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（六）探究水的组成及变化
实验深度突破
一、实验基础：电解水的本质
1.实验原理
化学反应：2H2O2H2↑+O2↑
科学依据：
化学反应中元素种类不变，通过产物推断反应物组成。
水由水分子构成，通电时分子分裂为氢原子（H）和氧原子（O），原子重新组合成氢分子（H2）和氧分子（O2）。
2.实验装置
传统装置：
核心仪器：
电源：必须为直流电源（如蓄电池、学生电源）。
电极：通常用石墨电极或铂电极（惰性电极，不易反应）。
电解液：稀硫酸（H2SO4）或氢氧化钠（NaOH）溶液（增强导电性，纯水几乎不导电）。
二、实验操作全流程
1.实验步骤
（1）组装与检查：
连接电解水装置，检查气密性（确保玻璃管连接处不漏气）。
（2）添加电解液：
向电解器中加水，滴入5-10滴稀硫酸或NaOH溶液（浓度约5%），液面接近玻璃管顶端，预留气体收集空间。
（3）接通电源：
闭合开关，接通直流电源（电压6-12V，学生实验常用低电压）。
（4）观察与记录：
记录通电时间，观察电极处气泡产生速率及玻璃管内液面变化。
待气体收集到一定体积（如玻璃管容积的1/2），断开电源。
（5）气体检验：
正极气体（氧气）：用燃烧的木条靠近玻璃管尖嘴，缓慢打开活塞，木条燃烧更旺则为氧气。
负极气体（氢气）：用燃烧的木条靠近玻璃管尖嘴，缓慢打开活塞，产生淡蓝色火焰，说明是氢气。
2.关键现象
通电阶段：
（1）两极均产生气泡，负极（与电源负极相连）气泡速率更快。
（2）玻璃管内液面下降，气体体积逐渐增大。
气体体积比：
（1）理论值：负极气体体积∶正极气体体积=2∶1。
（2）实际观察：初始阶段体积比可能略大于2∶1（氧气在水中溶解度略高于氢气，或电极消耗部分氧气）。
（简单概括：正氧负氢，氢二氧一）
三、实验结论与科学推理
1.核心结论
宏观层面：水由氢元素（H）和氧元素（O）组成。
微观层面：
（1）水分子由氢原子和氧原子构成；
（2）1个水分子含2个氢原子和1个氧原子。
（3）化学反应的本质是分子分裂为原子，原子重新组合成新分子（化学变化中原子种类、数目不变）。
定量关系：生成氢气和氧气的体积比为2∶1，质量比为1∶8（可通过密度计算推导）。
2.误差分析
误差类型 可能原因 改进方法
体积比大于2∶1 ①氧气溶解度大于氢气； ②电极氧化消耗氧气 ①预先煮沸电解液排出溶解气体； ②使用铂电极
气体无法点燃或复燃 ①气体量不足； ②装置漏气 ①延长通电时间； ②检查装置气密性
四、实验注意事项（安全与规范）
1、电源安全：
必须使用直流电源，且电压不超过12V（避免触电风险）。
2、电解液防护：
稀硫酸和NaOH溶液具有腐蚀性，避免接触皮肤和衣物，若不慎接触需立即用大量水冲洗。
3、氢气验纯：
点燃氢气前必须验纯！若气体不纯，点燃可能发生爆炸（氢气爆炸极限：4%-74.2%）。
4、装置检查：
实验前确保玻璃管无裂纹，连接处密封良好，防止气体泄漏影响实验结果。
五、实验改进与创新装置
1.简易家庭版装置
材料：透明塑料瓶（去底）、回形针（电极）、电池、导线、食盐溶液（代替电解液，需注意：电解食盐水会生成Cl2，需在通风处操作）。
优点：取材方便，适合课外探究。
2.刻度优化装置
改进点：在玻璃管外侧贴刻度贴纸，精确记录气体体积变化，直观对比2∶1比例。
优点：减少人为估算误差，适合课堂演示。
六、实验拓展与知识延伸
1.拓展实验：氢气燃烧验证水的生成
原理：2H2+O22H2O
操作：
用干燥烧杯罩在氢气燃烧火焰上方，观察内壁出现无色液滴（证明生成水）。
意义：与电解水实验形成“分解-合成”闭环，双向验证水的组成。
2.跨学科联系
物理学视角：电能转化为化学能（电解过程），体现能量守恒定律。
环保应用：电解水制氢气可作为清洁能源（氢能源）的制备途径，但需消耗大量电能，目前正研究太阳能电解等绿色方法。
