水的组成 · 知了学堂

知识背景

💡知识背景 · 从一个真实的问题说起

古希腊人把世界归结为水、火、土、气四种「元素」，水在其中排第一位。这个看法统治了西方两千多年，连炼金术士也深信水是最基本、不可再分的物质。

第一道裂缝出现在 1781 年。英国科学家卡文迪什把「可燃空气」（氢气）和空气混合后点燃，容器壁上凝出了露珠——他称出这些液体，发现就是纯水。水居然能被「造出来」，那它就不可能是最基本的元素。1785 年，法国化学家拉瓦锡把水蒸气通过烧红的铁管，得到了氢气，又反过来用氢气和氧气合成了水，并第一次给出了水的组成。

真正让水「原形毕露」的是电。1800 年，伏打电池刚发明几周，两位英国人就把电极插进水里，两根电极上同时冒出气泡，一边多一边少，比例稳定在 2 比 1。这个实验今天还在初中实验室里做，它把「水是什么」的答案摆在眼前：水不是元素，水由氢和氧两种元素组成。

知识讲解

电解水实验

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在水中加入少量硫酸钠或氢氧化钠（目的是增强水的导电性），接通直流电源，两个电极上都产生气体：

正极产生的气体能使带火星的木条复燃，是氧气（ $\mathrm{O_2}$ ），体积较少。
负极产生的气体能被点燃，火焰呈淡蓝色，是氢气（ $\mathrm{H_2}$ ），体积较多。
两者体积比约为 $V(\mathrm{H_2}):V(\mathrm{O_2})=2:1$ 。

口诀：「正氧负氢，氢二氧一」。

反应的化学方程式：

$\mathrm{2H_2O \xrightarrow{\text{通电}} 2H_2\uparrow + O_2\uparrow}$

🔑

结论：水在通电条件下分解生成氢气和氧气，说明水是由氢、氧两种元素组成的。由于反应中有新物质生成，电解水属于化学变化（分解反应）。

从实验到微观：水分子的构成

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水由水分子构成，每个水分子由 2 个氢原子和 1 个氧原子构成，化学式为 $\mathrm{H_2O}$ 。电解时水分子被拆开，氢原子两两结合成氢分子 $\mathrm{H_2}$ ，氧原子两两结合成氧分子 $\mathrm{O_2}$ 。

所以体积比 $2:1$ 的根源在于分子中原子的个数比，这是宏观现象与微观构成之间最漂亮的一次对应。

水的物理性质

性质	数值或描述
颜色·状态·气味	常温常压下无色、无味的液体
凝固点·沸点	$0\ ^\circ\mathrm{C}$ 结冰， $100\ ^\circ\mathrm{C}$ 沸腾（标准大气压下）
密度	$4\ ^\circ\mathrm{C}$ 时最大，为 $1.0\times10^3\ \mathrm{kg/m^3}$
反常膨胀	$0\sim4\ ^\circ\mathrm{C}$ 时温度升高体积反而变小
结冰体积	水结成冰体积变大约 $\dfrac{1}{11}$ ，故冰浮于水

⚖️容易混淆的三组说法

水是由氢元素和氧元素组成的（讲元素，用「组成」）；水分子是由氢原子和氧原子构成的（讲微粒，用「构成」）。
水中不含氢气和氧气。电解前水里没有氢分子、氧分子，气体是水分子分解后重新组合而成的。
质量比不等于体积比：氢氧体积比为 $2:1$ ，而质量比为 $1:8$ 。两个比值都要记住，别张冠李戴。

实验与探究

例电解水实验的完整操作与检验

利用简易电解器（霍夫曼水电解器）完成电解水实验，写出操作要点、现象与气体检验方法。

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实验目的：探究水的组成。

步骤：

在水电解器中注满水，加入少量氢氧化钠溶液以增强导电性。
接通直流电源（不能用交流电，否则正负极不断交换，无法区分气体）。
观察两极现象：两极均有气泡，负极气体体积约为正极的两倍。
待气体收集足够后断开电源，分别检验：用带火星的木条靠近正极的气体，木条复燃，证明是氧气；将燃着的木条靠近负极的气体，气体被点燃并发出淡蓝色火焰，证明是氢气。

