水的组成探究实验详解
水的组成探究实验详解
水的组成是化学研究中的一个经典问题。通过电解水实验，我们可以直观地观察到水在通电条件下的分解过程，进而揭示其组成元素。本文将详细介绍这一实验的原理、步骤、现象及结论，并通过拓展知识和实际应用案例，帮助读者深入理解水的组成。
实验要点
实验原理：水在通电条件下分解为氢气和氧气，化学方程式为：[2H_2O \xrightarrow{通电} 2H_2↑ + O_2↑]。
实验步骤：
- （1）如图1，在电解器玻璃管里加满水，接通直流电源，观察并记录两个电极附近和玻璃管内发生的现象；
- （2）切断上述装置中的电源，用燃着的木条分别在两个玻璃管尖嘴口检验电解反应中产生的气体，观察并记录发生的现象。
- 实验现象：
- （1）通电后，电极上均有气泡产生，通电一段时间后，与电源正、负极连接的玻璃管内收集的气体的体积比约为1∶2；
- （2）与电源正极连接的玻璃管产生的气体可使燃着的木条燃烧更旺，与电源负极连接的玻璃管产生的气体燃烧，火焰为淡蓝色。
- 实验结论：水是由氢元素和氧元素组成的。
实验拓展
电解水时要用直流电，因为直流电的正、负极确定，可以分别收集两极产物。而交流电的正、负极不断变化，在电极处的生成物为正、负极反应的混合物，既危险又不能分离。
通电分解水时，水中可加入少量硫酸钠或氢氧化钠以增强水的导电性。
理论上与电源正、负极相连的玻璃管内收集的气体的体积比应是1∶2，但在实验操作中两玻璃管中收集的气体的体积比往往小于1：2，主要有两个方面的原因：
- （1）氧气在水中的溶解性比氢气强；
- （2）氧气与电极发生了化学反应而被消耗。
- 本实验制得的氢气、氧气的体积比约为2∶1，质量比约为1∶8。
综合实践
近年来，我国空间站实现多项技术突破。空间站中的航天员每人每天消耗氧气约550 L。空间站中氧气的主要来源有电解水制氧气、CO2再生制氧气、固体药剂制氧气。化学兴趣小组对电解水制氧气开展探究。
宏观辨识
（1）水的合成：在密闭容器中将氢气和氧气的混合气体点燃，根据容器内生成的小水珠可知，水是由氢元素和氧元素组成的化合物。
（2）水的分解：图2是验证水的组成的装置，A、B是两个连通并带刻度的玻璃管（上端带活塞的尖嘴管），C为连接在A、B中间的漏斗，A、B活塞下端是与直流电源相连的两个电极。
① A、B管内生成的气体聚集在上部的原因是气体密度小于水，且溶解性不大。
② C管中液体的液面上升，产生此现象的原因是A、B管内汇聚气体，气压变大，将水压入C中。
③ B管中的气体是氧气，证明B管中气体的最简便的方法是将带火星的木条置于B管上方尖嘴处，打开活塞，木条复燃，则该气体为氧气。
证据推理
（3）根据相同条件下气体的体积比等于其分子的个数比，得出电解水的产物中氢、氧原子个数比为2∶1（或4∶2），进而推算出结果。
实际应用
用石墨电极电解水（水中加入少量稀硫酸或氢氧化钠增强水的导电性）时，发现氧气与氢气的比值比理论值偏小。为研究这一问题，使用如图3的CO2浓度采集装置记录电解前后（0—200 s）CO2浓度的变化，图象如图4。在10 s接通直流电源，130 s关闭电源停止电解。
（4）分析图4中曲线，证明电解产生的气体中含有CO2，推测可能是装置中石墨参与了反应。130 s停止电解后浓度继续变化的原因：停止电解时，装置内的温度仍然较高，石墨与氧气的反应继续进行。
经询问老师得知，用石墨作电极电解水时，约一半的氧气转化为二氧化碳气体，因此电源正、负极产生气体的体积比小于1∶2，误差较大。