3.科学史链接
卡文迪许实验：18世纪英国科学家卡文迪许通过氢气燃烧实验首次证明水是化合物，推翻“水是单质”的传统观念。
拉瓦锡贡献：法国化学家拉瓦锡通过定量实验确定水的元素组成，奠定近代化学基础。
中考命题探秘
一、考情分析
在历年中考化学试卷中，电解水实验频繁出现，是重点考查内容。其考查的知识点涵盖了实验现象、实验结论、气体检验、实验原理以及实验装置等多个方面。随着教育对学生科学素养和探究能力的重视程度不断提高，对电解水实验的考查也更加深入和灵活，不再局限于对基础知识的简单记忆，而是更注重考查学生对实验的理解和应用能力，以及分析问题、解决问题的能力。
二、考查形式
1.选择题：常以四选一的形式出现，要求学生从多个选项中选择关于电解水实验描述正确或错误的一项。选项内容可能涉及实验现象（如两极产生气体的状态、颜色、体积比等）、实验结论（水的元素组成、分子构成等）、实验原理（化学反应方程式的书写及含义）、实验条件（电源类型、电解液的作用等）以及气体的性质和检验方法等方面。
2.填空题：主要考查学生对电解水实验关键信息的准确记忆和书写。例如，要求填写实验中两极产生的气体名称、气体的体积比；写出电解水的化学反应方程式；根据实验现象推导水的组成元素等。有时也会让学生分析实验过程中出现某些现象或问题的原因。
3.实验探究题：这类题型综合性较强，通常会给出电解水的实验装置图或实验情境，然后提出一系列问题。可能包括实验步骤的完善（如补充实验前的准备工作、实验操作的具体顺序等）；对实验现象的详细描述和解释；根据实验目的对实验装置进行改进或评价；通过实验数据的分析得出结论；探究影响电解水速率或实验结果的因素等。此外，还可能结合微观粒子的知识，让学生从微观角度解释电解水的过程。
三、中考所占分值或比例
电解水实验在中考化学中所占分值和比例因地区而异。在大多数地区，单独考查电解水实验的分值一般在2-4分左右。如果与其他知识点综合考查，分值可能会有所增加，在一些综合性较强的试卷中，与电解水实验相关的内容分值可能达到5-8分。整体来看，其分值大约占中考化学总分的3%-6%。
四、中考预测
1.联系实际应用：未来中考可能会更多地将电解水实验与实际生活、科技发展相联系。例如，以水电解制氢在新能源领域的应用为背景，考查学生对电解水实验原理、条件以及产物性质的理解；或者探讨电解水技术在污水处理、海水淡化等方面的潜在应用，要求学生分析其可行性和优势。
2.强化探究能力：实验探究题的比重可能会进一步加大，对学生的实验设计、操作、观察、分析和评价能力提出更高要求。可能会出现一些开放性的探究问题，如让学生设计实验验证电解水实验中气体体积比的理论值与实际值存在差异的原因，或者探究不同电解液对电解水速率和产物纯度的影响等。
3.融合多学科知识：随着跨学科理念的推进，中考可能会将化学与物理、生物等学科知识融合考查。比如，从物理角度考查电解水过程中的电能转化、电极材料的导电性；从生物角度探讨电解水产生的氢气和氧气对生物生长和代谢的影响等。
4.考查微观本质：结合微观示意图或模型，考查学生对电解水过程中分子、原子变化的理解，以及化学反应本质的认识。例如，通过给出电解水前后微观粒子的变化示意图，让学生判断粒子的种类、数量变化，以及化学反应的微观实质。
五、备考建议
1.夯实基础知识：深入理解电解水实验的原理，牢记实验现象（正氧负氢，氢二氧一）、实验结论（水由氢氧元素组成）以及气体的检验方法（氢气用燃着的木条，氧气用带火星的木条）。熟练掌握电解水的化学反应方程式，并理解其含义。
2.注重实验操作细节：了解实验所需的仪器和装置，掌握实验操作步骤和注意事项。例如，实验使用的是直流电；为增强水的导电性，常加入少量稀硫酸或氢氧化钠溶液；实验前要检查装置的气密性等。有条件的话，亲自参与实验操作，通过实践加深对实验细节的理解和记忆。