结论：水通电分解生成氢气和氧气，水由氢、氧两种元素组成。误差讨论：实际测得的氢氧体积比常常略大于 2:1，原因有两条：一是氧气在水中的溶解能力比氢气强，溶掉了一部分；二是氧气可能与电极材料发生轻微反应而被消耗。所以答「大于 2:1」并说明氧气溶解得多，才是完整回答。

经典例题

例由体积比求质量比

电解水时，测得负极产生氢气 $20\ \mathrm{mL}$ 。已知在该条件下氢气密度约 $0.09\ \mathrm{g/L}$ ，氧气密度约 $1.43\ \mathrm{g/L}$ 。求正极产生氧气的体积，并计算两种气体的质量比（结果保留两位有效数字）。

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第一步：由电解水的体积规律求氧气体积。依据 $V(\mathrm{H_2}):V(\mathrm{O_2})=2:1$ ，得 $V(\mathrm{O_2})=\frac{1}{2}\times20=10\ \mathrm{mL}$ 。

第二步：统一单位。依据 $1\ \mathrm{L}=1000\ \mathrm{mL}$ ： $V(\mathrm{H_2})=0.020\ \mathrm{L}$ ， $V(\mathrm{O_2})=0.010\ \mathrm{L}$ 。

第三步：求各自质量，依据 $m=\rho V$ ： $m(\mathrm{H_2})=0.09\times0.020=1.8\times10^{-3}\ \mathrm{g}$ ， $m(\mathrm{O_2})=1.43\times0.010=1.43\times10^{-2}\ \mathrm{g}$ 。

第四步：求质量比： $m(\mathrm{H_2}):m(\mathrm{O_2})=1.8\times10^{-3}:1.43\times10^{-2}\approx1:7.9\approx1:8$ 。

第五步：解释这个 $1:8$ 。它不是巧合，而是由化学式 $\mathrm{H_2O}$ 决定的：氢原子相对原子质量为 1，氧为 16，则质量比 $=(1\times2):(16\times1)=2:16=1:8$ 。答：氧气体积 $10\ \mathrm{mL}$ ，质量比约 $1:8$ 。注意：体积比 $2:1$ 、质量比 $1:8$ ，两个比值的「大小方向」正好相反，考试最容易在这里丢分。

难点与易错点

⚠️难点 · 易错点

把「正氧负氢」记反：正极氧气少，负极氢气多，考前默写一遍。
说「水由氢气和氧气组成」：错。水由氢元素和氧元素组成，水中并不存在氢气分子和氧气分子。
混淆体积比与质量比：体积比 $2:1$ （氢比氧），质量比 $1:8$ （氢比氧）。
忘记加硫酸钠或氢氧化钠的目的：是增强导电性，不是提供氢或氧；纯水导电性很弱，实验会很慢。
用交流电源：必须用直流电源，否则两极产物混杂，无法判断。
认为电解水是物理变化：有新物质生成，是化学变化。
忘记水的反常膨胀： $4\ ^\circ\mathrm{C}$ 时水密度最大；结冰体积变大，所以冬天水管会被冻裂。

生活中的应用

🌏生活中的应用

氢燃料公交车：杭州等城市试点氢燃料电池车，氢气燃烧（或在燃料电池中反应）的产物只有水，是真正的零碳排放；氢气则可用电解水制取。
冬天水管冻裂：管内水结冰体积膨胀约 $\dfrac{1}{11}$ ，把管壁撑裂；开春化冰后才发现漏水，所以入冬前要给室外水管保温。
西湖冬季不封冻到底：水在 $4\ ^\circ\mathrm{C}$ 时密度最大，冷水下沉、更冷的水浮在上面先结冰，冰又是热的不良导体，湖底的鱼因此能过冬。
氢气球与安全：氢气密度小、可燃，公共场合早已禁用氢气球，改用氦气。

