电在化学中的用途.docx

电在化学中的用途.docx

《电在化学中的用途.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《电在化学中的用途.docx（23页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

电在化学中的用途

電解（第二冊第十六課頁201至頁241）

16.1電在化學中的用途-見頁202圖16.1

16.2電解簡介-見頁204圖16.2

利用電來引起化學變化的過程稱為電解（electrolysis）。

通常離子化合物會被分解，故稱電解。

電解就是用電將呈熔融狀態或水溶液的電解質分解的過程。

頁204圖16.2是一個電解池（electrolyticcell）。

電子的流動方向

陰極（負電極）

陽極（正電極）

電解質（水溶液或

熔融狀態的化合物）

陽離子（正離子）

陰離子（負離子）

電解池

陰離子（anion）是帶負電荷的離子，它被吸引到陽極。

陽離子（cation）是帶正電荷的離子，它被吸引到陰極。

電極（electrode）一般是棒狀或片狀的固體金屬或石墨，在電解過程中，電流通過電極進出電解質。

所有反應在電極上發生（不是在電解質中）。

陽極（anode）是正電極，與直流電源的正極相連接。

陽極上發生氧化作用。

陰極（cathode）是負電極，與直流電源的負極相連接。

陰極上發生還原作用。

電解質（electrolyte）是一種化合物，在熔融狀態或溶於水時能夠導電，並被電分解。

電子流動（electronflow）一般是由負極經電線（一閉合電路）流到正極。

而電流（current）則從相反方向由正極流到負極。

比較電解和化學電池-頁204

16.3電解熔融的化合物（頁209圖16.7）

16.3.1為了弄清楚熔融電解質在電解時發生的情況，現以熔融氯化鈉的電解說明。

-

-

+

-

+

固體的氯化鈉不能導電。

熔融的氯化鈉可以導電。

此時在陰極（負電極）形成了一種銀色金屬，這就是熔融的鈉。

在陽極（正電極）周圍則出現黃綠色氣泡，這是氯氣。

電子進入陰極

電子離開陽極

陰極（-）

陰極帶負電荷，吸引熔融液中帶正電荷的鈉離子（Na+）。

Na+取得電子後，Na+離子放電。

Na+在陰極進行還原反應：

Na+（l）+e-→Na（l）

觀察：

陰極周圍有銀色鈉液體金屬形成

陽極（+）

陽極帶正電荷，吸引熔融液中的Cl-離子，Cl-放出一個電子，形成氯原子。

Cl-離子放電。

Cl-在陽極進行氧化反應：

Cl-（l）→Cl（l）+e-

兩個氯原子結合為氯分子

2Cl（l）→Cl2（g）

觀察：

氯原子結合成氯分子，這就是我們看到的黃綠色氣體。

總反應

氯化鈉分解為組成它的元素：

2NaCl（l）2Na（l）+Cl2（g）氧化還原反應

電解時的電流和電解質的改變-在電解質中，離子移動形成電流；而在電極和導線中，則是電子移動。

技能訓練頁210

16.3.2.應用：

活潑金屬的提取（頁210至頁211）

若要提煉活性序頂部的金屬（例如鉀、鈉、鎂、鋁等），可電解它們的熔融礦石。

16.3.2.1鋁的提取

利用電解提煉鋁

鋁金屬是從電解熔融的氧化鋁（Al2O3）獲得到的。

氧化鋁的熔點高，所以很難熔化。

為了降低其熔點，需把氧化鋁與一種稱為冰晶石（Na3AlF6）的物質混合。

離子：

氧化鋁含有鋁離子（Al3+）和氧離子（O2-）

陰極：

Al3+（l）+3e-→Al（l）還原作用

陽極：

2O2-（l）→O2（g）+4e-氧化作用

總反應：

2Al2O3（l）→4Al（l）+3O2（g）

16.3.2.1鈉的提取

鈉金屬在電解池（稱為當氏電解池）中，通過電解熔融的氯化鈉提取。

在陰極形成液態鈉，在陽極形成氯氣。

發生的反應與實驗室進行電解熔融的氯化鈉所發生的反應相同。

頁211圖16.10

16.4電解水溶液電解質（頁212至頁214）

我們很容易推測到有甚麼生成物形成。

不過推測電解水溶液電解質的生成物就比較困難，因為同時存有電解質和水。

a）把化合物溶解在水裏

離子化合物是電解質，當它們溶在水裏時，有自由離子形成。

例如：

