水的电解

初中化学霍夫曼电解器：I = (V − 1.8 V)/R，气体体积根据通过的电荷量（法拉第定律）计算（20 °C，1 atm）

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关于此实验

让电流通过水，水就会分解成其组成元素。在霍夫曼电解器中，气体会收集在两根带刻度的管中：氢气聚集在负极上方，氧气聚集在正极上方，而且氢气的量总是约为氧气的两倍。调高电压、更换溶液，加入广泛指示剂，观察电极处酸和碱的生成，并用带火星的木条检验每种气体。

学习目标

确定水电解时阴极和阳极生成的产物
解释为什么氢气的体积是氧气体积的两倍
解释为什么必须向纯水中加入硫酸钠等电解质
写出各电极上的半反应方程式
使用法拉第常数，根据电流和时间计算气体体积

使用方法

1选择纯水，并接通 6 V 电源。你对电流有什么发现？然后选择硫酸钠溶液。
2收集气体几分钟。读取两根管上的刻度，并比较气体体积。
3用带火星的木条检验每根试管中的气体。哪种气体会发出爆鸣声，哪种气体会使带火星的木条复燃？
4加入广谱指示剂后，描述每个电极附近的颜色。每个电极处会生成哪些离子？
5逐步降低电压，找出气体不再生成时的电压。
6根据通过的电荷量计算电子的物质的量，再按每摩尔 24 L 计算氢气的体积。将结果与试管中的气体量进行比较。

模型

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

总反应

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^{-}

中性溶液中的半反应方程式

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

电荷量和电子的物质的量

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

每摩尔电子生成的气体量

V = n \times 24 L/mol

室温和常压下的气体体积

假设

只有电压高于约 1.8 V 时才会生成气体：反应所需的最低电压为 1.23 V，而电极还需要额外的电压（过电位）才能产生气泡。
超过该电压后，电流由溶液的电阻决定，而电阻取决于电解质。纯水中的离子极少，几乎不导电。
假设所有电子都用于生成气体（电流效率为 100 %），且没有气体溶解在水中。体积是在 20 °C 和 101.3 kPa 下测得的。
硫酸钠、硫酸和氢氧化钠只负责导电。它们的离子不会放电，因此生成物始终是氢气和氧气。
时间被加快了。在 6 V 电压下，集氢管大约 10 分钟（实际时间）就会装满。

在课堂上试试这个实验

Q1让 0.5 A 的电流持续流过 10 分钟。收集到的氢气和氧气体积各是多少？
Q2为什么指示剂在阴极附近变成紫色，而在阳极附近变成红色？
Q3在实际的伏打电解器中，氧气的体积通常略小于氢气体积的一半。请推测原因。
Q4为什么氯化钠溶液不适合作为本实验的电解质？
Q5用 2 A 的电流收集 1 升氢气需要多长时间？

常见问题

硫酸钠不参与反应，为什么还要加入它？

纯水中只有极少量的 H⁺ 和 OH⁻ 离子，因此导电性很差。加入硫酸钠可以为溶液提供大量离子来传导电流，而在电极上发生氧化和还原的仍然是水本身。

为什么体积比是 2:1？

每个氢分子需要2个电子，每个氧分子释放4个电子。流经两个电极的电子数量相同，因此生成的氢分子是氧分子的两倍。根据阿伏伽德罗定律，相同数量的气体分子占据相同体积，所以体积是两倍。

氯化钠溶液会发生什么？

尤其是在浓溶液中，氯离子会在阳极被氧化，而不是水，从而产生有毒的氯气。阴极仍会产生氢气。这是工业上使用的氯碱工艺，并非适合在教室中安全演示的实验。