用铅笔芯电解一杯水：负极的气体是正极的两倍

“水是由氢元素和氧元素组成的”，这句话学生从小就背得出，但它凭什么成立？靠的就是这个实验。把水通上电，两根电极上会冒出两种不同的气体，一种能点燃，一种能让带火星的木条复燃，而且它们的体积比稳定在 2 : 1。这篇用铅笔芯和一节电池，在厨房桌上把这个比值做出来。

安全提醒（先读这一段）

• 绝对不能用食盐水做电解液。食盐水通电时正极会产生氯气，有刺激性、有毒，闻一下就会呛得难受。请用小苏打水（碳酸氢钠）或硫酸钠溶液，它们只负责导电。这是本实验唯一一条不能商量的规矩。
• 电源只能用电池：一节 9V 方形电池，或三、四节 5 号电池串联。绝不可以把导线插进家用 220V 插座，那是会致命的。
• 负极收集到的是氢气，可燃。检验时收集的量要少（一小试管即可），点燃前把试管口朝向没人的方向，远离酒精灯以外的其他火源，并请成人在场操作。
• 电解时电极附近的溶液会微微发热，铅笔芯（石墨）比较脆，插拔时要轻，断了不要用手去水里捞。
• 两根电极不要互相接触，那相当于把电池短路，电池会迅速发烫。
• 实验结束先断开电池，再拆装置。废液是稀小苏打水，可以直接倒进水槽冲走。

材料与器材

• 9V 方形电池一节（或 5 号电池 3～4 节 + 电池盒），带鳄鱼夹的导线两根；
• 铅笔芯两根（自动铅笔的笔芯太细，最好用普通铅笔削掉木头取芯，或买 2B 绘图铅芯），作电极；
• 透明玻璃杯或塑料盒一个，装水约 300 mL；
• 食用小苏打一小勺（约 3 g），作电解质；
• 小试管两支（或去掉针头的注射器筒、透明笔帽），用来收集气体；
• 长柄打火机或火柴、细木条（牙签、香的木杆都可以）；
• 记录用的纸笔、手机（拍下不同时刻的气泡量）。

实验步骤

第一步：配电解液。往杯里倒约 300 mL 温水，加一小勺小苏打，搅拌到完全溶解。纯净水几乎不导电，这一步不能省，它决定了是等三十秒还是等三十分钟。

第二步：装电极。把两根铅笔芯竖着放进杯里，间距 3～4 cm，露出水面的一端分别用鳄鱼夹夹住。可以用胶带把它们固定在杯沿上，让它们在水里保持竖直、不互相碰到。

第三步：先试通电。把两根导线接到电池的正负极上。仔细看两根铅笔芯：两根都会冒气泡，但一根明显比另一根冒得多、冒得快。记下冒得多的那根接的是电池的哪一极。

第四步：收集气体。断电。把两支小试管先在杯里装满水，用手指堵住管口，倒扣着分别罩在两根铅笔芯上（管口朝下、始终没入水中），松开手指。重新通电，气泡会一路升进试管，把里面的水一点点顶出去。

第五步：读体积、做检验。通电 5～10 分钟，等负极那支试管收到大半管气体时断电。先比较两支试管里气体的高度，再分别检验：把负极那支试管取出（管口朝下），迅速凑近火焰，会听到轻微的爆鸣；把带火星的木条伸进正极那支试管，木条会重新烧起来。

现象记录

把学生的观察记录和下面这些对照一下：

• 刚接上电池的一两秒内，两根铅笔芯上就同时挂满了细密的小气泡，接负极的那根气泡明显更多、更急。
• 收集一段时间后，负极试管里的气体大约是正极试管里的两倍。用尺子量试管里气柱的长度，比值通常落在 1.8～2.1 之间。
• 两种气体都是无色无味的，光看看不出区别，必须靠检验来区分。
• 负极的气体靠近火焰时被点燃，发出淡蓝色的火焰，同时有轻微的爆鸣声。这是氢气。
• 把带火星的木条伸进正极的试管，木条复燃。这是氧气。它自己不燃烧，却能支持燃烧。
• 杯里的水在慢慢变少，但小苏打并没有被消耗掉：反应结束后水分蒸干，白色粉末还在。
• 正极的气体常常比理论值少一点，比值达不到整整 2 : 1。这不是操作出错，原因见下面的原理部分。