NaCl（s）+　水→Na+（aq）+Cl-（aq）

可自由移動的離子

酸是共價化合物，但溶於水時也產生離子。

例如：

H2SO4（l）+水→2H+（aq）+SO42-（aq）

可自由移動的離子

b）水的電離作用

純水是共價化合物。

不過，水會發生輕微的電離作用：

H2O（l）→H+（aq）+OH-（aq）

因此氯化鈉的水溶液含有四種離子。

兩種離子來自氯化鈉，另兩種來自水。

來源

陽離子

陰離子

氯化鈉

鈉離子Na+（aq）

氯離子Cl-（aq）

水

氫離子H+（aq）

氫氧根離子OH-（aq）

有些離子放電，有些則沒有，我們稱為優先放電（preferiallydischarged）。

16.4.1影響離子放電的因素

離子的優先放電取決於下列因素。

a）離子在電次序的位置

（i）陽離子（ii）陰離子

電化序頂部的金屬容易形成離子。

電化序位置越高的陰離子越容

電化序底部的金屬離子較容易放電。

易失去電子，所以優先放電。

較難放電

容易放電

K+

Ca2+

Na+

Mg2+

Al3+

Zn2+

Fe2+

Pb2+

H+

Cu2+

Ag+

OH-

I-

Br-

Cl-

NO3-

SO42-

較難放電

容易放電

電解水溶液時陽離子放電的次序電解水溶液時陰離子放電的次序

氯化鈉溶液包含兩種陽離子，分別是Na+（aq）離子和H+（aq）離子。

H+（aq）離子會優先放電，因為它們的電化序位置較低。

比更穩定

氯化鈉溶液包含兩種陰離子，分別是Cl–（aq）離子和OH–（aq）離子。

OH–（aq）離子會優先放電。

比更穩定

b）離子的濃度

如果離子在溶液的中濃度較高，放電的次序可能發生變化。

例如電解濃氯化鈉溶液。

儘管在電化序中，OH-（aq）離子的位置較高，但由於Cl-（aq）離子的濃度較高，所以優先放電。

c）電極的性質

很多電解質進行電解時，都會使用石墨（碳）電極或鉑電極。

這些電極稱為惰性（不活潑）電極，原因是它們只會導電，不會發生反應，也不會影響離子的放電次序。

但其他電極可能會影響形成的生成物，例如用銅或汞等。

16.4.2.預測電解的生成物

（a）水的電解（稀硫酸的電解）（頁214至頁216）

純水只會發生極輕微的電離作用。

如果在水裏加入一些稀硫酸，就會變成良好導電體。

離子：

來自稀硫酸H2SO4（l）+水→2H+（aq）+SO42-（aq）

來自水H2O（l）→H+（aq）+OH-（aq）

陽離子

陰離子

來自硫酸

來自水

陽極：

只有OH-離子優先放電，因為氫氧離子的電化序位置比硫酸根離子高。

4OH-（aq）→O2（g）+2H2O（I）+4e-氧化作用

陰極：

H+離子得到電子，放電形成氫氣

2H+（aq）+2e-→H2（g）還原作用

總反應：

4H+（aq）+4OH-（aq）→2H2（g）+O2（g）+2H2O（l）

4H2O

也就是：

4H2O（l）→2H2（g）+O2（g）+2H2O（l）

即是2H2O（l）→2H2（g）+O2（g）

溶液裏的改變

當電解繼續進行時，更多的水分子分解，以取代放了電的H+（aq）和OH-（aq），來自硫酸的氫離子和硫酸根離子的數目則保持不變，因此溶液的濃度慢慢變_______所以稀硫酸的電解可稱為「水的電解」。

頁215圖16.13和圖16.14

–

-+

+

H2SO4

2H+SO42-

H+OH-

H2O

–

+

–

–

電量計

（b）電解稀氯化鈉溶液（使用碳電極）

離子：

來自稀氯化鈉NaCl（aq）+水→Na+（aq）+Cl-（aq）

來自水H2O（l）→H+（aq）+OH-（aq）

陽離子

陰離子

來自氯化鈉

來自水

陽極：

只有OH-離子優先放電，因為氫氧離子的電化序位置比硫酸根離子高。

氧化作用

陰極：

只有H+離子優先放電，因為氫離子的電化序位置比鈉離子低。

H+離子得到電子，放電形成氫氣

還原作用

總反應：

4H+（aq）+4OH-（aq）→2H2（g）+O2（g）+2H2O（l）

即是2H2O（l）→2H2（g）+O2（g）溶液的濃度慢慢轉濃

與稀硫酸一樣，稀氯化鈉的電解亦可稱為「水的電解」。

（c）電解濃氯化鈉溶液（使用碳電極）[16.5頁217至頁218]

