21.1 電解：利用電能引發化學反應

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圖 21.1 電解池

21.1 電解：利用電能引發化學反應21.1 電解：利用電能引發化學反應

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電解是利用電流通入熔融狀態或溶於水的電解質時產生的化學反應。

電解質是在熔融狀態或溶於水時能導電，並且被電能分解的物質。

電極是電流進出電解質時流經的導電體。


電解池是一種裝置。在這裝置內會發生電解。

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陽極是發生氧化作用的地方，它連接於直流電源的正端鈕。電子從陽極流向直流電源。

陰極是發生還原作用的地方，它連接於直流電源的負端鈕。電子從直流電源流向陰極。

陽離子是帶正電荷的離子，被陰極吸引。

陰離子是帶負電荷的離子，被陽極吸引。


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圖 21.2 化學電池和電解池的比較

21.2 簡單化學電池與電解池的比較21.2 簡單化學電池與電解池的比較

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表 21.1 化學電池與電解池的比較

化學電池電解池

在電極上發生的反應

功能

電子流動方向

氧化作用在陽極上發生；還原作用在陰極上發生

氧化作用在負電極上發生；還原作用在正電極上發生

利用化學反應產生電能的裝置

利用電能引發化學反應的裝置

由負電極經外電路流至正電極

由化學電池的負電極流至電解池的陰極，再流至化學電池的正電極

21.2 簡單化學電池與電解池的比較21.2 簡單化學電池與電解池的比較

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21.3 電解熔融氯化鈉（用碳電極）21.3 電解熔融氯化鈉（用碳電極）

固體氯化鈉不會導電。

電流通入熔融氯化鈉時，就會產生化學變化。

氯離子被吸引至陽極，並發生氧化作用。

鈉離子被吸引至陰極，並發生還原作用。

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在陽極上產生的反應：

2Cl–(l) Cl2(g) + 2e– 氧化作用

Na+(l) + e– Na(l) 還原作用

在陰極上產生的反應：


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圖 21.4a

在陽極上，氯離子釋出電子，生成氯氣

圖 21.4b

在陰極上，鈉離子接收電子，生成鈉金屬


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電離作用是指原子或分子產生離子的過程。

水的電離作用

水可輕微電離，產生氫離子和氫氧離子。

H2O(l) H+(aq) + OH–(aq)H2O(l) H+(aq) + OH–(aq)

21.4 關於電解質水溶液的一些知識21.4 關於電解質水溶液的一些知識

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酸在水中的電離作用

酸是共價化合物。

但溶於水時，酸的分子亦會電離。


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例如：

氯化氫分子

HCl(g) + 水 H+(aq) + Cl–(aq)

可自由游動的離子

電離作用

硫酸分子H2SO4(l) + 水 2H+(aq) + SO4

2–(aq)


電離作用

酸在水中的電離作用


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電解質溶於水時，會產生可自由游動的離子。

溶於水的電解質

例如：

NaCl(s) + 水 Na+(aq) + Cl–(aq)


NaOH(s) + 水 Na+(aq) + OH–(aq)



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電解酸化水（用鉑電極）

圖 21.5

用霍夫曼電量計電解酸化水

21.5 電解離子化合物的水溶液21.5 電解離子化合物的水溶液

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2H+(aq) + 2e– H2(g)2H+(aq) + 2e– H2(g)

4OH–(aq) O2(g) + 2H2O(l) + 4e–4OH–(aq) O2(g) + 2H2O(l) + 4e–

整體反應：2H2O(l) 2H2(g) + O2(g)2H2O(l) 2H2(g) + O2(g)



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圖 21.6a

在陽極上，氫氧離子被氧化，生成氧氣

圖 21.6b

在陰極上，氫離子被還原，生成氫氣



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溶液的變化

電解池內的水分子不斷被消耗。

硫酸的濃度會逐漸增加。


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電解極稀的氯化鈉溶液（用碳電極）

圖 21.7

電解極稀的氯化鈉溶液


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2H+(aq) + 2e– H2(g)2H+(aq) + 2e– H2(g)


整體反應2H2O(l) 2H2(g) + O2(g)2H2O(l) 2H2(g) + O2(g)



