水电解虚拟实验指南

化学中级阅读时间: 3 分钟

概述

水是我们生命中不可或缺的物质，但你是否想过水分子内部隐藏着什么能量？通过给水「通电」，我们可以强行将水分子拆解为氢气和氧气。这不仅是一个基础的化学反应，更是未来绿色氢能社会的基石。本实验将带你观察水电解的全过程，并验证那神奇的 $2:1$ 体积比。

背景知识

水分子的组成曾是化学史上的重大谜团。1800 年，在伏打电堆发明仅数周后，英国科学家威廉·尼科尔森（William Nicholson）和安东尼·卡莱尔（Anthony Carlisle）偶然发现，当电流通过水时，电极表面会产生气泡。这一发现首次证明了水不是一种单一的「元素」，而是可以分解的化合物。随后，著名的化学家法拉第通过大量实验总结出了电解定律，奠定了电化学的基础。

核心概念

电解 (Electrolysis)

电流通过溶液或熔融电解质，在阴阳两极发生氧化还原反应从而引起化学分解的过程。这一过程将电能转化为化学能。

阴极 (Cathode)

连接电源负极的电极。在阴极上，水中的氢离子（或水分子）获得电子发生还原反应，生成氢气。

阳极 (Anode)

连接电源正极的电极。在阳极上，氢氧根离子（或水分子）失去电子发生氧化反应，生成氧气。

分解反应

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

由一种物质生成两种或两种以上其他物质的反应。水电解是典型的分解反应。

公式与推导

水电解总反应方程式

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

在直流电的作用下，每

2

个水分子分解生成

2

个氢分子和

1

个氧分子。

反应产物体积比

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

在相同温度和压强下，由于生成的分子个数之比为

2:1

，根据阿伏加德罗定律，其体积比也为

2:1

。

实验步骤

1
实验准备
观察实验装置：两个装满水的试管倒置在水罐中。点击「重新注满」确保试管内没有空气。为什么试管必须装满水？
2
设定电压
拖动「直流电压」滑块。实验表明水的理论分解电压约为 $1.23\text{V}$ ，建议设定在 $6\text{V} \sim 12\text{V}$ 以加快反应。观察电压不足时会有气泡产生吗？
3
启动与观察
点击「接通电源」。仔细观察两极产生的气泡速度：哪一个电极（正极还是负极）产生的气泡更快、更多？
4
体积关系发现
等待一段时间，对比两支试管中收集到的气体体积。尝试估算一下，较多的一方大约是较少的一方的几倍？这符合你的预期吗？

学习目标

确认水由氢、氧两种元素组成，是化合物而非单质。
验证水电解产生氢气与氧气的体积比恒定约为 $2:1$ 。
理解电能如何驱动非自发的化学反应（氧化还原反应）。
掌握通过带火星的木条和点燃的木条检验氧气与氢气的方法。

生活应用

绿色制氢：利用风能或太阳能发电电解水，生产「绿氢」，作为零排放的清洁燃料。
生命支持：在潜水艇或国际空间站中，电解水是循环再生氧气、保障航天员生存的关键技术。
工业电镀：利用电解原理在金属表面镀上金、银、铬等，以防腐或美化环境。
金属精炼：通过电解法提取或纯化铝、铜、镁等高纯度金属，这是现代冶金工业的核心。

常见误区

误区

水电解产生的氢气和氧气质量比是

2:1

正解

错误。

2:1

是分子个数比和体积比。根据摩尔质量计算（氢为

2

，氧为

32

），质量比应该是

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

。

误区

通过电解水可以产生无限的能量

正解

错误。电解水是一个吸收能量的过程（非自发反应）。产生的氢气燃烧放出的能量永远不会超过电解它所消耗的电能，这符合能量守恒定律。

准备好了吗？

现在你已经了解了基础知识，开始动手实验吧！

开始实验开始练习

概述