探究電解水制氫速率的影響因素

探究電解水制氫速率的影響因素安徽省屯溪一中姚大剛功能與價(jià)值人教版九年級(jí)化學(xué)教材【1】上冊(cè)第四單元課題3水的組成中安排了電解水實(shí)驗(yàn)，其目的是通過(guò)檢驗(yàn)電解水產(chǎn)物來(lái)探究水的組成，培養(yǎng)了學(xué)生宏觀辨識(shí)與微觀探析的核心素養(yǎng)；人教版高中化學(xué)必修1教材【2】上，也設(shè)計(jì)了電解水實(shí)驗(yàn)裝置，其目的是通過(guò)觀測(cè)，使學(xué)生從對(duì)生成物氣體體積關(guān)系的感性認(rèn)識(shí)出發(fā)，結(jié)合理論推算，進(jìn)行思考與討論，從而引出氣體摩爾體積的概念，發(fā)展了學(xué)生證據(jù)推理與模型認(rèn)知的核心素養(yǎng)。電解水不僅在實(shí)驗(yàn)教學(xué)上有很好的佐證作用，在實(shí)際的生產(chǎn)生活中也發(fā)揮著重要的作用，如用電解水加工飲料、烹飪、保鮮，還可用電解氧化水對(duì)食品及餐具進(jìn)行殺菌消毒；除此之外，電解水也應(yīng)用于航天領(lǐng)域，神州14號(hào)飛船問(wèn)天倉(cāng)環(huán)控生保系統(tǒng)中也有電解水的身影，產(chǎn)生的氧氣既可以供航天員呼吸使用，又可與生成的氫氣構(gòu)成氫氧燃料電池，既能為航天器提供一定的電能，又能實(shí)現(xiàn)水的循環(huán)；與此同時(shí)，氫氣作為一種清潔能源，且能量密度高，已被應(yīng)用于開(kāi)發(fā)新能源汽車(chē)，但目前市面上95%的氫氣都是由化石能源轉(zhuǎn)化而來(lái)的，在生產(chǎn)過(guò)程中會(huì)排放大量二氧化碳，這些氫能俗稱(chēng)“灰氫”，為實(shí)現(xiàn)低碳經(jīng)濟(jì)，最理想的辦法是以“綠電”制“綠氫”，即以風(fēng)、光、水、地?zé)岬瓤稍偕茉窗l(fā)電，電解水制氫。目前世界各個(gè)國(guó)家都在力圖發(fā)展氫能來(lái)解決能源的安全問(wèn)題，而在不久的將來(lái)，電解水制氫將會(huì)逐漸步入工業(yè)化，從而取代傳統(tǒng)的蒸汽重整制氫。原理與拓展電解水制氫總反應(yīng)為：2H2O====2H2↑+O2↑，且陰極：4H2O+4e-=2H2↑+4OH-陽(yáng)極：2H2O-4e-=O2↑+4H+由于水是一種弱電解質(zhì)，通常加入少量硫酸或氫氧化鈉增強(qiáng)水的導(dǎo)電性【3】，即為加快電解水的速率，可通過(guò)向水中加入強(qiáng)電解質(zhì)的方法。在工業(yè)生產(chǎn)中，為提高電解水制氫效率，可采取多種措施，而提高電解水的速率就是重要方法之一。電解水速率大小與哪些因素有關(guān)？中學(xué)教材并無(wú)相關(guān)實(shí)驗(yàn)探究。由陰極反應(yīng)式可知，n（H2）=1/2n（e-）,即生成氫氣速率大小與單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)電路的電子多少有關(guān)。結(jié)合法拉第電解定律Q=nF=It，單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)電路的電子的物質(zhì)的量越大，電流越大，產(chǎn)生的氫氣越多，即電解速率越快。由歐姆定律I=U/R，電流大小與外加電壓和電解槽內(nèi)阻有關(guān)，即電解水速率與電壓和電解槽內(nèi)阻有關(guān)。查閱相關(guān)文獻(xiàn)發(fā)現(xiàn)，電解槽內(nèi)阻與電極間距、電極橫截面積、電極材料種類(lèi)和電解質(zhì)種類(lèi)、濃度等有關(guān)，它們之間有怎樣的關(guān)系？可設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行探究。中學(xué)教材使用電解水裝置如圖1和圖2所示：圖1霍夫曼電解器圖2自制簡(jiǎn)易裝置由于霍夫曼電解器是固定裝置，不便于完成電極間距等對(duì)電解水速率影響的探究實(shí)驗(yàn)，自制簡(jiǎn)易裝置導(dǎo)線(xiàn)要浸入溶液，操作不方便。實(shí)驗(yàn)改進(jìn)方案金樂(lè)【4】等人設(shè)計(jì)了如圖3裝置：將燒杯中倒?jié)M電解液，連接電極，用洗耳球吸電解液至止水夾處。接通電源一段時(shí)間后，記錄氫氣和氧氣的體積。然后改變電極材料、電解液濃度、電極形狀、電極間距等，分別進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，記錄在相同時(shí)間內(nèi)收集氫氣和氧氣的體積。該實(shí)驗(yàn)裝置雖可定量測(cè)定氣體體積，但導(dǎo)線(xiàn)要浸入溶液，且裝置復(fù)雜，操作不便。孫涓【5】等人設(shè)計(jì)了如圖4裝置：將電極固定在汽水瓶蓋上，然后放入燒杯底部，再向燒杯中倒?jié)M電解液，連接電極，將注射器壓入電解液后立即用帶有小孔的木板固定住，使注射器中充滿(mǎn)溶液。接通電源一段時(shí)間后，記錄氫氣和氧氣的體積。然后改變電極材料、電解液濃度、電極形狀、電極間距等，分別進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，記錄在相同時(shí)間內(nèi)收集氫氣和氧氣的體積。該實(shí)驗(yàn)裝置雖也可定量測(cè)定氣體體積，但導(dǎo)線(xiàn)也要浸入溶液，且裝置復(fù)雜，操作不便。