水是由什么组成的？这个问题没法靠看、靠尝来回答，只能把水拆开看看能得到什么。给水通上电，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，而且不管通多久，负极那边的体积总是正极的两倍。这个模拟把整套装置搬到屏幕上，让学生先用纯水碰个钉子，再把 2 : 1 一点点收进量气管里。

实验目的

这个模拟想让学生带走的是：

  • 说出电解水的产物：负极得到氢气、正极得到氧气，并记住口诀“正氧负氢，氢二氧一”；
  • 解释体积比 V(H₂) : V(O₂) = 2 : 1 是怎么从化学方程式里来的；
  • 分清体积比 2 : 1 和质量比 1 : 8；
  • 说出检验两种气体的方法，以及各自的现象；
  • 用“分子可分、原子不可分”解释水是由氢、氧两种元素组成的；
  • 说清为什么电解水要加少量硫酸钠或氢氧化钠，而不能加食盐。
互动模拟 · 电解水
H₂ O₂ 10 20 30 40 10 20 mL − 电源 ＋ 负极（−） 正极（＋） 水分子被拆开，原子重新组合 反应前 H H O H H O 通电 反应后 H H + H H + O O 2H₂O 通电 2H₂↑ + O₂↑ 反应前后都是 4 个氢原子和 2 个氧原子： 原子没有增减，只是重新组合成了新分子。 负极收集到的氢气0.0 mL 正极收集到的氧气0.0 mL V(H₂) : V(O₂) = ？ 通电后这里会显示实测数字 质量比 m(H₂) : m(O₂) = 1 : 8

两根电极分别接在电源的负极和正极上。点“通电”，看看哪一根电极上冒的气泡更多。

液体：
把气体收集到刻度上再检验：负极管里的能点燃，正极管里的能让带火星的木条复燃。配套文章：用铅笔芯电解一杯水

如何操作

  1. 先什么都不改，直接点“通电”。液体默认是纯水，开关合上了，可是几乎看不到气泡，读数半天不动。
  2. 把液体换成“加硫酸钠”，再看两根电极：气泡一下密了起来，两支量气管里的水面开始往下退。
  3. 盯住两支管子的刻度。左边（负极）每退到 20，右边（正极）刚好退到 10，两支管子用的是同一把尺子，可以直接比。
  4. 右侧读数栏会实时给出两个体积，下面那行算式把它们相除，结果始终是 2.0。
  5. 通到气体超过 10 mL 后，点“检验负极气体”：管口燃起淡蓝色的火焰。再点“检验正极气体”：带火星的木条复燃了。
  6. 换成“加氢氧化钠”会更快。一直通到负极满 40 mL，电源会自动断开，此时正极正好是 20 mL。
  7. 随时可以点“重置”，把两支管子重新灌满水从头再来。
右半屏在讲什么：上面画的是反应前后的分子。反应前是 2 个水分子，反应后是 2 个氢分子加 1 个氧分子，数一数就会发现，氢原子始终是 4 个、氧原子始终是 2 个。原子一个没多、一个没少，只是重新组合了。这就是化学方程式要配平的原因。

实验现象

对照一下学生的记录：

  • 用纯水时，通电后几乎没有气泡，读数长时间停在 0.0 mL 附近，纯水的导电能力很弱。
  • 换成硫酸钠溶液后，两根电极上立刻同时冒泡，负极那根明显更密。
  • 两支管子里的水面同时下降，但左边降得快一倍：负极到 10 mL 时，正极才 5 mL。
  • 不论通电多久、用哪种电解质、中途断电几次，比值都是 2 : 1，不会变。
  • 两种气体都是无色的，光看分辨不出来，必须做检验。
  • 检验负极的气体：被点燃，火焰呈淡蓝色并伴有轻微爆鸣，氢气。
  • 检验正极的气体：带火星的木条复燃，氧气。它自己不燃烧，却能支持燃烧。
  • 硫酸钠和氢氧化钠从头到尾没有减少，它们只是让电流通得过去。

