电在化学中的用途.docx

1、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16.116.2 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 (electrolytic cell)。 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

2、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 (electron flow)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20416.3 電解熔融的

3、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

4、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

5、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1

6、6.1016.4 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

7、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 (preferially discharged)。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

8、-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

9、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)

10、 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21

11、5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) + 2H

12、2O(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

13、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

14、(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

15、) 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

16、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

17、 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

18、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

19、，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2

20、29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

21、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。