生活应用题 1 · 电解一杯水能得到多少氢气

实验课上小杭取 $18\ \mathrm{g}$ 水完全电解（约一小杯）。求生成氢气与氧气的质量各为多少克。（提示：氢氧质量比 $1:8$ ）

分步解：

依据质量守恒定律：反应前后物质的总质量不变，故 $m(\mathrm{H_2})+m(\mathrm{O_2})=18\ \mathrm{g}$ 。
依据质量比 $1:8$ 设未知量：设 $m(\mathrm{H_2})=x$ ，则 $m(\mathrm{O_2})=8x$ 。
列方程求解： $x+8x=18$ ，即 $9x=18$ ，得 $x=2\ \mathrm{g}$ 。
求氧气质量： $m(\mathrm{O_2})=8\times2=16\ \mathrm{g}$ 。
答：氢气 $2\ \mathrm{g}$ ，氧气 $16\ \mathrm{g}$ 。这两个数字与 $\mathrm{H_2O}$ 中 $2$ 份氢、 $16$ 份氧完全对应，验算通过。

生活应用题 2 · 亚运氢能车的加氢量

某氢燃料电池汽车一次加注氢气 $6\ \mathrm{kg}$ 。若这些氢气全部由电解水制取，理论上需要消耗多少千克水？同时可以副产多少千克氧气？

分步解：

确定质量关系。依据电解水中氢与氧的质量比 $1:8$ ，且氢占水质量的 $\dfrac{1}{9}$ 、氧占 $\dfrac{8}{9}$ 。
求需水质量：由 $m(\mathrm{H_2})=\dfrac{1}{9}m(\text{水})$ 得 $m(\text{水})=9\times6=54\ \mathrm{kg}$ 。
求副产氧气质量，依据质量守恒： $m(\mathrm{O_2})=54-6=48\ \mathrm{kg}$ 。
验算： $6:48=1:8$ ，与质量比一致。
答：需水 54 千克，副产氧气 48 千克。可见氢能车「加的是氢，烧完还水」，物质上完全闭环；真正的关键是电解用的电要来自清洁能源，否则「零排放」只是把排放搬到了发电厂。

考点

🎯考点提示

实验题·必考：电解水的装置、正负极产物判断与检验方法（带火星木条·燃着木条）
填空题·高频：氢氧体积比 $2:1$ 、质量比 $1:8$
化学方程式： $\mathrm{2H_2O \xrightarrow{\text{通电}} 2H_2\uparrow + O_2\uparrow}$ 的书写与配平
简答题：加少量氢氧化钠的目的；为什么实测体积比略大于 $2:1$
选择题：水的物理性质，特别是 $4\ ^\circ\mathrm{C}$ 密度最大与结冰体积变大；元素「组成」与分子「构成」的用词区别

中考真题

真题2022 · 浙江杭州中考（改编）

关于电解水实验，下列说法正确的是（　）A. 正极产生的气体能被点燃　B. 该实验说明水中含有氢气和氧气　C. 两极气体的质量比为 $2:1$ 　D. 该实验说明水是由氢、氧两种元素组成的

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逐项分析：

A 错：正极产生氧气，氧气本身不可燃，只能使带火星的木条复燃。
B 错：水中不含氢气和氧气，只能说水由氢元素和氧元素组成。
C 错： $2:1$ 是体积比，质量比为 $m(\mathrm{H_2}):m(\mathrm{O_2})=1:8$ 。
D 对：生成物中含氢和氧，依据元素守恒，反应物水必含这两种元素。

答案：D。

真题2021 · 浙江中考（改编）

小科用水电解器做实验，一段时间后测得两管气体体积分别为 $9.0\ \mathrm{mL}$ 和 $4.2\ \mathrm{mL}$ 。请判断哪一管是氢气，并解释为什么两者体积比不是恰好 $2:1$ 。

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第一步：判断气体种类。依据「氢二氧一」，体积较大的 $9.0\ \mathrm{mL}$ 一管是氢气（接负极）， $4.2\ \mathrm{mL}$ 一管是氧气（接正极）。

第二步：算实际比值： $9.0:4.2\approx2.14:1$ ，略大于 2:1。

第三步：分析原因。相同条件下氧气在水中的溶解能力比氢气强，一部分氧气溶解在水里没被收集；此外氧气还可能与电极发生微弱反应被消耗。两个原因都使氧气体积偏小，比值因此偏大。

第四步：作答。 $9.0\ \mathrm{mL}$ 的是氢气；比值偏离 $2:1$ 主要是氧气溶解损失所致，不能据此否定 $\mathrm{H_2O}$ 的组成结论。

视频讲解

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