核心概念
水
化学
电
分子
简介
您每天都在使用它，并且没有它就无法生存——不，它不是互联网，而是水！它是世界上最重要的化合物之一，并且在各地已成为日益重要的问题。您可能听说过，在许多地方，干旱或水污染限制了清洁饮用水的供应，而且这些供应还在不断减少。考虑到这一点，您是否曾想过为什么我们不自己制造水呢？水实际上是由什么构成的？在这个科学活动中，您将使用电能的形式将水分解成其各个组成部分；因此，收集所有材料，准备好找出它们是什么——并亲自将它们分离出来！
背景
要了解水是由什么构成的，查看其化学式 H2O 会有所帮助。这基本上告诉我们，水分子由两种元素组成：氢和氧，或者更准确地说，是两个氢原子 (H2) 和一个氧原子 (O)。氢气和氧气在室温下都是气体。那么，这是否意味着我们可以简单地将两种气体结合起来，然后就能得到水呢？事情并没有那么简单。方程式中缺少的是化学反应的能量成分。用元素制造水会产生大量能量。产生能量的化学反应也称为放热反应。在氢气和氧气的情况下，释放的能量非常高，几乎无法控制，并且大多数时候会导致爆炸。幸运的是，这种反应不会自发发生，只有当您用打火机点燃气体混合物时才会发生。
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如果用元素制造水如此危险，那么逆反应呢？将水分解成其两种组分要容易得多，称为水电解。以这种方式制造氢气或氧气似乎很简单。但正如您可能怀疑的那样，这种逆反应需要能量输入，这就是为什么它也称为吸热反应。在水电解中，用于反应发生的能量来源是电。产生电的一种简单方法是使用电池。然而，由于纯水不善于导电，因此电解需要添加电解质，例如盐或酸。电解质溶解在水中并分离成离子（带电粒子），这些离子在溶液中移动并能够以这种方式导电。为了向溶液中添加电力，您还需要两个与水接触的电导体。这些被称为电极，主要由金属或其他导电材料制成。当电流施加到电极时，电解质中的离子（带电原子）——包括带正电的质子 (H+) 和带负电的氢氧根离子 (OH-)（它们是水自电离的结果）——开始向带相反电荷的电极移动，在那里产生氢气或氧气。您可以在此活动中亲眼看到这一点，甚至可以捕获两种气体！
材料
防水工作区
成人助手
自动铅笔笔芯（足够粗，不会断裂）——或一支木制铅笔和一把刀，让您的成人助手 取出笔芯
胶水
橡皮泥或其他粘土
两到三个一次性塑料杯（透明塑料 18 盎司杯效果最佳。）
剪刀
永久性记号笔
两个金属图钉
蒸馏水
小苏打
9 伏电池
两根透明吸管（超大尺寸）
茶匙
医用滴管
计时器
纸巾
pH 试纸（可选）
食盐（氯化钠—NaCl）（可选）
准备工作
您的工作区应防水；活动期间可能会发生水 spill。
收集您结实的自动铅笔笔芯。确保您有两段约 2.5 厘米（一英寸）长的笔芯。如果您选择使用木制铅笔，请让成人拿刀从铅笔中取出铅芯。（为此，您还应该获得两段约 2.5 厘米长的笔芯）。这些将成为您的石墨电极。
用剪刀小心地剪下（或让成人剪下）一个塑料杯开口端的周围，使其高度与 9 伏电池的高度相同。在杯子底部切一个孔，以便电池的尖端（带有两个极）可以穿过。
拿起另一个杯子，将该杯子的底部放在 9 伏电池的顶部。用永久性记号笔，在杯子的底部，在杯子接触电池两个极的点上画两个点。
将杯子从电池上移开，然后用图钉在您标记的塑料杯底部的每个点上打一个孔。
小心地将两根石墨（铅笔芯）针穿过两个孔，每个孔穿过一根。您可能需要将孔稍微扩大一点，以便它们可以穿过。
在杯子外侧的石墨针周围涂上胶水以形成密封，然后使其干燥。这应该可以防止水泄漏。确保石墨针没有完全被胶水覆盖，否则它们将不再与电池接触。
将切好的杯子开口朝下放在电池上。杯子底部和电池应紧密贴合，形成一个水平表面，您可以在其上放置另一个杯子。
将带有石墨针的杯子倒置，放在切好的杯子上，放在电池的顶部。它应该牢固地放在那里，并且每根石墨针都应接触电池的一个极。
用橡皮泥或粘土密封两根超大饮用吸管的一端。
步骤
拿起带有石墨针的杯子，倒入约 300 毫升蒸馏水到杯子中，远离电池。确保它没有泄漏。如果是，您可能需要添加更多胶水以形成紧密密封。注意：一旦将杯子放在电池顶部，您要避免触摸水或电极，因为您可能会感觉到手指刺痛。
与之前一样，将其放在倒置的、切好的杯子上，放在电池的顶部，以便每根石墨针都接触电池的一个极。您可能需要稍微向下按压以使其良好连接。观察两个石墨电极。你看到了什么？电极上正在发生什么吗？
从电池上取下装满蒸馏水的杯子。用一茶匙装满小苏打，并将其搅拌到蒸馏水中，直到全部溶解。您认为小苏打会改变什么？它有什么作用？
