水电解实验中关于氢气和氧气的体积比探析

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水电解实验中关于氢气和氧气的体积比探析



湖北省通山县黄沙中学　王胤琪



理论上电解水时产生的H2和O2的体积比应该是2:1，但实际上H2的体积往往超过两倍。产生这一误差的原因是多方面的，主要原因是：两个集气管中水柱压力不相等；氢氧两种气体在电解液中的溶解度不同；在相同温度和压力下，氧气的溶解度比氢气大，还有电极上会发生一些副反应。例如，用自来水配置NaOH做电解液，因溶液中含有Cl-，阳极放出氧原子与Cl-生成ClO-，消耗部分氧；若使用稀H2SO4做电解液，则有下列副反应发生：



H2SO4＝H+＋HSO4-



在阴极：2 H+＋2e-＝H2；在阳极：2HSO4-－2e-＝H2S2O8   (过二硫酸)



H2S2O8＋H2O＝H2SO4＋H2SO5   (过一硫酸)；H2SO5＋H2O＝H2O2＋H2SO4



生成的过氧化氢在酸性溶液环境中较稳定，不易分解放出氧气。使放出的氧气量减少。



用稀硫酸做电解液时，可选用铂、钨、钼或铅作电极材料。如果用碱液做电解液时，铁钉、保险丝或不锈钢也是较好的电极材料。因为在碱性溶液中，这些电极表面可形成难于溶解的保护膜。这就避免了电极材料在电解过程中不断被氧化、溶解而使生成的氧气的量减少。



对多次实验所得的数据进行分析，可以发现：电解质溶液的浓度一定时，电压越高，H2和O2的体积比越接近2:1。当电压一定时，电解质溶液的浓度越大，H2和O2的体积比越接近2:1。



为降低误差，在使用非铂做电极材料时电极材料时，注意电极材料与电解质溶液匹配非常重要。其基本原则是：所选的电极材料应不与所选用的电解液发生化学反应，而且在电解时能在阳极表面形成不溶于该电解液的保护膜。还值得注意的是无论采用酸或是碱作电解液，都不宜采用铜或碳棒作电极。前者在电解时其阴极会不断被氧化溶解，使生成的氧气量减少。而后者的过电位高，产生气体的速率慢，对气体的吸附作用又强，而且部分氧和碳棒作用产生CO2，使氧气量减少，影响体积比。除了以上所述和选择适当的电压与电解液浓度以外，还可以先通电电解一段时间，使电解液中氧气的溶解度达到饱和以后再进行收集。