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电解水实验条件的探索与误差分析

2016-03-24 12:33阅读：

http://blog.sina.cn/dpool/blog/u/3493894787

1.问题的提出
电解水的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，“水的组成”是通过“电解水”实验 ，在阴阳两极收到氢气与氧气 ，且体积比为 2：1来证明的。但实验过程中，氢气与氧气的体积比往往有较大误差，经过长期的观察实验，我们利用霍夫曼电解器从电极材料，电解液的选择，电解电压等方面对实验条件进行了探究，分析其产生偏差的原因。
2. 实验仪器及药品


直流电源（DH1718-4型），天平，霍夫曼电解器（J2606型），容量瓶（500ml），石墨电极（直径5mm），铂电极（5mm×5mm），镀镍回形针，H2SO4(AR),KOH(AR), K2SO4(AR)
3.实验部分
3.1正交实验法对影响因素的初探
3.1.1实验装置（如图A）
电解水实验条件的探索与误差分析



3.1.2实验步骤
a．实验装置如图A所示在霍夫曼电解器中进行实验
b．检查水电解器各部件，要求玻璃活塞不漏气，装电极的橡皮塞不漏液。
c．打开活塞，从球形漏斗中加入实验所用电解液，使整个管子充满溶液没有气泡，关闭活塞。
d．接上直流电源，可观察到两根电极上有气泡产生。在正式实验开始之前，通电先进行一段时间的预电解，以此来消除氢、氧在水中溶解度不同所造成的体积差。
e．实验按表1所示L9(34)四因素三水平正交表进行。
四因素：A电解电压（A1:6V;A2:9V;A3:12V）
B电极材料（B1:石墨电极;B2:铂电极;B3:镀镍回形针）
C电极使用时间（C1:2000min;C2:20000min;C3:80000min）
D电解液（D1:5%H2SO4溶液;D2:5%KOH溶液;D3:5%K2SO4溶液）

表1 正交表
因素
实验号
 A(电解电压)
1
 B(电极材料)
2
 C(使用时间)
3
 D(电解液)
4
1
 1
 1
 1
 1
2
 1
 2
 2
 2
3
 1
 3
 3
 3
4
 2
 1
 2
 3
5
 2
 2
 3
 1
6
 2
 3
 1
 2
7
 3
 1
 3
 2
8
 3
 2
 1
 3
9
 3
 3
 2
 1


实验影响因素的确立：
一般认为，影响水的电解效率的因素主要有电解液，电极材料，电解电压，电极间距等。为探究影响水电解过程中氢气量与氧气量2：1的条件因素，本实验选取了电解液，电极材料，电极电压，以及电极寿命即电极使用时间四个因素，探究电解中H2量与O2量比例的统一性和准确性。由于纯水本身电导率很小，约为1×10-5~1×10-7/Ω·cm，为加快反应速率一般在电解液中加入一些可溶性强电解质以增强其导电性减少反应时间，提高电解效率，但当电解质的加入量超过一定程度时，电导率反而会降低。本实验选取了三种不同性质的强电解质，分别是酸性5%H2SO4溶液，碱性5%KOH溶液，中性5%K2SO4溶液；在电极的选择方面，选择了以石墨电极，铂电极为代表的惰性电极同时，还选取了中过电位电极材料中的镀镍金属电极作为对比探究；鉴于在实际长时间的使用和电解过程中对不同的电极阴、阳极的损耗程度也会存在差异，因此又以电极的使用时间作为一个影响电解氢氧体积比准确性的一个参数进行测定，选取电极使用时间分别为2000min，20000min，以及80000min水平测试；一般地电解电压越高，电解速率越快，但对产生氢氧气体的比例关系影响程度不详，因此加入影响因素中以初探其影响强度。

表2 正交实验结果分析

因素
实验号
 A(电解电压)
1
 B(电极材料)
2
 C(使用时间)
3
 D(电解液)
4
 H2与O2产生量体积比
1
 1
 1
 1
 1
 3.60
2
 1
 2
 2
 2
 2.38
3
 1
 3
 3
 3
 2.67
4
 2
 1
 2
 3
 3.43
5
 2
 2
 3
 1
 2.31
6
 2
 3
 1
 2
 3.06
7
 3
 1
 3
 2
 3.84

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