離子：

來自濃氯化鈉NaCl（aq）+水→Na+（aq）+Cl-（aq）

來自水H2O（l）→H+（aq）+OH-（aq）

陽離子

陰離子

來自氯化鈉

來自水

-+

NaCl

Na+Cl-

H+OH-

H2O

陽極：

縱使氫氧離子的電化序位置比氯離子高，只有Cl-離子放電，因為Cl-離子的濃度比OH-的濃度高。

氧化作用

陰極：

縱使Na+鈉離子的濃度比H+的濃度高，H+仍可得到電子，優先放電形成氫氣。

這是因為鈉離子的電化序位置比氫離子高很多，Na+離子不容易放電，所以仍是H+放電。

還原作用

總反應：

溶液裏的改變：

當電解進行時，更多的H+（aq）和Cl-（aq）離子分解，以取代放了電的H+（aq）和Cl-（aq），來自水的氫氧離子（）和來自氯化鈉的鈉離子（）的數目則保持不變，因此溶液慢慢變成氫氧化鈉溶液。

（變得更為________性）

（d）電解濃氯化鈉溶液（使用汞作陰極）（頁218）圖16.18,16.19

離子：

來自稀氯化鈉NaCl（aq）+水→Na+（aq）+Cl-（aq）

來自水H2O（l）→H+（aq）+OH-（aq）

陽離子

陰離子

來自氯化鈉

來自水

陽極：

縱使氫氧離子的電化序位置比氯離子高，只有Cl-離子放電，因為Cl-離子的濃度比OH-的濃度高。

氧化作用

陰極：

鈉離子優先放電形成金屬鈉。

金屬鈉溶解在汞裏，產生汞齊（Na/Hg（l）），汞齊向水那邊移動，並與水發生反應，產生氫氣和氫氧化鈉。

Na+（aq）+e-→Na（l）還原作用

2Na/Hg（l）+2H2O（l）→2NaOH（aq）+H2（g）+2Hg（l）

總反應：

-+

NaCl

Na+Cl-

H+OH-

H2O

溶液裏的改變：

當電解進行時，更多的Na+（aq）和Cl-（aq）離子分解，以取代放了電的Na+（aq）和Cl-（aq），來自水的氫氧離子（）和來自氯化鈉的氫離子（）的數目則保持不變，因此溶液慢慢變成水。

氯化鈉溶液的濃度逐漸降低。

應用：

電解鹽水：

電解鹽水（飽和氯化鈉溶液），可以得到大量的氯、氫和氫氧化鈉。

用於此電解的其中一種電解池是汞陰極池。

（頁220圖16.20和圖16.21）這種電解池使用汞陰極和石墨陽極。

鈉離子在陰極電，氯離子在陽極放電。

在陰極形成的鈉汞齊從池中流出，與水混合，產生氫和氫氧化鈉。

純汞重新形成，並在池中再次使用。

鹽水的電解產生三種有用的化學藥品：

氫氧化鈉、氯、氫，氫氧化鈉可以製造肥皂和清潔劑，氫氣可以製造燃料和植物牛油，氯氣則可以製造消毒藥水和聚氯乙烯塑膠。

讓氫氧化鈉和氯給合更可製造漂白劑。

（中五課程）

（e）電解硫酸銅（II）溶液（使用碳電極）[16.6頁222至頁223]

