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参与翻译: Agathajys (9), 烊叔 (5), aigexia (1)

简介

有一种东西,你每天都要使用,没有它你不能存活--不,不是互联网,它是水!它是世界上最需要的物质,在各地都已经成为越来越重要的话题。你可能听说过,在很多地方旱灾或水污染限制了洁净饮用水的供应量,并且那些供应一直在缩减。当你知道了这些,你有没有想过,为什么我们不能只制造自己的水?水到底是由什么组成的?在这次科学活动中,你将用电能将水分解为各个组成部分;那请收集好所有材料,准备发现它们到底是什么,自己分解它们吧!

第 1 段(可获 2 积分)

背景

水的化学方程式H2O有助于发现水的化学组成。这起码告诉我们水分子是由两种元素组成的:氢和氧,或者更确切的说是两个氢原子一个氧原子。所以这是否意味着我们可以只通过把这两种气体结合就能得到水分子呢?并不是这样简单的。化学反应的等式中缺少能量成分。这两种元素生成水时会释放大量能量。释放能量的化学反应我们叫做放热反应。在氢和氧元素释放的能量过高无法控制时,多数情况下会爆炸。幸运的是,这一反应不是自发的,而且只有当打火机点燃混合气体时才会爆炸。

第 2 段(可获 2 积分)

如果合成水这么危险,那么分解呢?把水分解成这两种元素是很容易的叫作电解水。像这样制作氢气或氧气似乎很简单。但是你或许会想象,分解反应需要向其中注入能量的,这就是为什么我们叫它电解反应。在电解反应过程中,用作发生反应的能量来源是电。用电池放电是一个比较简单的发电方式。然而因为纯净水不利于导电,电解反应需要填加电解质,例如盐或酸。电解质溶解于水然后分解成游离在溶液中的离子(带电粒子)并且能以这样的方式导电。向溶液中通电时,你要将电源两个带点导体在水中相接。他们叫做电极且多数情况下是铁或者其他导电材料。当电流通到电极时,电解质中的离子(带电粒子)包括正电荷(H+)和负电荷(OH-)因为水中带电便开始朝其相反电极处运动,氧气和氢气就产生了。你可以用肉眼观察也可以获取这两种气体。

第 3 段(可获 2 积分)

材料

  • 防水工作台
  • 成人助手
  • 自动铅笔的石墨笔铅(要足够粗不能断)——或是木质铅笔和小刀,让你的助手帮你削铅笔得到里边的石墨。
  • 胶水
  • 培乐多彩泥或是其他黏土
  • 两或三个一次性塑料水杯(干净的18盎司的杯子最好)
  • 剪刀
  • 永久性马克笔
  • 两个金属图钉
  • 蒸馏水
  • 小苏打
  • 九伏电池
  • 两个透明吸管(大号)
  • 茶匙
  • 医用滴管
  • 计时器
  • 纸巾
  • pH测试条(可选择)
  • 食盐(氯化钠——NaCl)(可选择)

准备

第 4 段(可获 2 积分)
  • 实验区要是防水的,实验时水可能会溢出。
  • 把结实的自动铅笔笔铅合到一起变成更粗的条状。要确保有两条约为2.5cm(一英寸)长。如果你选择用木制铅笔里面的石墨,让你的成人助手用刀取出石墨(这样做也要保证有两条2.5cm长的石墨)。这些石墨条就是你的石墨电极。
  • 用剪刀小心的顺着塑料杯的口端切开,使之有九伏电池那么高。在杯底剪个洞,这样电池顶部(两极)可以想通。
  • 再拿一只杯子,把杯子的底部放在九伏电池的上面。用永久性马克笔在接触电池两极的杯内底部画两个点。
  • 把杯子拿开,然后用图钉戳过做过记号的两个杯底。
第 5 段(可获 2 积分)
  • 小心地将插入石墨条插进这两个洞,一个洞插一个。你可能会需要把洞弄大一些使之尺寸正好。
  • 在杯外部分用胶水在石墨管周围做一个密封圈,晾干。要确保石墨条没都被胶水缠住。否则他们就不能再连通电池了。
  • 把切过的杯子开口朝下放在电池上。杯底和电池应该契合在一起,使之成为一个水平表面以放置另一个杯子。
  • 把另一个有石墨条的杯子放在另一面,在电池顶部把杯子切开。杯子要牢牢地立在上边,然后要把两个石墨分别接触电池的。
  • 用培乐多彩泥或其他黏土封住大吸管的一头。
第 6 段(可获 2 积分)

