13-5 電流的化學效應

水的電解

定義:利用電流的作用,使水分解出其組成物質的方法,稱為水的電解。
18世紀時,科學即利用氫燃燒可生成水的現象,認定水是由氫、氧所組成,而19世紀尼可爾生首次以伏打電池將水分解成氫氣及氧氣。

水的電解:
 
(1) 純水極難電解,通常水中加入氫氧化鈉硫酸幫助導電。
(2) 以碳棒或注射針頭做為電極,裝置如圖 1。
(3) 電極時通入直流電,在水中 OH離子移向 極,在正極可收集到 氧氣,而 H+移向 極,在負極可收集到 氫氣
(4) 負極產生的氫與正極產生的氧,其體積比為2:1,質量比為1:8
(5) 電解時,使用直流電的電壓愈高,電池 串聯愈多,或兩極的 極棒愈靠近,電解產生氣泡的速率愈快。
(6) 由於所產生的氫氣與氧氣的密度比水小,且 不溶於水,利用這種性質以收集氣體的方法稱為 排水集氣法

 
圖 1

氫的檢驗:極收集的氣體,以點燃的火柴移近試管口,放開手指,則發生 爆鳴聲,且有 淡藍色的火焰,這種氣體是氫氣,可以燃燒, 有可燃性,但插入試管內的火柴則熄滅,表示氫 沒有助然性

氧的檢驗:極所收集氣體,將留有餘燼的火柴移近 倒置的試管口,放開手指,會使火柴 復燃,這種氣體是氧氣,可幫燃燒, 有助燃性

圖 2

將氫氣、氧氣點火燃燒,在同溫同壓下,且水蒸氣尚未凝結成水的狀況下,氫、氧、水蒸氣的 體積比為2:1:2質量比為1:8:9,水蒸氣凝結成水後,質量比仍為1:8:9,但氫、氧、水蒸氣的體積比即不成立了,僅氫、氧的體積比為2:1。

化合物與化學變化

水電解後產生了新物質氫和氧。而氫和氧點火燃燒後也產生了新物質水。氫、氧、水的性質完全不同,故水的電解及氫氧的燃燒都是一種化學變化。

化合物:由兩種或兩種以上的元素以一定的比例組成的新物質,稱為化合物。如水、氯化鈉、二氧化碳等。
 
(1) 化合物的性質與其成分元素的性質完全不同,化合物必須用化學變化來分解出他的成分。
(2) 化合物是一種純物質,它具有一定熔點與沸點。

電解硫酸銅水溶液

實驗室裡,通常以碳棒為電極,電解 藍色硫酸銅水溶液(CuSO4)。
電解時,水溶液中帶正電的銅離子(Cu+)游向負極,在負極接受電子,而析出 紅色固體的銅原子(Cu)。
而同時,帶負電的硫酸根離子(CuSO4)游向正極,在正極可以收集到無色、可助燃的氧氣。
電解之後硫酸銅溶液中的銅離子濃度愈來愈小,因此水溶液便由 藍色逐漸便淡,若電解時間夠久,溶液中的銅離子已全部析出,此時即相當於電解水,負極產生氫,而正極產生氧。

電解原理:
 
(1) 解離:一般電解質水溶液中, 正離子與負離子的總帶電量相等使溶液呈電中性,且正、負離子凌亂地自由向各方運動,謂之解離。
(2) 直流電於已解離的電解質水溶液中,則溶液中的正離子向負極移動接受電子,負離子向正極移動釋出電子,並分別化學變化產生新物質。

以石墨電極電解不同水溶液的電極反應:

氫氧化鈉水溶液的電解:
 
(1) 氫氧化鈉在水中解離:NaOH→Na++OH
(2) 正極反應:因H2O比OH更易失去電子2H2O→4H++O2+4e
(3) 負極反應:因H2O比更Na+易獲得電子4H2O+4e→2H2+4OH
(4) 全反應:2H2O→2H2(負極)+O2(正極)

硫酸銅水溶液的電解:
 
(1) 硫酸銅在水中解離:2CuSO4→2Cu2++SO42–
(2) 正極反應:因H2O比SO42–更易失去電子2H2O→4H++O2+4e
(3) 負極反應:2Cu2++4e→2Cu
(4) 全反應:2Cu2++2H2O→2Cu+O2+4H+或2CuSO4+H2O→2Cu+O2+H2SO4

電解食鹽水溶液

(1) 氯化鈉在水中解離:NaCl→Na++Cl
(2) 正極反應:2Cl→Cl2+2e
(3) 負極反應:因H2O比Na+更易獲得電子2H2O+2e→H2+2OH
(4) 全反應:2H2O+2Cl→H2+Cl2+2OH或2H2O+2NaCl→H2(負極)Cl2(正極)+2OH