3.构建知识网络：将电解水实验与其他相关知识建立联系，形成完整的知识体系。比如，将水的组成与物质的分类、元素的概念相联系；将电解水的化学反应与质量守恒定律、化学方程式的书写和计算相结合；将氢气和氧气的性质与气体的制取、收集、检验等知识串联起来。
4.加强练习与总结：通过做大量的练习题，熟悉各种考查形式和题型，总结解题方法和技巧。对于做错的题目，要认真分析原因，找出自己的知识漏洞和薄弱环节，有针对性地进行强化训练。同时，要注意对相似知识点的对比和辨析，避免混淆。
5.关注学科前沿和实际应用：平时多关注化学学科的前沿动态，了解电解水实验在实际生产生活中的应用案例，拓宽知识面。这样不仅可以提高学习兴趣，还能在考试中更好地应对与实际应用相关的题目，提高知识的迁移能力和应用能力。
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考点提分训练（六）水的组成及变化
一、选择题
1．如图是电解水的简易实验装置图，下列说法正确的是（ ）
A．正、负极产生的气体质量比为1:8
B．水中需加入少量NaOH溶液以增强导电性
C．实验可证明水是由氢气和氧气组成
D．b中气体是一种洁净的清洁能源
2．如图是电解水的装置示意图，下列说法不正确的是（ ）
A．a端是电源的负极
B．该实验说明水由氢元素和氧元素组成
C．电解水时，在水中加入少量氢氧化钠可以增强水的导电性
D．试管c中收集的气体与试管d中收集的气体的质量比约为1∶2
3．为探究不同电压对电解水速率的影响，某兴趣小组用如图装置进行多次实验，并记录不同电压下生成20 mL氧气所需时间。下列分析不正确的是（ ）
A．b管与电源正极相连
B．该实验能探究水的组成
C．a管与b管中气体体积比为2:1
D．该实验中，电压越高电解水的速率越慢
4．同学们在完成“电解水实验”时，发现该反应速率较慢，且产物氢气与氧气的体积比很难达到理论值。为探究电解水时所需NaOH溶液的最佳浓度，在图1所示装置中分别注入质量分数为10%、12%、14%、16%、18%、20%的NaOH溶液，在9V电压下电解3min，产生氢气和氧气的体积如图2所示。下列说法正确的是（ ）
A．管a中产生的气体能支持燃烧
B．上述反应中原子、分子的种类和数目都不变
C．该实验中氢氧化钠溶液的浓度越大，产生气体的速率越快
D．电解质量分数为14%的NaOH溶液所产生的氢气、氧气体积比最接近理论值
5．电解水，反应一段时间后，用燃着的木条检验生成的气体，记录的现象如下表。相关说法错误的是（ ）
两电极 正极端的玻璃管 负极端的玻璃管
现象 有气泡 体积为5.15mL，木条燃得更旺 体积为10.38mL，气体燃烧
A．通电前应将玻璃管内空气排尽
B．两电极产生气泡的速率不相同
C．正极气体为氧气，负极气体为氢气
D．结合气体密度可计算水中氢、氧原子个数比
6．空间站利用如图电解水的装置制取氧气。供水膜能保证只有水分子通过。下列说法错误的是( )
A．通过供水膜得到的水为纯净物
B．电解质KOH增强水的导电性，
C．正极产生的气体是氢气
D．实验可证明水由氢、氧元素组成
二、实验探究题
7．如图为电解水的实验简易装置图，据此回答：
（1）在水的电解实验中，水中事先加入少量硫酸钠的作用是 。
（2）接通电源观察两电极都有 产生。
（3）C试管中收集到的气体是 ，可以用 检验 。
（4）电源B是 极。（填正或负）
（5）实验得出结论：水是由 组成的。
（6）水的分解过程中，发生变化的微粒是 ，保持不变的微粒是 。（填具体的微粒名称）
8．如图1为某同学进行电解水实验的装置图，试回答下列问题：
（1）图1中A端为电源的 （填“正”或“负”）极。
（2）在电解水实验中，将两极产生的气体的体积与时间的关系绘制成如图2所示的图像。由图2看出，a气体是 ， b气体是 。
（3）从微观上分析：下列说法正确的是____（填字母）。
A．水是由氢气和氧气组成的
B．水是由氢原子和氧原子构成的
C．每个水分子是由2个氢原子和1个氧原子构成的
