n ( e ^{-} )}{4}

每莫耳電子生成的氣體量

V = n \times 24 L/mol

室溫及常壓下的氣體體積

假設

只有電壓高於約 1.8 V 時才會生成氣體：反應所需的最低電壓為 1.23 V，而電極還需要額外的電壓（過電位）才能產生氣泡。
超過該電壓後，電流由溶液的電阻決定，而電阻取決於電解質。純水中的離子極少，幾乎不導電。
假設所有電子都用於生成氣體（電流效率為 100 %），且沒有氣體溶解於水中。體積是在 20 °C 及 101.3 kPa 下測得的。
硫酸鈉、硫酸和氫氧化鈉只負責導電。它們的離子不會放電，因此生成物始終是氫氣和氧氣。
時間被加快了。在 6 V 電壓下，集氫管大約 10 分鐘（實際時間）就會裝滿。

在課堂上試試這個實驗

Q1讓 0.5 A 的電流持續流過 10 分鐘。收集到的氫氣和氧氣體積各是多少？
Q2為什麼指示劑在陰極附近變成紫色，而在陽極附近變成紅色？
Q3在實際的伏打電解器中，氧氣的體積通常略小於氫氣體積的一半。請推測原因。
Q4為什麼氯化鈉溶液不適合作為本實驗的電解質？
Q5用 2 A 的電流收集 1 公升氫氣需要多長時間？

常見問題

硫酸鈉不參與反應，為什麼還要加入它？

純水中只有極少量的 H⁺ 和 OH⁻ 離子，因此導電性很差。加入硫酸鈉可以為溶液提供大量離子來傳導電流，而在電極上發生氧化和還原的仍然是水本身。

為什麼體積比是 2:1？

每個氫分子需要2個電子，每個氧分子釋放4個電子。流經兩個電極的電子數量相同，因此生成的氫分子是氧分子的兩倍。根據亞佛加厥定律，相同數量的氣體分子佔據相同體積，所以體積是兩倍。

氯化鈉溶液會發生什麼？

尤其是在濃溶液中，氯離子會在陽極被氧化，而不是水，從而產生有毒的氯氣。陰極仍會產生氫氣。這是工業上使用的氯鹼製程，並非適合在教室中安全示範的實驗。