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21.1 電解:利用電能引發化學反應. 圖 21.1 電解池. 21.1 電解:利用電能引發化學反應. 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。. 電解池 是一種裝置。在這裝置內會發生電解。. 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。. 21.1 電解:利用電能引發化學反應. 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。. 陰離子 是帶負電荷的離子,被陽極吸引。. - PowerPoint PPT Presentation
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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。
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
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。
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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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:
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)
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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
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)
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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。
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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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)
可自由游動的離子
電離作用
酸在水中的電離作用
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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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)
可自由游動的離子
NaOH(s) + 水 Na+(aq) + OH–(aq)
可自由游動的離子
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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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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在陰極上產生的反應:
在陽極上產生的反應:
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)
電解酸化水(用鉑電極)
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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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
電解酸化水(用鉑電極)
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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電解酸化水(用鉑電極)
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。
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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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
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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在陰極上產生的反應:
在陽極上產生的反應:
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)
電解極稀的氯化鈉溶液(用碳電極)
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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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
電解極稀的氯化鈉溶液(用碳電極)
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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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。
電解極稀的氯化鈉溶液(用碳電極)
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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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
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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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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離子在電化序中的位置
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。
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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圖 21.9
陽離子的放電次序
離子在電化序中的位置
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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離子在電化序中的位置
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。
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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圖 21.10 陰離子的放電次序
離子在電化序中的位置
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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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)
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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電解稀或濃氯化鈉溶液(用碳電極)
圖 21.11
電解稀或濃氯化鈉溶液
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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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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在陽極上產生的反應:
在陰極上產生的反應:
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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電解稀或濃氯化鈉溶液(用碳電極)
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。
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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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。
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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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。
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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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
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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在陽極上產生的反應:
在陰極上產生的反應:
4OH–(aq) O2(g) + 2H2O(l) + 4e–4OH–(aq) O2(g) + 2H2O(l) + 4e–
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)
電解稀硫酸銅 (II) 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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電解稀硫酸銅 (II) 溶液(用碳電極)
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。
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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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)
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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在陽極上產生的反應:
在陰極上產生的反應:
Cu(s) Cu2+(aq) + 2e–Cu(s) Cu2+(aq) + 2e–
Cu2+(aq) + 2e– Cu(s)Cu2+(aq) + 2e– Cu(s)
整體反應: Cu(s) Cu(s) (陽極) (陰極)
Cu(s) Cu(s) (陽極) (陰極)
電解稀硫酸銅 (II) 溶液(用銅電極)
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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電解稀硫酸銅 (II) 溶液(用銅電極)
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。
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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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
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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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
電解濃氯化鈉溶液(用汞陰極)
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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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。
電解濃氯化鈉溶液(用汞陰極)
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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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。
電解濃氯化鈉溶液(用汞陰極)
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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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
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 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–
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 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)
Cu2+(aq) + 2e– Cu(s)Cu2+(aq) + 2e– Cu(s)
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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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。
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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電鍍
圖 21.20 電鍍裝置
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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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
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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在陽極上產生的反應:
Cu(s) Cu2+(aq) + 2e–Cu(s) Cu2+(aq) + 2e–
在陰極上產生的反應:
Cu2+(aq) + 2e– Cu(s) Cu2+(aq) + 2e– Cu(s)
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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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