（4）如果管C中气体的体积为10 mL，则管D中气体的体积约为 ；实验操作中，发现二者体积比偏小，造成体积比偏小的原因可能是 （写一条即可）。
（5）实验中常用 检验管C中气体。点燃D中气体，观察到气体燃烧，发出 色火焰。
（6）写出水在通电条件下发生反应的化学方程式 。在此反应过程中，发生改变的微粒是 （写具体微粒符号），没有改变的微粒是 （同上）。
9．人类的日常生活和工农业生产离不开水。为探究水的组成及变化，某小同学设计如图装置进行电解水实验，先在电解器玻璃管里加满水（含少量NaOH），再接通直流电源。已知：水中加入的NaOH只起增强导电性作用，本身不参与反应。回答下列问题：
（1）电解时，乙玻璃管中产生气泡的位置在 （填“a”“b”或“c”）处。
（2）甲、乙两支玻璃管中生成气体的体积比约为 。
（3）切断电源后，用燃着的木条在乙玻璃管尖嘴口检验产生的气体，观察到的现象是 。
（4）电解时，水分子分解示意图如下，补全横线上的模型图。
（5）电解纯水速率较慢，为探究不同电压和不同浓度NaOH溶液对电解水速率的影响，小组同学进行多次实验，测得产生20mL氢气所需时间如下图：
电解溶质质量分数为5%的NaOH溶液时，改变电压对电解水速率的影响是 。
10．实验课上，同学们做了电解水的实验
（1）电解水时，通常要加入少量氢氧化钠或硫酸钠，目的是 。
（2）写出电解水的化学方程式 。
（3）某同学在做电解水实验时，向水中加入氯化钠，发现与正极相连的石墨电极上出现黄绿色气体。
[提出问题]加入氯化钠的水通电时，石墨电极上分别生成了什么气体？
[查阅资料]①氯气(Cl2)是一种黄绿色、有刺激性气味的有毒气体。常温下1体积水里能溶解2体积的氯气；
②氯化钠溶液就是在水中加入氯化钠固体。
[提出假设]假设1：氧气和氯气；假设2：氢气和氧气；假设3：氢气和氯气。
[设计实验]用如图所示装置来电解氯化钠溶液，并收集两个电极上产生的气体。
实验步骤 实验现象 解释或结论
①按照如图装置，通电一段时间后，用a、b两支试管分别收集两根石墨电极上产生的气体，观察气体颜色 试管a收集到 气体，试管b收集到 气体 假设2错误
②用拇指堵住试管b，移近点燃的酒精灯，移开拇指点火 听到爆鸣声 证明b试管中收集到的气体为
（4）[实验结论]氯化钠溶液通电时，氯化钠和水反应除了生成两种气体外，还生成了氢氧化钠，请写出该反应的化学方程式 。
（5）[反思与评价]
联系电解水的实验，要证明水的组成，你认为在电解水时 (填“可以”或“不可以”)加氯化钠溶液，原因是 。
答案详解
1．B
2．D
【解析】A、由口诀“水中通入直流电，正氧负氢会出现；氢二氧一体机比，燃着木条来检验。”可知，电解水时，a端是电源的负极，故A不符合题意；B、电解水生成氢气和氧气，氢气由氢元素组成，氧气由氧元素组成，由质量守恒定律可知，化学反应前后元素的种类不变，所以该实验说明水由氢元素和氧元素组成，故B不符合题意；C、纯水的导电性很弱，电解水时，在水中加入少量氢氧化钠或稀硫酸可以增强水的导电性，故C不符合题意；D、由口诀“水中通入直流电，正氧负氢会出现；氢二氧一体机比，燃着木条来检验。”可知，电解水时，正极产生气体和负极产生气体的体积关系为1：2，而产生氢气和氧气的质量比约为1：8，故D符合题意；故答案为：D。
3．D
【解析】A、电解水实验中“正氧负氢，氢二氧一”，b管收集到的气体较少，则是氧气，与电源正极相连，该说法正确，不符合题意；B、水通电分解生成氢气和氧气，氢气是由氢元素组成的，氧气是由氧元素组成的，根据质量守恒定律，化学反应前后元素种类不变，则说明水是由氢元素和氧元素组成的，该说法正确，不符合题意；C、电解水实验中“正氧负氢，氢二氧一”，b管收集到的气体较少，是氧气，a管收集到的气体较多，是氢气，a管与b管中气体体积比为2 ：1，该说法正确，不符合题意；D、收集相同体积的氢气时，电压越高所需时间越短，则相同条件下电压越大电解水的速率越快，该说法错误，符合题意。故答案为：D.
