水电解

水电解是一种化学实验，通过水的分解和合成实验来认识水是由氢、氧两种元素所组成的。主要用品有霍夫曼电解器、直流电源（或铅蓄电池）、导线、试管、酒精灯、量气管、感应圈、电键、铁架台、铁夹、贮气瓶、玻璃水槽等。

概念电解水生产氢气和氧气是一个众所周知的技术，其基本原理是水被直流电力转换成气态的氢和氧，也就是燃料电池逆过程。尼科尔森(Nicholson)和卡莱尔(Carlisle)在1800年首次证明水电解过程。法拉第在1934年明晰了水电解原理，提出了“电解”概念。从水中产生氢气电解用于商业最早是由欧瑞康(Oerlikon)工程公司于1902年开始。

根据操作温度，主要有两种类型的电解器：低温电解技术和高温电解。LTE分为碱性电解器和质子交换膜电解器两种，它们均已实现商业化运行，可以实现约75%的能量效率。以氢氧化钾水溶液(OH-)作为电解质的碱性水电解技术是一项成熟技术，占有商业水电解器的绝大部分市场，未来主要的研发问题是在改进能源效率的同时，降低电解设备成本。碱性电解质膜正在开发中，它的成功会为水电解技术带来较大进步。1

实验的探讨用品：霍夫曼电解器、直流电源（或铅蓄电池）、导线、试管、酒精灯、量气管、感应圈、电键、铁架台、铁夹、贮气瓶、玻璃水槽。

稀硫酸、氢气、氧气、木条。

原理水在直流电的作用下，能分解成氢气和氧气。当电火花通过氢、氧混和气体时，他们即化合成水。这两个实验都说明水是由氢、氧两种元素组成的，从实验结果还可以知道它们的体积比为2∶1。

准备1.装配霍夫曼电解器霍夫曼电解器是由两支各为50毫升的刻度玻璃管所组成，上端各具一个活塞，下端与三通管相连接。刻度管下用嵌有铂电极的橡皮塞塞紧，三通管的中间玻璃管上连接一支球形漏斗管。如图7-26所示。

如果没有霍夫曼电解器，可以用两支酸式滴定管装配。在滴定管的下端，装一个带有电极和直角玻璃导管的橡皮塞。电极可以用镍铬丝、铜片或不锈钢片制成。两支直角玻璃导管用T形管相连，再接上一支漏斗管作注入电解液用。简易装置可只用两支滴定管，倒立在水槽内，在管口处各插入一个电极即可。但要检验电解水生成的氢气和氧气时，必须把滴定管从水槽中取出，倒过来检验。

如果连滴定管也没有，可以用两支长约40厘米，内径约1厘米的玻璃管组装。上端装一个配有玻璃导管的单孔塞，用短玻璃管接上一支长约4厘米的尖嘴管作为排气管，用弹簧夹控制气流。下端装一个带有电极和直角玻璃管的橡皮塞，直角玻璃管再与T形管和漏斗管相连接。玻璃管里所得气体的体积可用刻度板来计量。先将玻璃管带尖嘴管的一端向下竖直，卸去带电极的橡皮塞，倒入3毫升水，使液体高出橡皮塞上玻璃管的口，沿液面画一条线。再加入20毫升水，沿液面也画一条线。将水倒出，把玻璃管横放在一张白纸上，把玻璃管上标出的两条线的距离画成20等分，每一等分表示1毫升，标上数字。将所需部件装配起来，连同标线纸一起固定在木板上，即成为水电解器。

为了便于检验电解水后所得的氢气和氧气，常在装阴极的玻璃管上端用橡皮管接上一根弯曲的尖嘴玻管，以便让氢气缓缓流出。在装阳极的玻璃管上用橡皮管接上一个空的氯化钙干燥管，使流出的氧气积集其中。

2.组装水的合成器水的合成常在量气管内进行，它是一支长约45厘米、内径约1.3厘米的厚壁玻璃管，一端封闭，一端敞开。封闭的一端插入两根铂丝，丝端相距约2～3毫米。管上有刻度，有25毫升和50毫升两种。如果没有这种量气管，可以自己组装，取长约40～45厘米、内径约1.2～1.5厘米的厚壁玻璃管一支，上端装一插有两根铜丝电极的橡皮塞。塞内的铜丝约留3厘米长，将1厘米向上弯折成一钩子，用一根从废电灯泡中取出的钨丝（也可以用细电热丝代替）相连接，钳紧，使它固定在两根铜丝之间。橡皮塞外的铜丝也约留3厘米长，卷成圆圈，以便跟导线相连接。

这样组装的水合成器，玻璃管口的橡皮塞必须塞得很紧，否则氢、氧爆炸时塞子会被膨胀的气体弹出管口。玻璃管内气体的体积可用上述方法所制的刻度板来量度，但可以简单一些，只要分成4个等分就可以了。把玻璃管连同塞子一起倒转竖直，分四次加水入内，每次3毫升，在管外沿水平面套上橡皮圈作出四个记号即可。

