设计实验课程论文
电解水实验探究
摘要：用正交实验法研究了电解水实验的优化条件，深入探究了采用不同浓度的电解液、改变电极材料及电压使实验获得满意效果保证该实验成功的优化方案。
关键词：电解水 正交实验法 1 前言
电解水实验是大学化学教学论实验和初中化学实验中的一个重要内容。本实验成功标志有两点：（1）通直流电流能看到两个电极都迅速产生大量气泡气体汇集在玻璃管或试管上部，氢气与氧气体积比为 2:1。（2）检验氧气时，带火星的木条应明显复燃，检验氢气时应看到点燃的氢气火焰。 但是，做到这两点难度较大。 针对《化学教学论实验》（科学出版社）和《义务教育课程标实验教科书·化学·九年级（上册）》（上海教育出版社）的实验装置比较烦琐不仅难以加工，而且快速且成功的实验条件难以控制的问题。近年来，许多教育界同行对此进行了大量的研究，但仍然存在实验成功率低和实验现象不明显的问题，综合起来看，影响该实验的因素有很多种，如电解液浓度、电解液种类（酸，碱，盐）、电极材料、电压、实验装置等。本文对实验装置进行了简化改进并采用正交试验法考察了电解液浓度、电极材料及电压三个因素对电解水实验的影响，以期找到实验现象明显且快速的较优化实验条件。 2 实验原理
2.1原理：水在通电情况下会发生水解，氢离子向负极移动，氢离子得负极
电子而变成氢气，故阴极产物为氢气，而氢氧根离子向正极移动，氢氧根在水的参与下失去电子而得到氢离子和氧气，故阳极产物为氧气。其体积比为2：1，以此可以确定水的组成成分。纯水导电能力不强，电解速度慢，因此为改善这个问题，加快电解速度，可加入适量电解质来增强水的导电能力，本实验采用硫酸作为电解液，对电解液浓度，电压和电极矩三个因素进行分析比较，以便好中选优。
水在通电下总反应方程式为：2H 2O 电解
2H 2↑＋O 2↑
阴极：2H + + 2е- ==H2↑ 阳极：4OH - _ 4е- ==2H2O+O2↑ 2.2采用正交实验法, 设计因素水平表以及L 9(3
3
) 正交实验表探讨实验优
化条件。通过对影响电解水实验诸多因素的初步分析本着既要操作简便规
范适合初中课堂演示，又要保证100%成功率的原则，设计如下因素水平表
表1探究电解水条件因素水平表
3 仪器与实际 3.1仪器
直流稳压电源、秒表、10ml 刻度管、500ml 烧杯（带玻璃棒）、100ml 量筒、铁架台（带铁夹）、碳棒、铁钉、保险丝 3.2试剂
氢氧化钠（化学纯）、蒸馏水 4 实验部分
4.1配置不同浓度的氢氧化纳 分别配置300ml 质量分数为5%、10%、15%的氢氧化钠溶液。若实验过4.2按如图实验装置进行
图1简易电解水装置
4.3实验过程
按表2所示进行实验
程中不够可适当多配一些。 连接
实验1 将直流稳压电源调节电压至6V ，用电极材料为碳棒的简易装置，加入浓度为5%的电解液（没过电极），再将10ml 刻度管中加满电解液，如图连接好装置，将装置与电源连接，打开电源开关，观察刻度管中实验现象，当产生氢气体积为6ml 时，关闭电源开关，记录反应所需时间以及氢气、氧气的体积。
实验2 将直流稳压电源调节电压至12V ，用电极材料为铁钉的简易装置，加入浓度为5%的电解液（没过电极），再将10ml 刻度管中加满电解液，如图连接好装置，将装置与电源连接，打开电源开关，观察刻度管中实验现象，当产生氢气体积为6ml 时，关闭电源开关，记录反应所需时间以及氢气、氧气的体积。
实验3将直流稳压电源调节电压至18V ，用电极材料为保险丝的简易装置，加入浓度为5%的电解液（没过电极），再将10ml 刻度管中加满电解液，如图连接好装置，将装置与电源连接，打开电源开关，观察刻度管中实验现象，当产生氢气体积为6ml 时，关闭电源开关，记录反应所需时间以及氢气、氧气的体积。
实验4 将直流稳压电源调节电压至12V ，用电极材料为碳棒的简易装置，加入浓度为10%的电解液（没过电极），再将10ml 刻度管中加满电解液，如图连接好装置，将装置与电源连接，打开电源开关，观察刻度管中实验现象，当产生氢气体积为6ml 时，关闭电源开关，记录反应所需时间以及氢气、氧气的体积。