原理解释

通电时发生的是一个化学变化，反应可以写成：

2H₂O ——通电——> 2H₂↑ + O₂↑

产物记住一句口诀就够了：正氧负氢，氢二氧一。正极得到氧气，负极得到氢气，而且氢气的体积是氧气的两倍。这个 2 : 1 不是巧合，它直接来自化学式里的系数：每分解 2 个水分子，就生成 2 个氢分子和 1 个氧分子。相同条件下气体的体积比等于分子个数比，所以 V(H₂) : V(O₂) = 2 : 1。

更要琢磨的是原子的去向。反应前是 2 个水分子，一共 4 个氢原子、2 个氧原子；反应后是 2 个氢分子和 1 个氧分子，还是 4 个氢原子、2 个氧原子。原子一个没多、一个没少，只是重新组合成了新的分子。这句话就是初中化学最核心的一句：化学变化中，分子可以再分，原子不能再分。质量守恒定律的道理也全在这里。

因为电解水只能得到氢气和氧气，别的什么都没有，我们才敢下那个结论：水是由氢、氧两种元素组成的。注意这里说的是“组成”不是“含有”，水里并没有藏着氢分子和氧分子，只有水分子；氢分子和氧分子是在反应中新生成的。

还要分清体积比和质量比。氢原子的相对原子质量是 1，氧是 16，所以 2H₂ 的质量是 4，O₂ 的质量是 32，m(H₂) : m(O₂) = 1 : 8。体积比 2 : 1、质量比 1 : 8，这两个数考试里经常放在一起考，混起来就全错了。

那小苏打在做什么？它什么也没“变成”，只是让水导电。纯水里能自由移动的离子极少，通电时电流小到几乎测不出，气泡半天才冒一个。加一点小苏打（或硫酸钠、氢氧化钠），溶液里就有了大量能移动的离子，电流一下上来，反应才快得能观察。它本身不参与反应，实验前后质量不变，所以叫电解质而不是反应物。反过来说，食盐（氯化钠）虽然也导电，却会在正极把氯离子变成氯气，那就不是电解水了，还有毒。这是本实验必须换成小苏打的原因。

最后解释那个“少一点”：氧气在水里的溶解度比氢气大（20 ℃ 时大约是氢气的两倍），一部分刚生成的氧气溶回了水里；另外碳（石墨）电极在正极的强氧化环境下会有轻微损耗，也吃掉一点氧。所以家里做出来的比值往往是 2.1 : 1 甚至 2.3 : 1，先冒出来的那部分气体误差最大。老师在实验室用铂电极和专用的水电解器，比值才会很接近 2 : 1。

给老师和家长的组织建议

• 课时与分组：30 分钟，四人一组；9V 电池由教师统一发放。
• 动手前先说清楚：绝不可用食盐水（会产生氯气）；检验氢气须成人操作。

最容易被跳过的一步。先用纯水通电让学生「碰个钉子」，再加小苏打，电解质的作用不讲自明。「绝不能用食盐水」这条要在动手前单独说一次并解释原因。

怎么判断真的懂了。能指着负极试管说清「为什么正好是另一支的两倍」，并写出电解水的文字表达式，即达标。

拓展一下与常见误区

• 误区一：“电解水说明水里含有氢分子和氧分子”——错。水里只有水分子，氢分子和氧分子是反应生成的新物质。正确说法是水由氢、氧两种元素组成。
• 误区二：“体积比 2 : 1，质量比也是 2 : 1”——错。质量比是 1 : 8，因为一个氧原子比一个氢原子重得多。
• 误区三：“电解水是物理变化，因为只是把水拆开”——错。有新物质（氢气、氧气）生成，是化学变化。物理变化只改变状态，比如水结成冰。
• 误区四：“可以用盐水代替小苏打水”——危险。正极会产生有毒的氯气，务必避免。
• 误区五：“比值不是正好 2 : 1，说明实验失败了”——不是。氧气溶解度较大、碳电极有损耗，偏差属于正常，能看出“负极明显多一倍”就达到了目的。
• 误区六：“电解水需要很高的电压”——不需要。理论上 1.23 V 就能开始，实际用一节 9V 电池绰绰有余。
• 想一想：如果把电池的正负极对调，会发生什么？（气体的种类跟着电极换边，冒得多的那根仍然是接负极的那根。）
• 算一算：电解 36 g 水，最多能得到多少克氢气？（水中氢元素的质量分数是 2 ÷ 18 ≈ 11.1%，所以是 4 g。）
• 接着读用橡皮泥搭一个原子，把“原子不可分”这件事再看得具体一点；或者读蜡烛为什么会灭，那里讲的就是氢气燃烧需要的另一个条件。

当学生能指着负极那支试管说清“它里面为什么正好是另一支的两倍”，这个实验就没白做。