水電解虛擬實驗指南

化學中級閱讀時間: 3 分鐘

概述

水是我們生命中不可或缺的物質，但你是否想過水分子內部隱藏著什麼能量？透過給水「通電」，我們可以強行將水分子拆解為氫氣和氧氣。這不僅是一個基礎的化學反應，更是未來綠色氫能社會的基石。本實驗將帶你觀察水電解的全過程，並驗證那神奇的 $2:1$ 體積比。

背景知識

水分子的組成曾是化學史上的重大謎團。1800 年，在伏打電堆發明僅數週後，英國科學家威廉·尼科爾森（William Nicholson）和安東尼·卡萊爾（Anthony Carlisle）偶然發現，當電流通過水時，電極表面會產生氣泡。這一發現首次證明了水不是一種單一的「元素」，而是可以分解的化合物。隨後，著名的化學家法拉第透過大量實驗總結出了電解定律，奠定了電化學的基礎。

核心概念

電解 (Electrolysis)

電流通過溶液或熔融電解質，在陰陽兩極發生氧化還原反應從而引起化學分解的過程。這一過程將電能轉化為化學能。

陰極 (Cathode)

連接電源負極的電極。在陰極上，水中的氫離子（或水分子）獲得電子發生還原反應，生成氫氣。

陽極 (Anode)

連接電源正極的電極。在陽極上，氫氧根離子（或水分子）失去電子發生氧化反應，生成氧氣。

分解反應

2\text{H}_2\text{O} \xrightarrow{\text{通電}} 2\text{H}_2 \uparrow + \text{O}_2 \uparrow

由一種物質生成兩種或兩種以上其他物質的反應。水電解是典型的分解反應。

公式與推導

水電解總反應方程式

2H_2O \xrightarrow{\text{通電}} 2H_2\uparrow + O_2\uparrow

在直流電的作用下，每

2

個水分子分解生成

2

個氫分子和

1

個氧分子。

反應產物體積比

V(\text{H}_2) : V(\text{O}_2) = 2 : 1

在相同溫度和壓強下，由於生成的分子個數之比為

2:1

，根據亞佛加厥定律，其體積比也為

2:1

。

實驗步驟

1
實驗準備
觀察實驗裝置：兩個裝滿水的試管倒置在水罐中。點擊「重新注滿」確保試管內沒有空氣。為什麼試管必須裝滿水？
2
設定電壓
拖動「直流電壓」滑桿。實驗表明水的理論分解電壓約為 $1.23\text{V}$ ，建議設定在 $6\text{V} \sim 12\text{V}$ 以加快反應。觀察電壓不足時會有氣泡產生嗎？
3
啟動與觀察
點擊「接通電源」。仔細觀察兩極產生的氣泡速度：哪一個電極（正極還是負極）產生的氣泡更快、更多？
4
體積關係發現
等待一段時間，對比兩支試管中收集到的氣體體積。嘗試估算一下，較多的一方大約是較少的一方的幾倍？這符合你的預期嗎？

學習目標

確認水由氫、氧兩種元素組成，是化合物而非單質。
驗證水電解產生氫氣與氧氣的體積比恆定約為 $2:1$ 。
理解電能如何驅動非自發的化學反應（氧化還原反應）。
掌握透過帶火星的木條和點燃的木條檢驗氧氣與氫氣的方法。

生活應用

綠色製氫：利用風能或太陽能發電電解水，生產「綠氫」，作為零排放的清潔燃料。
生命支持：在潛水艇或國際太空站中，電解水是循環再生氧氣、保障太空人生存的關鍵技術。
工業電鍍：利用電解原理在金屬表面鍍上金、銀、鉻等，以防腐或美化環境。
金屬精煉：透過電解法提取或純化鋁、銅、鎂等高純度金屬，這是現代冶金工業的核心。

常見誤區

誤區

水電解產生的氫氣和氧氣質量比是

2:1

正解

錯誤。

2:1

是分子個數比和體積比。根據莫耳質量計算（氫為

2

，氧為

32

），質量比應該是

H_2 : O_2 = (2 \times 2) : (1 \times 32) = 1 : 8

。

誤區

透過電解水可以產生無限的能量

正解

錯誤。電解水是一個吸收能量的過程（非自發反應）。產生的氫氣燃燒放出的能量永遠不會超過電解它所消耗的電能，這符合能量守恆定律。

準備好了嗎？

現在你已經了解了基礎知識，開始動手實驗吧！

開始實驗開始練習

概述