核心概念
水
化學
電
分子
簡介
您每天都在使用它，並且沒有它就無法生存——不，它不是網際網路，而是水！它是世界上最重要的化合物之一，並且在各地已成為日益重要的問題。您可能聽說過，在許多地方，乾旱或水汙染限制了清潔飲用水的供應，而且這些供應還在不斷減少。考慮到這一點，您是否曾想過為什麼我們不自己製造水呢？水實際上是由什麼構成的？在這個科學活動中，您將使用電能的形式將水分解成其各個組成部分；因此，收集所有材料，準備好找出它們是什麼——並親自將它們分離出來！
背景
要了解水是由什麼構成的，檢視其化學式 H2O 會有所幫助。這基本上告訴我們，水分子由兩種元素組成：氫和氧，或者更準確地說，是兩個氫原子 (H2) 和一個氧原子 (O)。氫氣和氧氣在室溫下都是氣體。那麼，這是否意味著我們可以簡單地將兩種氣體結合起來，然後就能得到水呢？事情並沒有那麼簡單。方程式中缺少的是化學反應的能量成分。用元素製造水會產生大量能量。產生能量的化學反應也稱為放熱反應。在氫氣和氧氣的情況下，釋放的能量非常高，幾乎無法控制，並且大多數時候會導致爆炸。幸運的是，這種反應不會自發發生，只有當您用打火機點燃氣體混合物時才會發生。
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如果用元素製造水如此危險，那麼逆反應呢？將水分解成其兩種組分要容易得多，稱為水電解。以這種方式製造氫氣或氧氣似乎很簡單。但正如您可能懷疑的那樣，這種逆反應需要能量輸入，這就是為什麼它也稱為吸熱反應。在水電解中，用於反應發生的能量來源是電。產生電的一種簡單方法是使用電池。然而，由於純水不善於導電，因此電解需要新增電解質，例如鹽或酸。電解質溶解在水中並分離成離子（帶電粒子），這些離子在溶液中移動並能夠以這種方式導電。為了向溶液中新增電力，您還需要兩個與水接觸的電導體。這些被稱為電極，主要由金屬或其他導電材料製成。當電流施加到電極時，電解質中的離子（帶電原子）——包括帶正電的質子 (H+) 和帶負電的氫氧根離子 (OH-)（它們是水自電離的結果）——開始向帶相反電荷的電極移動，在那裡產生氫氣或氧氣。您可以在此活動中親眼看到這一點，甚至可以捕獲兩種氣體！
材料
防水工作區
成人助手
自動鉛筆筆芯（足夠粗，不會斷裂）——或一支木製鉛筆和一把刀，讓您的成人助手 取出筆芯
膠水
橡皮泥或其他粘土
兩到三個一次性塑膠杯（透明塑膠 18 盎司杯效果最佳。）
剪刀
永久性記號筆
兩個金屬圖釘
蒸餾水
小蘇打
9 伏電池
兩根透明吸管（超大尺寸）
茶匙
醫用滴管
計時器
紙巾
pH 試紙（可選）
食鹽（氯化鈉—NaCl）（可選）
準備工作
您的工作區應防水；活動期間可能會發生水 spill。
收集您結實的自動鉛筆筆芯。確保您有兩段約 2.5 釐米（一英寸）長的筆芯。如果您選擇使用木製鉛筆，請讓成人拿刀從鉛筆中取出鉛芯。（為此，您還應該獲得兩段約 2.5 釐米長的筆芯）。這些將成為您的石墨電極。
用剪刀小心地剪下（或讓成人剪下）一個塑膠杯開口端的周圍，使其高度與 9 伏電池的高度相同。在杯子底部切一個孔，以便電池的尖端（帶有兩個極）可以穿過。
拿起另一個杯子，將該杯子的底部放在 9 伏電池的頂部。用永久性記號筆，在杯子的底部，在杯子接觸電池兩個極的點上畫兩個點。
將杯子從電池上移開，然後用圖釘在您標記的塑膠杯底部的每個點上打一個孔。
小心地將兩根石墨（鉛筆芯）針穿過兩個孔，每個孔穿過一根。您可能需要將孔稍微擴大一點，以便它們可以穿過。
在杯子外側的石墨針周圍塗上膠水以形成密封，然後使其乾燥。這應該可以防止水洩漏。確保石墨針沒有完全被膠水覆蓋，否則它們將不再與電池接觸。
將切好的杯子開口朝下放在電池上。杯子底部和電池應緊密貼合，形成一個水平表面，您可以在其上放置另一個杯子。
將帶有石墨針的杯子倒置，放在切好的杯子上，放在電池的頂部。它應該牢固地放在那裡，並且每根石墨針都應接觸電池的一個極。
用橡皮泥或粘土密封兩根超大飲用吸管的一端。
步驟
拿起帶有石墨針的杯子，倒入約 300 毫升蒸餾水到杯子中，遠離電池。確保它沒有洩漏。如果是，您可能需要新增更多膠水以形成緊密密封。注意：一旦將杯子放在電池頂部，您要避免觸控水或電極，因為您可能會感覺到手指刺痛。
與之前一樣，將其放在倒置的、切好的杯子上，放在電池的頂部，以便每根石墨針都接觸電池的一個極。您可能需要稍微向下按壓以使其良好連線。觀察兩個石墨電極。你看到了什麼？電極上正在發生什麼嗎？
從電池上取下裝滿蒸餾水的杯子。用一茶匙裝滿小蘇打，並將其攪拌到蒸餾水中，直到全部溶解。您認為小蘇打會改變什麼？它有什麼作用？