实验原理

电解水是一个化学变化，反应式是：

2H₂O ——通电——> 2H₂↑ + O₂↑

系数 2、2、1 就是那个 2 : 1 的来源。每分解 2 个水分子，生成 2 个氢分子和 1 个氧分子；在相同温度、相同压强下，气体的体积比等于它们的分子个数比，所以负极收到的氢气体积正好是正极氧气的两倍。模拟里两支量气管共用一套刻度，就是为了让学生能直接读出这个关系。

产物记一句口诀即可：正氧负氢，氢二氧一，正极氧气、负极氢气，氢气是氧气的两倍。

体积比容易记，质量比却常被记混。氢的相对原子质量是 1、氧是 16，2H₂ 的质量是 4，O₂ 的质量是 32，所以 m(H₂) : m(O₂) = 1 : 8。多的那个反而轻，因为氢原子太小了。体积比 2 : 1、质量比 1 : 8，两个数字要一起记、分开用。

这个实验最要紧的一点，在于它确定了水的组成。电解水只能得到氢气和氧气，再没有别的东西，所以水是由氢、氧两种元素组成的。但要小心措辞：水里并不“含有”氢分子和氧分子，只有水分子；氢分子和氧分子是反应中新生成的。在化学变化里，分子会被拆开，原子不会，水分子拆成了氢原子和氧原子，这些原子再两两、三三地组合成新分子。原子既没有消失也没有新增，这就是质量守恒定律在微观层面的样子。

那为什么非要加点东西？纯水中能自由移动的离子极少，导电能力很弱，通电时电流小到反应慢得没法观察。加入少量硫酸钠或氢氧化钠后，溶液里有了大量可移动的离子，电流上来，气泡才明显。它们只负责导电，本身不参与反应，实验前后质量不变。但绝不能用食盐水：氯离子会在正极被氧化成氯气，有毒有刺激性，那时得到的也就不是氧气了。

还有一点要知道：真实实验中正极收集到的氧气往往略少于理论值，比值常常是 2.1 : 1 甚至更大。原因一是氧气在水中的溶解度比氢气大，有一部分溶回了水里；二是碳电极在正极会有轻微损耗，消耗掉一点氧。模拟里给出的是理想值，实验室里量到的偏差属于正常。

常见误区

  • “电解水说明水里含有氢分子和氧分子” —— 错。水里只有水分子，两种气体是新生成的。要说水由氢、氧两种元素组成。
  • “体积比 2 : 1，质量比也是 2 : 1” —— 错。质量比是 1 : 8。
  • “电解水是物理变化” —— 错。生成了新物质，是化学变化。
  • “正极是氢气，因为正对着氢” —— 反了。正极出氧气、负极出氢气，口诀是“正氧负氢”。
  • “加的硫酸钠也参加了反应” —— 没有。它只提供导电的离子，前后质量不变。
  • “可以用食盐水，反正都能导电” —— 危险。正极会产生有毒的氯气。
  • “比值不是正好 2 : 1 就是做错了” —— 不是。氧气溶解度较大、碳电极有损耗，实际偏差属正常。
  • “电解水需要很高的电压” —— 不需要，理论上 1.23 V 就能开始，一节 9V 电池足够。

应用与延伸

  • 工业上用电解水制取的氢气纯度很高，可用于氢燃料电池；燃料电池则是这个反应的逆过程，氢气和氧气化合成水并放出电能。
  • 潜艇和空间站曾用电解水来补充氧气，顺带得到的氢气排出舱外或参与其他反应。
  • 把电池正负极对调，两种气体会跟着换边，但“接负极的那根冒得多”这条规律不变。
  • 如果把电解液换成食盐水，正极产物变成氯气，这就是工业上的氯碱工业，同一套装置、换一种溶液，产物完全不同。
  • 动手补充：用两根铅笔芯、一节 9V 电池和一杯小苏打水，在家就能看到两根电极冒泡快慢的差别，做法见下面的文章。

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