电在化学中的用途.docx
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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。
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