現在將杯子放回電池頂部，並將石墨電極與電池極連線。您現在觀察到什麼？石墨針上發生了什麼嗎？您認為反應產物是什麼？比較每個石墨電極上發生的反應。您能看到兩側之間的差異嗎？是否有一個石墨電極上的反應更明顯？這根石墨針連線到電池的哪個極，正極還是負極？
將鼻子伸入杯子中，聞一下反應產物的氣味。有氣味嗎？如果有，聞起來怎麼樣？
再次從電池上取下杯子。用醫用滴管，用杯子內部裝有石墨針的小蘇打溶液填充兩個堵塞的超大吸管。一旦它們裝滿，用手指封住每個吸管的開口，然後將它們倒過來。將它們浸入裝有小蘇打溶液的杯子中，然後小心地將它們放在石墨針的頂部（每根針上放一根吸管），以便吸管始終充滿小蘇打溶液。如果吸管不能保持直立，您可以將它們靠在杯子側面。您認為吸管會發生什麼？
一旦將吸管放在石墨針的頂部，將杯子放回電池頂部。將其放在那裡 10 分鐘，然後稍微向下按壓杯子，以確保電極保持連線，並且電極反應在該時間內持續發生。觀察您放在石墨針頂部的超大吸管。您放入其中的水發生了什麼變化？您是否注意到兩根吸管中水位之間存在差異？哪個水位較高，哪個水位較低；它們分別連線到電池的哪個極？
10 分鐘結束後，用永久性記號筆標記每根吸管中的水位。與正極相比，負極上的反應產物置換了多少水？是相同、兩倍還是三倍？
額外內容：如果您有任何可以測量溶液酸鹼度的 pH 試紙，請使用它們來測量每根超大吸管中的 pH 值，一旦水位下降約 50%。小心地從電極上取下超大吸管，並在將其從電極上提起後立即用手指封住每個吸管的開口。確保您不會丟失內部的水，將 pH 試紙浸入其中。試紙顯示什麼顏色，這代表什麼 pH 值？兩根吸管中的溶液之間是否有差異？它們有何不同，您認為這是什麼原因造成的？
額外內容：重複實驗，但不要在蒸餾水中新增小蘇打，而是新增一茶匙食鹽（氯化鈉或 NaCl），讓電解進行五分鐘。電極反應是否發生變化？反應產物的氣味如何；這次您能辨別出某種氣味嗎？您認為這是為什麼？
額外內容：將石墨電極更換為金屬圖釘。您可能需要為此使用一個新的杯子。將圖釘推入杯子底部，使其彼此不接觸，但當您將杯子放在電池頂部時，每個圖釘都接觸電池的一個極。使用圖釘時，無需膠水密封。重複原始步驟，但這次在蒸餾水中新增一茶匙食鹽。觀察電極反應。這次發生了什麼？仔細觀察連線到電池正極的針。除了氣體外，您還能看到其他反應產物嗎？您認為發生了什麼？再次取出金屬圖釘後，它們看起來怎麼樣？
觀察和結果
您是否能夠將水分解成氫氣和氧氣？您是否看到兩個石墨針上都產生了很多氣泡？最初，當您將裝有蒸餾水的杯子放在電池頂部時，您可能沒有看到石墨電極上發生太多事情。這是因為蒸餾水不能很好地導電，因此不可能發生或僅可能發生輕微的電極反應。但是，如果您新增電解質（如小蘇打），則新增的離子可以導電，您應該已經看到兩個石墨針上都冒出氣泡。在一側，在正極處，產生氧氣，而在負極處，產生氫氣。
當您仔細觀察時，您可能已經觀察到，連線到電池負極的石墨電極上形成的氣體比另一側多。用超大吸管收集兩種氣體可能更好地證明了這一點。10 分鐘後，負極處的水位應約為正極處的一半，這意味著您收集到的氫氣量約為氧氣的兩倍。差異是由於一個水分子具有兩個氫原子和一個氧原子，如上所述。這意味著需要兩個水分子 (2 H2O) 才能製造一個氧分子 (O2)。然而，與此同時，兩個水分子 (2 H2O) 可以製造兩個氫分子 (2 H2)。當氫氣和氧氣在電極上形成時，水中剩餘的反應產物是質子（氧氣側的 H+）和氫氧根離子（氫氣側的 OH-）。您可以透過將 pH 試紙放入每個電極上方的超大吸管中的溶液中來視覺化這一點。放在電池負極電極頂部的吸管中的溶液應顯示鹼性 pH 值（7 或更高），而另一根吸管中的溶液應顯示酸性 pH 值（pH 值小於 7）。
如果溶液中有與氫氣或氧氣產生競爭的離子，也可能發生其他電極反應。您可能已經觀察到，一旦您在電解質中新增鹽（氯化鈉），它就開始聞起來像游泳池的味道。在正極電池極處產生的是氯氣而不是氧氣，氯氣也用於游泳池水的消毒。如果您使用金屬圖釘代替石墨針作為電極，則金屬（通常是鋼或黃銅）會在正極電池極處溶解或腐蝕，並且除了（或除了）氣體產生外，您應該看到金屬圖釘變成紅棕色。這表明電解不僅是一種將水分解成其組分的Technique，還可以驅動其他原本不會自發發生的反應。
清理
用紙巾清理任何溢位物。將含有電解質（小蘇打或鹽）的水倒入排水溝。從杯子中取出電極（石墨針或金屬圖釘）並將它們放入垃圾桶。將塑膠杯和密封的超大吸管扔進垃圾桶。您可以重複使用 9 伏電池。
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