步骤

  • 拿起有石墨条的杯子,并向其中倒约为300ml的蒸馏水,不要倒在电池上。要确保这个杯子不漏水。如果漏水的话,需要用胶水做一下密封。提示:当杯子放在电池上的时候你要避免接触到水或是电极,否则你可能会感觉到被电刺痛手指。
  • 像你之前做的那样,把在电池顶部切开杯子,这样每个石墨条就可以与电池两极相连。你或许还需要稍微按一下以使它们能接触良好。观察两个石墨电极。你观察到什么?在电极上发生了什么反应了吗?
  • 从电池上拿开装有蒸馏水的杯子。向其加入一茶匙的小苏打然后在蒸馏水中搅拌知道溶解。你认为加入小苏打后会有什么变化吗?小苏打起到了什么样的作用呢?
第 7 段(可获 2 积分)
  • 现在把这只杯子放到电池上连通石墨与电池两极。现在你观察到了什么?石墨条上发生了什么化学反应吗?你认为反应产生了什么物质?比较一下两极的反应。你能否观察到两边有什么不同吗?是否是有一极的反应更显著呢?发生显著反应的石墨条连接的是电池的哪一极呢?正极还是负极?
  • 将鼻子凑近杯内,闻一下反应产生的物质。有味道吗?如果有,是怎样的味道呢?
  • 从电池上再一次挪开杯子。在石墨条的杯中,用医用滴管向两个被堵住一边的大吸管内加入之前杯中的小苏打溶液。当满了的时候,马上用手指把其堵住然后把它们倒过来。把它们放入含有小苏打溶液的杯子,使溶液没过,然后小心地把习惯放在石墨条上(一个石墨条上放一个吸管),这样吸管就会充满小苏打溶液。如果吸管放的不直,你可以将它们稍微倾斜靠着杯边。你认为吸管内又会发生什么反应呢?

 

第 8 段(可获 2 积分)

一旦吸管放在石墨管的顶部,把杯子放回电池的顶部。让它在那里10分钟,并把杯子按低一点,以确保电极保持连接,在整个时间段内电极反应不断发生。观察你放在石墨管顶上的巨型吸管。你放在那里的水发生了什么?你注意到两个吸管的两个水位之间的区别吗?哪一个高一点,哪一个较低;他们每个都连接的电极是什么?

10分钟结束后,用永久性记号笔标记每一个吸管的水位。与正极相比,负极上的反应产物所取代的水有多少?是相同的,还是两倍或三倍?

第 9 段(可获 2 积分)
  • 附加:如果你有可测酸碱度的pH试纸条,当大试管内溶液下降至50%时,用试纸条测试一下其pH值。小心地把大吸管从电极上挪开,然后当吸管从水中拿出时,马上用手指将其封住。要确保吸管内的水不能流失,然后把pH试纸浸入其中。试纸呈现什么颜色?所代表的pH值是多少?两个试管内的溶液pH值是否不同?他们有什么不同?你认为这一现象是什么原因呢?
  • 附加:重复试验,但是这次用加入一茶匙的食盐代替小苏打(氯化钠/NaCl),然后让其发生五分钟电解反应。电极有什么变化吗?反应产物有什么味道吗?这次你能确切地描述这是什么味道吗?你认为是什么东西的味道呢?
第 10 段(可获 2 积分)

另外:用金属图钉交换石墨电极。你可能需要使用一个新的杯子。把图钉放入杯子底部,使他们互不接触,一旦把杯子放在电池上面,每个都接触到一个电极。用图钉无胶密封是必要的。重复原始程序,但这一次向蒸馏水中增加一茶匙的食盐水。观察电极反应。这个时候会发生什么?仔细看看连接到正极的别针。除了气体之外,你能看到其他的反应产物吗?你认为发生了什么?当你把它们再次除去之后金属图钉会如何反应呢?

第 11 段(可获 2 积分)

观测结果

你能把水分解成氢气和氧气吗?你看到两个石墨管上都有很多气泡吗?最初,当你把杯子用蒸馏水放在电池的顶部,你可能没有看到在石墨电极发生太多反应。这是因为蒸馏水导电不是很好,因此有可能没有或只有轻微的电极反应。如果你添加的电解质,如小苏打,可是,添加的离子可以导电,你应该看到在两个石墨管脚出现的气泡。一方面,在正极,氧气产生,而在阴极,产生了氢气。

第 12 段(可获 2 积分)

当你靠近观察,你或许会观察到在连接电池负极的石墨上产生的气体比另一极更多。收集到吸管两边气体就能更好地观察到这一现象。十分钟后,负极相接的吸管水面应该差不多是正极一侧的一半,这意味着收集到的氢气是氧气的两倍。这一差别是由于一个水分子是由两个氢原子一个氧原子,如上所述。这意味着连个水分子可以产生一个氧分子。与此同时,两个水分子可以产生两个氢分子。而氢和氧在电极上形成后,剩下的水中反应所产生的产物就是质子(氧一侧的H+)氢氧根离子(氢一侧的OH-)。你可以通过将pH试纸浸入两个电极大吸管溶液内来用肉眼观察到这一现象。与电池上负极相连接的吸管内溶液会显示一个碱性pH值(7或更高),而另一边应该酸性的(pH值小于7)。

第 13 段(可获 2 积分)

其他的电极反应也会发生,如果在溶液中有离子与氢或氧有竞争反应。你可能已经观察到当向你的电解质溶液加入盐(氯化钠),它一开始闻起来像在一个游泳池。不是氧气,氯气在正极产生,这也用于游泳池的消毒。如果你用金属图钉代替石墨电极,金属(通常是钢或黄铜)将溶解或腐蚀,在电池的正极而不是(或除)气体产生,你应该看到金属图钉变成红棕色。这表明,电解不仅是一种将水分解成它的组成部分的技术,也可以驱动发生其他的反应,否则不会发生自发反应。

第 14 段(可获 2 积分)

清理

用毛巾清理任何洒出来的东西。将水与电解质(小苏打或盐)倒在排水沟里。从杯子拆下电极(石墨针或金属图钉)放进垃圾桶。把塑料杯和密封的大吸管扔到垃圾桶里。你可以二次使用九伏电池。

第 15 段(可获 2 积分)

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