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圖 21.8b

在陰極上，氫離子優先放電，生成氫氣

圖 21.8a

在陽極上，氫氧離子優先放電，生成氧氣



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溶液的變化

由於氫氧離子在陽極放電，周圍的水分子會不斷電離，補充已消耗的氫氧離子。因水電離而產生的氫離子，會在陽極周圍積聚，令該處的溶液呈酸性。

與此同時，氫離子在陰極放電，周圍的水分子亦會不斷電離，補充已消耗的氫離子。因水電離而產生的氫氧離子，會在陰極周圍積聚，令該處的溶液呈鹼性。



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如果把數滴通用指示劑加入氯化鈉溶液中，陽極周圍的溶液會呈紅色，陰極周圍的溶液會呈藍色。

在電解過程中，電解池內的水分子不斷被消耗，氯化鈉溶液的濃度會逐漸增加。

電解極稀的氯化鈉溶液（用碳電極）溶液的變化


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離子在電化序中的位置

溶液中離子的濃度

電極的性質

21.6 影響水溶液的電解的因素21.6 影響水溶液的電解的因素

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陽離子的放電次序

在電化序中位置愈低的陽離子愈容易放電，因為它們是較強的氧化劑。


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圖 21.9

陽離子的放電次序



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陰離子的放電次序

在電化序中位置愈高的陰離子愈容易放電，因為它們是較強的還原劑。


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圖 21.10 陰離子的放電次序



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在稀或濃氯化鈉溶液中有四種離子：

溶液中離子的濃度的影響

電解稀或濃氯化鈉溶液（用碳電極）

陽離子陰離子來自氯化鈉來自水

Na+(aq)

H+(aq)

Cl–(aq)

OH–(aq)


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圖 21.11

電解稀或濃氯化鈉溶液


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圖 21.12a

在陽極上，氯離子優先放電，生成氯氣

圖 21.12b

在陰極上，氫離子優先放電，生成氫氣

電解稀或濃氯化鈉溶液（用碳電極）21.6 影響水溶液的電解的因素21.6 影響水溶液的電解的因素

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2Cl–(aq) Cl2(g) + 2e–2Cl–(aq) Cl2(g) + 2e–

2H+(aq) + 2e– H2(g)2H+(aq) + 2e– H2(g)

整體反應：2H+(aq) + 2Cl–(aq) H2(g) + Cl2(g)2H+(aq) + 2Cl–(aq) H2(g) + Cl2(g)

電解稀或濃氯化鈉溶液（用碳電極）21.6 影響水溶液的電解的因素21.6 影響水溶液的電解的因素

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溶液的變化：

由於陰極周圍的水分子不斷電離，補充在陰極放電的氫離子，所以氫氧離子在陰極周圍積聚，令該處的溶液呈鹼性。

在陽極生成的氯氣會溶於溶液中，令該處的溶液呈酸性。


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電解稀或濃氯化鈉溶液（用碳電極）電解稀或濃氯化鈉溶液（用碳電極）

溶液的變化：

在電解過程中，氫離子和氯離子不斷被消耗，而鈉離子和氫氧離子卻留在溶液中，所以溶液最終會變為氫氧化鈉溶液。


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電極的性質

前述各例所用的電極都是惰性電極，例如碳和鉑。

這些物質不會與電解質或電解過程的生成物產生反應。

如果採用其他物質作電極，就有可能影響離子的放電次序。


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電解稀硫酸銅 (II) 溶液（用碳電極）

圖 21.13 用碳電極電解稀硫酸銅 (II) 溶液

電極的性質


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Cu2+(aq) + 2e– Cu(s)Cu2+(aq) + 2e– Cu(s)

整體反應：

2Cu2+(aq) + 4OH–(aq) 2Cu(s) + O2(g) + 2H2O(l)2Cu2+(aq) + 4OH–(aq) 2Cu(s) + O2(g) + 2H2O(l)



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溶液的變化：

陽極周圍的水分子不斷電離，補充在陽極放電的氫氧離子，所以氫離子會在陽極周圍積聚，令該處的溶液呈酸性。由於溶液中銅 (II) 離子的濃度漸降，所以溶液的藍色會逐漸消褪。

在電解過程中，銅 (II) 離子和氫氧離子不斷被消耗，但氫離子和硫酸根離子卻留在溶液中，所以溶液最終會變為硫酸。


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圖 21.15 用銅電極電解稀硫酸銅 (II) 溶液

電解稀硫酸銅 (II) 溶液（用銅電極）


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Cu(s) Cu2+(aq) + 2e–Cu(s) Cu2+(aq) + 2e–