4．D
5．D
【解析】A：通电前需排尽玻璃管内空气，防止干扰气体检验。B：正极产生氧气、负极产生氢气，体积比约1:2，故气泡速率不同。C：正极气体使木条燃得更旺（氧气），负极气体燃烧（氢气），判断正确。D：计算水中氢、氧原子个数比需结合气体体积和密度，求出质量比后再换算，仅知体积无法直接计算原子个数比。
6．C
【解析】A：供水膜仅允许水分子通过，得到的水为纯净物。B：电解质（如KOH）可增强水的导电性，加快反应速率。C：电解水时，正极产生氧气，负极产生氢气，选项说法错误。D：电解水生成氢气和氧气，证明水由氢、氧元素组成。
7．（1）增强水的导电性
（2）气泡
（3）氧气；带火星的木条
（4）负
（5）氢、氧元素
（6）水分子；氢原子、氧原子
8．（1）正
（2）氢气或H2；氧气或O2
（3）C
（4）20mL；相同条件下，氧气在水中的溶解性大于氢气
（5）带火星的木条；淡蓝
（6）2H2O2H2↑+O2↑；H2O；H、O
【解析】（1）与电源正极相连的试管内收集到的气体少，是氧气。故A端为电源正极；
（2）电解水生成的氢气和氧气的体积比为2：1，a为氢气，b为氧气；（3）A、水是由氢元素和氧元素组成的。答案错误；B、水由水分子构成，水分子是由氢原子和氧原子构成的。答案错误；C、每个水分子是由两个氢原子和一个氧原子构成的。答案正确；故答案为：C。（4）C管中收集到的气体是氧气，D管中收集到的气体是氢气，如果管C中气体的体积为10 mL，则管D中气体的体积约为20mL；实验操作中，发现二者体积比偏小，造成体积比偏小的原因可能是：相同条件下，氧气在水中的溶解性大于氢气；（5）氧气具有助燃性，实验中常用带火星的木条检验氧气，点燃氢气时观察到的现象是气体燃烧，发出淡蓝色火焰；（6）水通电生成氢气和氧气，反应的表达式为水氢气+氧气；在此反应中发生改变的粒子是水分子，没有改变的粒子是氢原子和氧原子。
9．（1）c
（2）2：1
（3）燃着的木条燃烧更旺
（4）
（5）随着电压的增大，电解水速率增大
【解析】（1）电解水时，与电源正极相连的试管内收集到的气体是氧气，乙玻璃管中产生气泡的位置在c处；（2）负极收集到的气体是氢气，正极收集到的气体是氧气，氢气氧气的体积比为2：1；（3）切断电源后，用燃着的木条在乙玻璃管尖嘴口检验产生的气体，观察到的现象是：燃着的木条燃烧更旺；（4）水分子分解成氢原子和氧原子，每两个氢原子结合成一个氢分子，每两个氧原子结合成一个氧分子，横线上补充的应该是两个两个氢分子；（5）电解溶质质量分数为5%的NaOH溶液时，改变电压对电解水速率的影响是：随着电压的增大，电解水速率增大；
10．（1）增强水的导电性
（2）2H2O2H2+O2
（3）黄绿色；无色；氢气/H2
（4）2NaCl+2H2O2NaOH+H2+Cl2
（5）不可以；有氯气生成，无法证明水的组成
【解析】(1)电解水时，通常要加入少量氢氧化钠或硫酸钠，目的是增强水的导电性。
(2)水在通电的条件下反应生成氢气和氧气，该反应的化学方程式为2H2O2H2+O2。
(3)因为氢气和氧气都是无色的，氯气是黄绿色的，观察气体颜色，得出猜想2错误，所以收集到的气体一定有氯气；氧气具有助燃性能使带火星木条复燃，氢气具有可燃性，移近点燃的酒精灯，移开拇指点火能听到尖锐的爆鸣声，所以b试管中收集到的气体为氢气，a试管为氯气，为黄绿色气体；由上述实验结论可知，氯化钠和水在通电的条件下反应生成氢气、氯气和氢氧化钠，该反应的化学方程式为2NaCl+2H2O2NaOH+H2+Cl2。
(4)在电解水时不可以加氯化钠溶液，因为加入氯化钠，通电后有氯气生成，无法证明水的组成。
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