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電解 Electrolysis 2-1
2012/01/05 08:46
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原電池galvanic cell是裡面的物質自發性地進行氧化還原反應時,就會產生電流。有一種類似的電池裝置,稱為電解電池electrolytic cell,它利用電能製造化學反應變化。

化學原理啟迪286

電解 Electrolysis

1.        原電池galvanic cell是裡面的物質自發性地進行氧化還原反應時,就會產生電流。有一種類似的電池裝置,稱為電解電池electrolytic cell,它利用電能製造化學反應變化。

2.        電解法,強迫電流通過一個電池去製造化學變化;電解電池的電位差是負的,它是電功啟動非自發性的化學反應。電解,在實務上非常重要,舉例來說,電池充電、製造鋁金屬與鍍鉻都需要透過電解來達成。

3.        我們將比較原電池與電解電池的差距,下圖是原電池,物質自發性反應,產生1.10volts的電流。

Zn+Cu2+→Zn2++Cu

4.        這個原電池galvanic cell反應

陽極反應:Zn→Zn2++2e-

陰極反應:Cu2++2e-→Cu

5.        下圖是外加能量強迫電子以相反方向穿過電池:

Cu+Zn2+→Cu2++Zn

6.        外加的電力必須高過1.10volts,灌入的方向與原本電池的電位差流向相反,這就是電解電池。

7.        特別留意,這二種電池的電子流動方向相反,所以陽極和陰極剛好相反,同時,離子穿過鹽橋的方向也相反。

8.        現在我們將討論電解法的化學計量,怎麼衡量電解過程的功效呢?我們必須判斷清楚在一定時間內產生的特定電流造成的化學變化,改變多少份量的物質。

9.        假設有個電極棒浸泡在Cu2+溶液,我們外加10.0安培的電流(1安培是每秒1庫倫的電荷)持續30分鐘,使電擊棒被電鍍上銅,如何計算被鍍上的銅是多少呢?

安培的定義:安培是電流流量的單位。每秒通過導線上某一個截面(切面)的電量,稱為安培ampere;1安培指每秒通過1庫倫的電量。

伏特的定義:伏特是電壓的單位。陰極與陽極之間的電位差就是電壓; 1庫倫電子通過1伏特電位差會做出1焦耳的功。1伏特是每庫倫做1焦耳的功。

10.     電鍍plating是指溶液中的金屬離子被還原成中性的金屬,沈澱在電極表面。

11.     銅離子Cu2+需要2個電子才能還原成銅金屬原子:

Cu2+(aq)+2e-→Cu(s)

這個還原程序發生在電解電池的陰極。

12.     為了解開這個化學計量的問題,我們使用以下的步驟:

電流與時間→電荷的庫倫數→電子的莫耳數→銅的莫耳數→銅的公克數

13.     因為1安培是每秒1庫倫的電子,我們把電流乘以時間秒數,會得到陰極端的溶液被通電的總電量:

電子的庫倫數

=安培 × 秒數

=C/S × S

=10.0C/S×30.0min×60.0S/min

=1.80×104C

14.     1mole電子的電量是1法拉第或96,485庫倫,利用這個數值我們可以計算出1.80×104庫倫電流到底是多少莫耳的電子

1.80×104C ×1mole e-/96,485C=1.87×10-1mole e-

意思是有0.187莫耳的電子流入Cu2+溶液中。

15.     每1個Cu2+離子需要2個電子才能變成銅原子,因此,每莫耳的電子製造1/2莫耳的銅金屬:

1.87×10-1 mol e-×1 mol Cu/2 mol e-=9.35×10-2 mol Cu

16.     現在我們知道鍍上陰極的銅金屬的莫耳數,接著我可以計算產生的銅金屬的質量:

9.35×10-2 mol Cu× 63.546g/mol Cu=5.94g Cu

結論:電極棒浸泡在Cu2+溶液,外加10.0安培的電流(1安培是每秒1庫倫的電荷)持續30分鐘後,電擊棒被電鍍上5.94g銅。

n         翻譯編寫Steven S. Zumdahl 《Chemical Principles》


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