实验5 将直流稳压电源调节电压至18V ，用电极材料为铁钉的简易装置，加入浓度为10%的电解液（没过电极），再将10ml 刻度管中加满电解液，如图连接好装置，将装置与电源连接，打开电源开关，观察刻度管中实验现象，当产生氢气体积为6ml 时，关闭电源开关，记录反应所需时间以及氢气、氧气的体积。
实验6 将直流稳压电源调节电压至6V ，用电极材料为保险丝的简易装置，加入浓度为10%的电解液（没过电极），再将10ml 刻度管中加满电解液，如图连接好装置，将装置与电源连接，打开电源开关，观察刻度管中实验现象，当产生氢气体积为6ml 时，关闭电源开关，记录反应所需时间以及氢气、氧气的体积。
实验7 将直流稳压电源调节电压至18V ，用电极材料为碳棒的简易装置，加入浓度为15%的电解液（没过电极），再将10ml 刻度管中加满电解液，如图连接好装置，将装置与电源连接，打开电源开关，观察刻度管中实验现象，当产生氢气体积为6ml 时，关闭电源开关，记录反应所需时间以及氢气、氧气的体积。
实验8 将直流稳压电源调节电压至6V ，用电极材料为铁钉的简易装置，加入浓度为15%的电解液（没过电极），再将10ml 刻度管中加满电解液，如图连接好装置，将装置与电源连接，打开电源开关，观察刻度管中实验现象，当产生氢气体积为6ml 时，关闭电源开关，记录反应所需时间以及氢气、氧气的体积。
实验9 将直流稳压电源调节电压至12V ，用电极材料为保险丝的简易装置，加入浓度为15%的电解液（没过电极），再将10ml 刻度管中加满电解液，如图连接好装置，将装置与电源连接，打开电源开关，观察刻度管中
实验现象，当产生氢气体积为6ml 时，关闭电源开关，记录反应所需时间以及氢气、氧气的体积。 5 结果与讨论
5.1 实验结果的记录与处理 5.1.1 实验结果记录
表3实验结果记录
表4实验结果评分标准
表5正交试验法探究电解水实验结果的处理
5.2 实验结果讨论
5.2.1电解液浓度对实验结果的影响
电解质浓度过小电解速度慢，电解质浓度增大时电解速率较快，但是电解液浓度过大就偏离了电解水的本意，所以较适宜的氢氧化纳浓度为10%。
5.2.2 电极材料对实验结果的影响
电极表面粗糙，表面上有很多微小的小沟，很容易使气体吸附在电极表面。光滑的电极表面吸附的气体比较少，预电解时间增加。碳棒的主要成分是石墨，石墨为片层结构，层间结构疏松，许多原子、分子、离子能渗入石墨层间结构形成插入化合物，从而使它产生高电位，产生气体慢。而且石墨电极对气体极易吸附，还有部分氧气会和石墨生成CO 2，氢气与氧气的体积比更是远远偏离2:1.保险丝也在不断氧化、溶解，误差也较大。而且贵金属离子会造成污染。由于铁丝表面形成氧化膜阻碍了进一步氧化与溶解，从而氢气与氧气的体积比接近2:1。 5.2.3 电压对实验结果的影响
电压对实验结果的影响电压过低，电解速度慢；电压过高，电解速度过快，有副反应对实验结果不利，且电压过高会使电解液温度升高。所以本实验电压为10V 时较宜。 5.3结论
本文利用试验正交法探究不同的电极材料、电解液浓度、电压对实验效果的影响中，电极材料是最主要的影响因素，电压是最次要影响因素，本实验达到最好效果的电极材料为铁钉，电解液浓度为10%的硫酸，电压为
10V 。 5.4 讨论
对于电解液浓度实验极值较小，表明各水平实验效果相差不明显，可能原因是其他两项因素的相关影响以及配制溶液过程的相关误差。 6 参考文献
[1] 刘怀乐. 中学化学教学实证与求索[M].重庆：西南师范大学出版社.2002：
[2] 华彤文, 陈景祖等. 普通化学原理（第三版）[M]. 北京：北京大学出版社.2005：
[3]中学化学教师手册编委会. 中学化学教师手册[M]. 北京：科学普及出版社.1981：
[4] 王克勤，逯俊玲, 左志军. 酒精灯加热温度的测定研究[J].化学教学， 2003，（11）：
[5] 《中学化学实验大全》《中学化学教法》《中学趣味实验》