離子：

來自硫酸銅（II）CuSO4（aq）+水→Cu2+（aq）+SO42-（aq）

來自水H2O（l）→H+（aq）+OH-（aq）

陽離子

陰離子

來自硫酸銅（II）

來自水

陽極：

只有OH-離子優先放電，因為氫氧離子的電化序位置比硫酸根離子高。

氧化作用

陰極：

Cu2+離子優先放電，因為銅（II）離子的電化序位置比氫離子低。

Cu2+離子得到電子，放電形成銅金屬

還原作用

總反應：

CuSO4

Cu2+SO42-

H+OH-

H2O

溶液裏的改變：

銅（II）離子和氫氧離子的數量逐漸減少。

氫離子和硫酸根離子仍存留在電解槽中，溶液變成硫酸。

（慢慢變為________性）

在這個反應中，只要陰極是以金屬製造的，都會被一層銅覆蓋。

這正是電鍍金屬的原理。

（f）使用銅電極電解硫酸銅（II）溶液頁224至頁225

使用銅電極電解硫酸銅（II）溶液

離子：

來自硫酸銅（II）CuSO4（aq）+水→Cu2+（aq）+SO42-（aq）

來自水H2O（l）→H+（aq）+OH-（aq）

陽離子

陰離子

來自硫酸銅（II）

來自水

陽極：

銅較氫氧離子和硫酸根離子容易失去電子，銅陽極溶解，形成銅（II）離子。

氧化作用

陰極：

Cu2+離子優先放電，因為銅（II）離子的電化序位置比氫離子低。

Cu2+離子得到電子，放電形成銅金屬

還原作用

總反應：

由於銅沉積在陰極上，所以陰極變得越來越大和重；而銅陽極則溶解，形成銅（II）離子，所以銅陽極變得越來越小和輕。

但總的是沒有反應。

溶液裏的改變：

硫酸銅溶液（II）的濃度保持不變。

銅的純化

工業上常用電解法把銅純化。

在純化過程中，大塊含雜質的銅用作陽極，純銅簿片用作陰極，電解質是硫酸銅（II）。

頁225圖16.28

用電解法將銅純化

16.8鋁的陽極電鍍（頁227）

鋁被表面一層氧化鋁保護，使它不會受到進一步的腐蝕。

我們可以利用電解使氧化鋁增厚，增強其保護功能。

在電解過程中，鋁金屬物體作為陽極。

電解質是稀硫酸。

氫氧根離子OH-（aq）在陽極上放電，形成氧氣。

4OH-（aq）O2（g）+2H2O（l）+4e-

氧與鋁反應形成氧化鋁。

4Al（s）+3O2（g）2Al2O3（s）

16.9電鍍（頁228至頁234）

電鍍是一行重要的工業。

電鍍是以電解法在一種金屬物體的表面加上另一種金屬薄層的過程。

把金屬物體電鍍的主要目的有兩個：

1令物體外表更美觀。

2防止腐蝕。

進行電鍍時，被電鍍的物體作為陰極，用於電鍍的金屬片作為陽極，電解質是用於電鍍的金屬化合物水溶液。

頁229圖16.34

鍍鎳的裝置

電流通過後，銅陽極溶解，形成銅（II）離子。

Cu（s）→Cu2+（aq）+2e-

同時，銅沉積在被電鍍的物件（陰極）表面上，其方程式是：

Cu2+（aq）+2e-→Cu（s）

緊記：

被電鍍的物件必須是陰極（即是接上負電荷）

鋼的電鍍（頁229至貢231）

人們通常將鋼製物件進行電鍍，除了防止生銹，也可以使物件的外表更美觀。

用來電鍍鋼製物件的金屬例子

頁230表16.4

用來電鍍的金屬

被電鍍的鋼製物件

鉻

水龍頭、車輛和自行車零件

錫

食品罐

銀

鍍銀的運動獎牌、刀、叉和湯匙

電鍍帶來的污染問題（頁231至頁234）

電鍍工業產生大量廢水。

這些廢水來自：

1.沖洗被電鍍物件表面殘留的化學藥品的水（電鍍工廠超過百分之九十的污水都是來自沖洗用的水）；

2.來自電鍍池的化學藥品；

3.用來清洗的水。

工廠的污水含有一些有害的化學藥品，包括：

a）酸和鹼，例如硫酸

b）金屬化合物，例如鎳、銅和鉛的化合物

如果廢水未經處理就排入河流或海中，會對環境造成嚴重的破壞。

例如酸引致金屬管和船舶腐蝕；而金屬化合物除了危害水裏的動植物外，人們若食用這些被污染的魚或貝殼，也會患病，甚至中毒。

減少污染的方法

1.減少污水體積----減小污水體積有兩個主要方法：

（a）減少沖洗電鍍物件的水。

（b）當把電鍍物件從電鍍池中拿出來時，不要讓化學藥品滴到地板上。

2.循環再用

硫酸鎳（II）是一種用於鍍鎳的化合物。

從電鍍廢水中除去硫酸鎳（II），並再次使用。

3.污水處理

（a）控制溶液的pH值

處理酸性廢水可以添加碳酸鈉。

H2SO4（aq）+Na2CO3（aq）Na2SO4（aq）+CO2（g）+H2O（l）

通過添加硫酸則可以控制鹼性廢水的pH值。

（b）處理金屬化合物

（c）許多金屬化合物會與氫氧化鈉溶液發生反應，產生固體的金屬氫氧化物。

例如來自鍍鎳的溶液的氯化鎳（II）。

NiCl2（aq）+2NaOH（aq）Ni（OH）2（s）+2NaCl（aq）

固體經過濾後，剩下的溶液含有氯化鈉，氯化鈉不是污染物。