谈谈高中化学电解水误差分析教学探索

谈谈高中化学电解水误差分析教学探索

【摘 要】中学化学中，用电解水实验的方法验证水的组成时，很难读出生成氢气和氧气的体积比是2：1，造成这种误差的主要原因在于两根电解管0刻度线到活塞之间的那部分体积。

【关键词】高中化学；电解水；误差；分析；教学；探索

1. 误差凸现

中学化学中讲解有关水的知识时，通过电解水来验证水的组成。其利用的主要原理有两个：一是在一定电压的直流电作用下，水可以分解生成氢气和氧气；二是同温同压条件下，气体的体积之比等于它们的分子数之比。

电解水的反应方程式为：2H2O电解2H2↑+O2↑。由方程式可知，每生成一个氧分子，同时会生成两个氢分子。H2和O2均为双原子分子，二者的原子数之比也等于它们的分子数之比。因此，电解水时生成的H2和O2的体积比为2：1时，即可说明“一个水分子是由两氢原子和一个氧原子组成”。

因此，在相同条件下，反应时生成的氢气的体积应该是氧气体积的二倍。但在通常的实验中，发现生成的氢气和氧气体积读数并不是2：1，而是大于2：1，且误差不小。

问题出在哪里？由理想气体状态方程PV=nRT可知，V=nRT/P，所以气体体积V与气体物质的量n、温度T和压强P有关。所以，V（氢气）/V（氧气）=n（氢气）RT（氢气）P（氧气）/n（氧气）RT（氧气）P（氢气）。在本实验中，温度和压强可以认为是相同的，虽然两只电解管内因电解生成氢气和氧气的气体的多少不同，液面会有一定的压差，但通常会很小，一般是几厘米水柱，因此压差对体积造成的影响完全可以忽略不计。所以，温度和压强不会造成两种气体读数比的很大误差。两种气体又都难溶于水，溶解度影响也可以忽略不计，由此可以认为V（氢气）/V（氧气）=n（氢气）/n（氧气），其比值应改为2：1。

那么，实际实验中到底是什么原因造成两种气体体积的读数比出现如此大的误差？做电解水实验时，我们通常用的是霍夫曼水电解器，通过观察霍夫曼水电解器，我们可以发现，造成实验时出现很大误差的主要问题就出在水电解水器两根电解管的刻度上。

2. 分析原因

我们常用的水电解器是霍夫曼水电解器，通过观察这种电解器，我们会发现，在两根电解管的0刻度线到活塞之间，还有一部分体积，而问题也就出在这部分体积上。在做电解水实验时，水（通常用NaOH溶液代替）是充满活塞以下的电解管的。反应中产生的氢气和氧气先把0刻度线到活塞那部分体积充满，然后

才开始占用0刻度线以下的体积。而我们在对生成的氢气和氧气计数时，则没有把这体积讲话，问题就在这里产生了。

在实际反应中，每生成1体积的O2，就生成2体积的H2。现在，我们假设两根电解管0刻度线到活塞间的体积都为V0，当阳极电解管生成的氧气体积为V0时，液面刚好降至0刻度线处。此时，阴极电解管生成的氢气体积为2V0，液面已经降至0刻度线以下，即阴极电解管中，0刻度线以下，已经有了体积为V0的氢气，此时氢气的体积读数已经是V0，而氧气的体积读数则是0。继续电解，假设又产生体积为V1的氧气时，停止电解，这时又生成了2V1体积的氢气。

读数时，我们是从0刻度线开始计体积的，0刻度线至活塞之间的V0并没有被计入。这样，氧气的体积本来应该是V0+V1，读数却只是V1，氢气的体积本应是2V0+2V1，读数却只是V0+2V1。这样，原本V（氢气）：V（氧气）=（2V0+2V1）：（V0+V1）=2：1，却成了V（氢气）：V（氧气）=（V0+2V1）：V1=（V0/V1+2）：1>2：1，误差也就由此出现了。所以，平时电解水实验读数时，发现氢气和氧气体积之比总是大于2：1，原因就在这里。

3. 解决问题

通过上面的分析，我们可以看出，从0刻度开始读数时，氢气的体积比2倍氧气的体积多出了V0，只要将V0除去，氢气和氧气的体积读数比就成了V（氢气）：V（氧气）=2V1：V1=2，二者的体积比自然就为2：1了。如何除去阴极管中0刻度线以下那多出的V0？我们可以采用以下方法。

如果我们仅仅观察电解水产生的氢气和氧气的气体体积之比为2：1，问题就简单多了。装液时，将两根管的液面都调至0刻度线即可，0刻度线以上封闭一部分空气。接通直流电电解，一段时间后就可以明显看到，两根电解管的读数为2：1，很准确。

事实上，做电解水实验时，除了观察生成气体的体积比外，还要验证反应产物。如果电解管上部仅简单封闭一部分空气，会造成收集的气体不纯，给实验造成影响，特别是氢气，点燃时可能出现爆炸等意外。所以，往管中装液时，可先将两根电解管活塞以下部分都装满，关闭活塞，通电电解一段时间。当阳极电解管中生成的气体到0刻度线以下时，切断电源，暂停电解。轻轻旋开阳极管活塞，缓慢将阴极电解管中的氧气放出部分，当液面升到0刻度线时，关闭活塞。用同样的办法将阴极管中的液面也调到0刻度线，然后继续电解，即可成功地读出生成氢气、氧气的体积之比。

由此看来，这个实验中存在的误差，不是实验中人为产生的，而是仪器本身的结构特点决定的。

4. 问题扩展

根据以上分析，做电解水实验时，如果不对0刻度线到活塞之间的体积做任

何处理，实验后直接读取生成的H2和O2的体积，我们还可以分析出电解管0刻度线至活塞部分的体积V0是多少，实际电解出的O2和H2的体积各是多少。

假设某次电解水实验完成后，发现阳极电解管中的气体读数为3mL，阴极电解管中的读数为10mL，则电解管0刻度线到活塞之间的体积是多少？实际电解出的氢气、氧气各是多少？

解题时我们可以设0刻度线至活塞部分的体积为V0，设生成氧气的体积为V（氧气），则生成氢气的体积应为2V（氧气）。由题意可得如下两式：

V（氧气）-V0=3mL ───── ①

2V（氧气）-V0=10mL ──── ②

②-①得V（氧气）=7mL，所以氢气的体积为14mL。

而0刻度线至活塞部分的体积V0=V（氧气）-3mL=4mL。

至此，我们已经解决了电解水实验中读数比误差的问题。通过这个问题的成功解决，可以锻炼我们观察问题，发现问题，分析问题和解决问题的能力。也希望该实验能起个抛砖引玉的作用，让更多的实验问题在观察分析中得到解决。