现在将杯子放回电池顶部，并将石墨电极与电池极连接。您现在观察到什么？石墨针上发生了什么吗？您认为反应产物是什么？比较每个石墨电极上发生的反应。您能看到两侧之间的差异吗？是否有一个石墨电极上的反应更明显？这根石墨针连接到电池的哪个极，正极还是负极？
将鼻子伸入杯子中，闻一下反应产物的气味。有气味吗？如果有，闻起来怎么样？
再次从电池上取下杯子。用医用滴管，用杯子内部装有石墨针的小苏打溶液填充两个堵塞的超大吸管。一旦它们装满，用手指封住每个吸管的开口，然后将它们倒过来。将它们浸入装有小苏打溶液的杯子中，然后小心地将它们放在石墨针的顶部（每根针上放一根吸管），以便吸管始终充满小苏打溶液。如果吸管不能保持直立，您可以将它们靠在杯子侧面。您认为吸管会发生什么？
一旦将吸管放在石墨针的顶部，将杯子放回电池顶部。将其放在那里 10 分钟，然后稍微向下按压杯子，以确保电极保持连接，并且电极反应在该时间内持续发生。观察您放在石墨针顶部的超大吸管。您放入其中的水发生了什么变化？您是否注意到两根吸管中水位之间存在差异？哪个水位较高，哪个水位较低；它们分别连接到电池的哪个极？
10 分钟结束后，用永久性记号笔标记每根吸管中的水位。与正极相比，负极上的反应产物置换了多少水？是相同、两倍还是三倍？
额外内容：如果您有任何可以测量溶液酸碱度的 pH 试纸，请使用它们来测量每根超大吸管中的 pH 值，一旦水位下降约 50%。小心地从电极上取下超大吸管，并在将其从电极上提起后立即用手指封住每个吸管的开口。确保您不会丢失内部的水，将 pH 试纸浸入其中。试纸显示什么颜色，这代表什么 pH 值？两根吸管中的溶液之间是否有差异？它们有何不同，您认为这是什么原因造成的？
额外内容：重复实验，但不要在蒸馏水中添加小苏打，而是添加一茶匙食盐（氯化钠或 NaCl），让电解进行五分钟。电极反应是否发生变化？反应产物的气味如何；这次您能辨别出某种气味吗？您认为这是为什么？
额外内容：将石墨电极更换为金属图钉。您可能需要为此使用一个新的杯子。将图钉推入杯子底部，使其彼此不接触，但当您将杯子放在电池顶部时，每个图钉都接触电池的一个极。使用图钉时，无需胶水密封。重复原始步骤，但这次在蒸馏水中添加一茶匙食盐。观察电极反应。这次发生了什么？仔细观察连接到电池正极的针。除了气体外，您还能看到其他反应产物吗？您认为发生了什么？再次取出金属图钉后，它们看起来怎么样？
观察和结果
您是否能够将水分解成氢气和氧气？您是否看到两个石墨针上都产生了很多气泡？最初，当您将装有蒸馏水的杯子放在电池顶部时，您可能没有看到石墨电极上发生太多事情。这是因为蒸馏水不能很好地导电，因此不可能发生或仅可能发生轻微的电极反应。但是，如果您添加电解质（如小苏打），则添加的离子可以导电，您应该已经看到两个石墨针上都冒出气泡。在一侧，在正极处，产生氧气，而在负极处，产生氢气。
当您仔细观察时，您可能已经观察到，连接到电池负极的石墨电极上形成的气体比另一侧多。用超大吸管收集两种气体可能更好地证明了这一点。10 分钟后，负极处的水位应约为正极处的一半，这意味着您收集到的氢气量约为氧气的两倍。差异是由于一个水分子具有两个氢原子和一个氧原子，如上所述。这意味着需要两个水分子 (2 H2O) 才能制造一个氧分子 (O2)。然而，与此同时，两个水分子 (2 H2O) 可以制造两个氢分子 (2 H2)。当氢气和氧气在电极上形成时，水中剩余的反应产物是质子（氧气侧的 H+）和氢氧根离子（氢气侧的 OH-）。您可以通过将 pH 试纸放入每个电极上方的超大吸管中的溶液中来可视化这一点。放在电池负极电极顶部的吸管中的溶液应显示碱性 pH 值（7 或更高），而另一根吸管中的溶液应显示酸性 pH 值（pH 值小于 7）。
如果溶液中有与氢气或氧气产生竞争的离子，也可能发生其他电极反应。您可能已经观察到，一旦您在电解质中添加盐（氯化钠），它就开始闻起来像游泳池的味道。在正极电池极处产生的是氯气而不是氧气，氯气也用于游泳池水的消毒。如果您使用金属图钉代替石墨针作为电极，则金属（通常是钢或黄铜）会在正极电池极处溶解或腐蚀，并且除了（或除了）气体产生外，您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其组分的Technique，还可以驱动其他原本不会自发发生的反应。
清理
用纸巾清理任何溢出物。将含有电解质（小苏打或盐）的水倒入排水沟。从杯子中取出电极（石墨针或金属图钉）并将它们放入垃圾桶。将塑料杯和密封的超大吸管扔进垃圾桶。您可以重复使用 9 伏电池。
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