整體反應：　　　　　 Cu(s) Cu(s)　　　　　　　（陽極）　（陰極）　

　　　　　 Cu(s) Cu(s)　　　　　　　（陽極）　（陰極）　



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溶液的變化：

整個電解過程的最終結果是銅由陽極轉移至陰極，陽極會逐漸變薄，陰極則逐漸變厚，而且速率相同。

陰極增加的質量 = 陽極減少的質量

溶液中硫酸銅 (II) 的濃度維持不變，因此溶液的顏色（藍色）亦不變。


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電解濃氯化鈉溶液（用汞陰極）

圖 21.17 用碳陽極和汞陰極電解濃氯化鈉溶液


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在陽極上產生的反應2Cl–(aq) Cl2(g) + 2e–2Cl–(aq) Cl2(g) + 2e–

在陰極上產生的反應

Na+(aq) + e– + Hg(l) Na/Hg(l)Na+(aq) + e– + Hg(l) Na/Hg(l)鈉汞齊



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

生成的鈉汞齊與水接觸時，合金中的鈉會與水反應，生成氫氧化鈉和氫。



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整體反應

2Na+(aq) + 2Cl–(aq) + 2Hg(l) 2Na/Hg(l) + Cl2(g)2Na+(aq) + 2Cl–(aq) + 2Hg(l) 2Na/Hg(l) + Cl2(g)

溶液的變化

在電解過程中，鈉離子和氯離子不斷被消耗，所以氯化鈉溶液的濃度會逐漸下降。



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提取活潑金屬

電解在工業上的用途甚廣，包括：

鋁的陽極電鍍

銅的精煉

製造氯、氫和氫氧化鈉

電鍍

21.7 電解在工業上的應用21.7 電解在工業上的應用

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銅的精煉

圖 21.18 銅的精煉


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銅的精煉在陽極上產生的反應

Zn(s) Zn2+(aq) + 2e–

Fe(s) Fe2+(aq) + 2e–

Cu(s) Cu2+(aq) + 2e–

Zn(s) Zn2+(aq) + 2e–

Fe(s) Fe2+(aq) + 2e–

Cu(s) Cu2+(aq) + 2e–


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銅的精煉在陰極上產生的反應

整體反應

Cu(s) Cu(s)Cu(s) Cu(s)（陽極）（陰極）



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電鍍是用電解方法把一層薄金屬覆蓋在一件物品表面的過程。

電鍍

在電鍍過程中，把清潔後的待鍍物品作為陰極。

擬鍍金屬作為陽極。

以含有擬鍍金屬的化合物的溶液作為電解質。電鍍令擬鍍金屬逐漸轉移至待鍍物品上。


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電鍍

圖 21.20 電鍍裝置


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一個常見把銅鍍在物品上的裝置。

圖 21.22 把銅鍍在物品上

電鍍


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Cu(s) Cu2+(aq) + 2e–Cu(s) Cu2+(aq) + 2e–


Cu2+(aq) + 2e– Cu(s) Cu2+(aq) + 2e– Cu(s)


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電鍍工廠產生的污染物包括：酸和鹼；和

重金屬的化合物。

酸和鹼會改變水的 pH 值，影響水中的生態。

重金屬如鎳、鉻和汞的離子易被貝殼類生物和植物吸收。

人類吃了這些東西後便會中毒。

21.8 電鍍工業所引致的污染問題21.8 電鍍工業所引致的污染問題

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減少污水的量

回收有用的物質

排放污水前的處理方法控制污水的 pH 值對重金屬化合物的處理

可把氫氧化鈉溶液加入污水中，氫氧化鈉會與重金屬離子反應，形成不溶於水的金屬氫氧化物。

21.9 控制由電鍍工業引致的污染的方法21.9 控制由電鍍工業引致的污染的方法

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排放污水前的處理方法

鉻廢料的處理

鍍鉻電鍍液中含有鉻 (VI) 化合物。

通常先用亞硫酸鈉把鉻 (VI) 化合物還原為鉻 (III) 化合物。

然後再加入氫氧化鈉溶液，生成固體氫氧化鉻 (III) 。

21.9 控制由電鍍工業引致的污染的方法21.9 控制由電鍍工業引致的污染的方法

21.1 電解：利用電能引發化學反應

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