圖3圖4實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新綜合他人改進(jìn)實(shí)驗(yàn)，我設(shè)計(jì)如圖5創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)裝置。圖5（1）實(shí)驗(yàn)用品：木板、鐵釘、一次性塑料滴管、502膠水、電解槽、10cm石墨電極（直徑2mm和4mm）和銅電極（直徑2mm）、0.1mol/LNa2SO4溶液、學(xué)生電源、電流表。（2）實(shí)驗(yàn)裝置制作①電極室制作：將一次性塑料滴管長(zhǎng)尖嘴部分剪去，用針在尾部戳孔，使直徑為4mm和2mm石墨棒以及2mm銅棒剛好穿過(guò)，再用502膠水將滴管尾部與電極棒之間的空隙密封，如圖6。②滴管架制作：用木板和鐵釘制作成如圖7所示形狀，在隔板上每隔2cm按滴管直徑打孔，使滴管剛好通過(guò)。圖6圖7實(shí)驗(yàn)步驟將裝置如圖5組裝好，在每個(gè)電解槽上串聯(lián)一個(gè)電流表，向電解槽中加入等體積溶液，然后擠壓滴管，使滴管中吸入等體積溶液，控制變量，在恒定6V的電壓下，分別完成電極間距、電極橫截面積和電極材料種類(lèi)對(duì)電解水速率影響的探究實(shí)驗(yàn)。由于酸堿均有腐蝕性，故本實(shí)驗(yàn)均使用0.1mol/LNa2SO4溶液，且分別從電流表示數(shù)和電極室中溶液排盡的先后比較電解水的速率大小，考慮到陽(yáng)極生成的O2可能會(huì)與電極材料反應(yīng)，故本實(shí)驗(yàn)以觀察陰極室產(chǎn)生的H2將溶液排盡的先后為準(zhǔn)。（4）實(shí)驗(yàn)過(guò)程實(shí)驗(yàn)1：電極間距的影響電壓大小電解質(zhì)溶液電極材料電極間距電流實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象6V0.1mol/LNa2SO44mm石墨棒2cm0.10A陰極室溶液先排盡6V0.1mol/LNa2SO44mm石墨棒4cm0.08A陰極室溶液后排盡結(jié)論1：電解水速率與電極間距有關(guān)，且其他條件相同時(shí)，電極間距越近，電解質(zhì)溶液內(nèi)阻越小，電流越大，電解速率越快。實(shí)驗(yàn)2：電極橫截面積的影響電壓大小電解質(zhì)溶液電極間距電極材料電流實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象6V0.1mol/LNa2SO44cm2mm石墨棒0.04A陰極室溶液后排盡6V0.1mol/LNa2SO44cm4mm石墨棒0.08A陰極室溶液先排盡結(jié)論2：電解水速率與電極材料橫截面積有關(guān)，且其他條件相同時(shí)，電極材料橫截面積越大，電極材料電阻越小，電流越大，電解速率越快。實(shí)驗(yàn)3：電極材料種類(lèi)的影響電壓大小電解質(zhì)溶液電極間距電極材料電流實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象6V0.1mol/LNa2SO42cm2mm石墨棒0.06A陰極室溶液后排盡6V0.1mol/LNa2SO42cm2mm銅棒0.08A陰極室溶液先排盡結(jié)論3：電解水速率與電極材料種類(lèi)有關(guān)，且其他條件相同時(shí)，銅棒比石墨棒電阻小，電流大，電解速率快。由此可得出結(jié)論：為加快電解水制氫的速率，在電壓恒定的情況下，可以適當(dāng)減小電極材料的間距，增大電極材料橫截面積，使用電阻率較小的電極材料。（5）實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)①優(yōu)點(diǎn)：a、通用性：該套裝置既可完成中學(xué)課本上涉及的電化學(xué)實(shí)驗(yàn)，又可探究課本外的電化學(xué)實(shí)驗(yàn)，從而實(shí)現(xiàn)化學(xué)實(shí)驗(yàn)儀器的多功能性。b、簡(jiǎn)約性：操作簡(jiǎn)便，節(jié)省時(shí)間。c、直觀性：綜合電流表示數(shù)和電極室中溶液排盡的快慢比較電解速率，非常直觀。②意義：該實(shí)驗(yàn)裝置簡(jiǎn)單，現(xiàn)象明顯，使用自制滴管架固定滴管，可一次性完成多組對(duì)照實(shí)驗(yàn)，且分別從定性和定量?jī)蓚€(gè)角度探究了電解水速率的影響因素。學(xué)生可借此觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，分析并總結(jié)影響電解水速率的因素；教師可引導(dǎo)學(xué)生從化學(xué)和物理角度對(duì)常見(jiàn)影響電解水速率的因素進(jìn)行分析，從而突破教學(xué)難點(diǎn)，既培養(yǎng)了學(xué)生的跨學(xué)科思維能力和化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)，又為工業(yè)電解水制氫提供了理論基礎(chǔ)。【1】人民教育出版社九年義務(wù)教育三年制初級(jí)中學(xué)教科書(shū)化學(xué)2001年3月第1版：48【2】人民教育出版社普通高中課程標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)教科書(shū)化學(xué)必修12007年3月第3版13【3】人民教育出版社九年義