操作1.水的电解打开霍夫曼电解器两边刻度玻璃管上的活性塞，往球形漏斗里倒入浓度为1∶8的稀硫酸溶液。待两个刻度管里的液体将升到活塞时，倾倒的速度减慢，使液面稍稍超过两个活塞。关闭活塞，用卷成细卷的滤纸条伸入活塞上的玻璃管中，吸去超过活塞的液体，再分别装上检验氢气和氧气的装置。在两个电极的导线上串连一电键，和18伏的直流电源相连接。通电后两极上即发生大量气泡，4～5分钟后，在阴极这一管里约可积聚氢气10毫升，在阳极这一管里约可积聚氧气5毫升。

理论上水电解后生成氢气的体积应为氧气的2倍。由于氧气在水中的溶解度比氢气略大，以及电极上产生的副反应等原因，一般所得氧气的体积总是比理论值小。为了减小误差，常在先通电一段时间，让分解出来的氧气溶解在阳极一方的液体里，使它达到饱和，然后放去两管内积聚的气体，重新调整后再进行实验。

2.水的合成先将量气管盛满水，倒转放入水槽里，使敞口一端没入水面下约3厘米。用排水法先通入氧气6毫升，再通入氢气6毫升，使两者充分混和，然后将封闭一端露在管外的两根铂丝和感应圈以及6～8伏直流电源相连接，如图7-33所示。

用电键使电路闭合，管内铂丝之间即产生电火花，同时引起氢、氧混和气体发生爆炸，使整个装置强烈振动。爆炸时管内水面突然下降，随即迅速回升到原体积的1/4处。表明4体积混和气体中有3体积起了作用。

用玻璃管和带有电极的橡皮塞组装的水合成器的操作方法和上述基本相同，所不同的是可以不用感应圈。把橡皮塞上的两个铜丝圈分别跟6伏直流电源和电键相连接。当电路闭合时，管中钨丝立即被烧断，这时发生的火花就引起氢、氧混和气体发生爆炸，结果使管内的气体减少到原体积的1/4。

注意事项1.电解水时所用的电压和酸溶液的浓度对释出气体的速度很有关系。采用18～24伏电压和硫酸浓度为1∶6～1∶8时，两极上产生气体的速度较快，气泡大，只需4～5分钟即可积聚一定量的气体，看到明显的体积比。

2.电解水所得氧气体积偏低的主要原因是由于副反应所造成的：

2H2SO4=2H+2HSO4

在阴极2H+2e=H2

在阳极2HSO4-2e=H2S2O8

H2S2O8+H2O=H2SO4+H2SO5

H2SO5+H2O=H2SO4+H2O2

阳极处所生成的过氧化氢在酸性溶液里比较稳定，不易分解出氧，所以氧气的体积就偏低了。氧气和氢气在水中溶解度的不同是次要的。

3.合成水时的量气管必须紧紧地固定在铁架台上，最好在玻璃水槽底垫一层塑料片。

4.合成水时，氢气和氧气的体积比不要用2∶1，因为这时的爆炸力最强。为了预防玻璃管炸裂，可以用尼龙纱或塑料纸做一个防护套罩在玻璃管的上部。

其它实验方法装置Ⅰ用500毫升烧杯作电解槽，电极用粗铜丝套上塑料管制成，两端各露出2厘米并弯成钩形，一端扣在烧杯上，另一端作电极。用15%的氢氧化钠溶液作电解液，用两支同样大小的试管作集气管。由于氢氧化钠溶液有腐蚀性，装置时可以先在试管内盛满氢氧化钠溶液，盖上一张薄纸后倒转过来，因大气压强大于试管内液体的压强，纸片不会落下。将试管倒插入液面下，用镊子夹去纸片，把试管套在电极上，并用有两个圆孔的硬纸板将试管固定起来。电解时，接上6～12伏的直流电源，两极上即有很多气泡发生。3分钟后，阴极处可取得约16毫升氢气，阳极处可取得约8毫升的氧气。

要检验所得的氢气和氧气，可以将粗铁丝的一端弯成一个圆圈，放上硬纸片，垫在试管口下把它取出，竖直后检验。

装置Ⅱ是用一个截去底的大盐水瓶作电解槽，电极是用两根粗铜丝穿过橡皮塞而制成。为了使电解限制在小范围内进行，用瓶颈作电解槽。先在瓶内注水高出电极3～4厘米，然后用长颈漏斗将15%的氢氧化钠溶液注入瓶颈的底部，将清水排挤到上层。用两支大小相同的试管盛满清水后倒立在电极上方，然后通电，同上述方法进行实验。这个方法操作比较方便。

相关工艺日本开发了固体高分子型水电解工艺，可把氟树脂系的离子交换膜用作质子导电体的固体电解质。固体高分子电解质由于薄膜化，电解质电阻变小，有利于在高电流密度下进行电解运转。

如使用固体氧化物电解质．就有可能应用使用水蒸气的高温水电解工艺i这种工艺理论分解电压小，电能必需量变小，特别是作为电解反应阻力的过电位变小．所以可期望成为效率最高、以最低槽电压电解运转的电解法。

日本开发的固体高分子型水电解槽中，阴极为涂敷铂的石墨电极材料，阳极为铱系合金及氧化铱，与离子交换膜组装问隙为150～300um，从而实现了高效率。阴极基体为石墨．阳极基体多使用钛。2

本词条内容贡献者为:

任毅如 - 副教授 - 湖南大学