4.2.1探究电解水制氢速率的影响因素实验方案 教学设计 2023-2024学年高二上学期化学人教版（2019）选择性必修1

探究电解水制氢速率的影响因素 1、功能与价值 人教版九年级化学教材【1】上册第四单元课题 3 水的组成中安排了电解水实验，其目的是通 过检验电解水产物来探究水的组成，培养了学生宏观辨识与微观探析的核心素养；人教版高中化学必修 1 教材【2】上，也设计了电解水实验装置，其目的是通过观测，使学生从对生成物气体体积关系的感性认识出发，结合理论推算，进行思考与讨论，从而引出气体摩尔体积的概念，发展了学生证据推理与模型认知的核心素养。电解水不仅在实验教学上有很好的佐证作用，在实际的生产生活中也发挥着重要的作用，如用电解水加工饮料、烹饪、保鲜，还可用电解氧化水对食品及餐具进行杀菌消毒；除此之外，电解水也应用于航天领域，神州 14 号飞船问天仓环控生保系统中也有电解水的身影，产生的氧气既可以供航天员呼吸使用，又可与生成的氢气构成氢氧燃料电池，既能为航天器提供一定的电能，又能实现水的循环；与此同时，氢气作为一种清洁能源，且能量密度高，已被应用于开发新能源汽车，但目前市面上 95%的氢气都是由化石能源转化而来的，在生产过程中会排放大量二氧化碳，这些氢能俗称“灰氢”，为实现低碳经济，最理想的办法是以“绿电”制“绿氢”，即以风、光、水、地热等可再生能源发电，电解水制氢。目前世界各个国家都在力图发展氢能来解决能源的安全问题，而在不久的将来，电解水制氢将会逐渐步入工业化，从而取代传统的蒸汽重整制氢。 2、原理与拓展 电解水制氢总反应为：2H2O ==== 2H2↑ + O2↑，且 阴极：4H2O + 4e- = 2H2↑+ 4OH- 阳极：2H2O - 4e- = O2↑+ 4H+ 由于水是一种弱电解质，通常加入少量硫酸或氢氧化钠增强水的导电性【3】，即为加快 电解水的速率，可通过向水中加入强电解质的方法。在工业生产中，为提高电解水制氢效率， 可采取多种措施，而提高电解水的速率就是重要方法之一。电解水速率大小与哪些因素有 关？中学教材并无相关实验探究。由阴极反应式可知，n（H2）=1/2 n（e-）,即生成氢气速 率大小与单位时间内通过电路的电子多少有关。结合法拉第电解定律 Q=nF=It，单位时间内 通过电路的电子的物质的量越大，电流越大，产生的氢气越多，即电解速率越快。由欧姆定 律 I=U/R，电流大小与外加电压和电解槽内阻有关，即电解水速率与电压和电解槽内阻有关。 查阅相关文献发现，电解槽内阻与电极间距、电极横截面积、电极材料种类和电解质种类、 浓度等有关，它们之间有怎样的关系？可设计实验进行探究。中学教材使用电解水装置如 1 图 1 和图 2 所示： 图 1 霍夫曼电解器 图 2 自制简易装置 由于霍夫曼电解器是固定装置，不便于完成电极间距等对电解水速率影响的探究实验，自制简易装置导线要浸入溶液，操作不方便。 3、实验改进方案 金乐【4】等人设计了如图 3 装置：将烧杯中倒满电解液，连接电极，用洗耳球吸电解液 至止水夹处。接通电源一段时间后，记录氢气和氧气的体积。然后改变电极材料、电解液浓 度、电极形状、电极间距等，分别进行实验，记录在相同时间内收集氢气和氧气的体积。该 实验装置虽可定量测定气体体积，但导线要浸入溶液，且装置复杂，操作不便。 孙涓【5】等人设计了如图 4 装置：将电极固定在汽水瓶盖上，然后放入烧杯底部，再向 烧杯中倒满电解液，连接电极，将注射器压入电解液后立即用带有小孔的木板固定住，使注 射器中充满溶液。接通电源一段时间后，记录氢气和氧气的体积。然后改变电极材料、电解 液浓度、电极形状、电极间距等，分别进行实验，记录在相同时间内收集氢气和氧气的体积。 该实验装置虽也可定量测定气体体积，但导线也要浸入溶液，且装置复杂，操作不便。 2 图 3 图 4 4、实验创新 综合他人改进实验，我设计如图 5 创新实验装置。 · 5 （1）实验用品：木板、铁钉、一次性塑料滴管、502 胶水、电解槽、10cm 石墨电极（直 径 2mm 和 4mm）和铜电极（直径 2mm）、0.1mol/L Na2SO4 溶液、学生电源、电流表。 （2）实验装置制作 ①电极室制作：将一次性塑料滴管长尖嘴部分剪去，用针在尾部戳孔，使直径为 4mm 和 2mm 石墨棒以及 2mm 铜棒刚好穿过，再用 502 胶水将滴管尾部与电极棒之间的空隙密封，如图 6。 ②滴管架制作：用木板和铁钉制作成如图 7 所示形状，在隔板上每隔 2cm 按滴管直径打孔， 3 使滴管刚好通过。 图 6 图 7 （3）实验步骤 将装置如图 5 组装好，在每个电解槽上串联一个电流表，向电解槽中加入等体积溶液，然后 挤压滴管，使滴管中吸入等体积溶液，控制变量，在恒定 6V 的电压下，分别完成电极间距、 电极横截面积和电极材料种类对电解水速率影响的探究实验。 由于酸碱均有腐蚀性，故本实验均使用