2011年12月24日 星期六

氯化鈉的電解 Electrolysis of Sodium Chloride

化學原理啟迪290
1.        製造鈉金屬的主要方法是電解熔融的氯化鈉,因為固體NaCl的熔點比較高(800℃)的熔點,NaCl通常會與氯化鈣CaCl2混合,這樣熔點可降低到600℃,氯化鈉與氯化鈣混合物在唐氏電池Downs cell電解。
2.        氯化鈉的電解反應如下:
陽極反應: 2Cl-→Cl2+2e-
陰極反應: Na++e-→Na
3.        唐氏電解電池的溫度使鈉呈液態,因此可以派出,倒進模具冷卻,因為鈉很容易起反應,所以必須儲存在鈍性溶劑中,像是礦物油,以避免鈉氧化。
n   翻譯編寫Steven S. Zumdahl 《Chemical Principles》  ,圖片來源:McMURRY FAY Chemistry、Chemwiki.ucdavis.edu
徐弘毅:
1.     唐氏電池用電解的方式把氯化鈉物質分解開來,淬取出二種組成物「鈉金屬」與「氯氣」。電解可以使物質分解、分類。
2.     社會學大師哈柏瑪斯將社會看做一個「社會系統」。社會就像是一個電解電池,由各種人所組成,這些人是電解池中的物質。
3.     哈柏瑪斯同意理性,乃是根植於人類的「實踐」。社會的成員有些人理性,有些人不理性,衡量理不理性的標準在於他們對道理的執行力。唐氏電解電池內混有各種物質,並不是每一種物質都能提煉出鈉金屬,氯化鈉可以,但氯化鈣就不行。
4.     哈柏瑪斯認為理性有二個面向:「工具理性」和「溝通理性」,代表現代社會的兩個必須發展模式:科學進步和道德的提升。
5.     「工具理性」和「溝通理性」就好比是電解過程中的陰極與陽極,可用來粹取二種不同的物質。
6.     用「工具理性」的標準,我們可以從社會系統中找到具備某一種理性的人,例如會計師、書記官、股票分析師、高考及格的公務員……。
7.     用「溝通理性」的標準,我們可以從社會系統中看到具備另一種理性人的人,例如:國際特赦組織、環保人士、野百合學運者、野草莓運動者、廢死聯盟、反農地徵收聯盟、稅改聯盟、人本教育基金會、白玫瑰婦女團體……。
8.     一個社會系統內,同時具備工具理性與溝通理性的人才數量愈多,代表社會的文化水準愈高。

金屬電解 Electrorefining of Metals

化學原理啟迪289
1.        金屬純化是另一個重要的電解應用。舉例來說,銅礦的化學還原反應提煉出的銅純度低,低純度的銅鑄造成厚銅片成為電解電池中的陽極;硫酸銅溶液提供電解質;薄的高純度銅片作為陰極。
2.        陽極的主要反應是:
Cu→Cu2++2e-
3.        其他金屬離子,像鐵或鋅也會從低純度的銅陽極氧化:
Zn→Zn2++2e-
Fe→Fe2++2e-
4.        陽極的貴重金屬(銀、金、鉑)雜質沒有氧化溶解於水中,它們直接掉到電池的底層沈澱,沈澱的金屬泥經過處理可提煉出珍貴的銀、金、鉑。
5.        溶液的銅離子Cu2+在陰極沈澱:
Cu2++2e-→Cu
用這個方法製造出來的銅純度99.9%。
6.        【金屬電鍍Metal Plating】容易生鏽的金屬,鍍上一層薄的金屬外膜,就可得到保護。例如罐頭,就是鋼罐鍍上一層錫,汽車保險桿是鋼鍍上一層鉻。
7.        電鍍物體的方法是,預備被電鍍的物體放在陰極,浸入含有電鍍金屬離子的溶液,湯匙鍍銀的方法如下
8.        實際的電鍍過程,溶液中還有銀離子錯合物的其他配位子(被銀離子吸引的其他種類元素),如果溶液中的銀離子Ag+濃度低,電鍍在湯匙表層的銀會比較平滑。
n   翻譯編寫Steven S. Zumdahl 《Chemical Principles》 ,圖片來源:wikipremed.com、Aurubis AG的網誌

徐弘毅:
1.     電鍍可以防鏽,讓工具更美觀、更耐用。每一個人都來自不同的家庭,都有不同的遺傳基因,所以每一個人的本質或特質都不太一樣,因此溝通協調會有一定的障礙跟困難,如何取得共識呢?
2.     人要接受共同的「專業訓練」才有辦法有共識。不同家庭出生的人,他們的人生觀多多少少會不同,但是如果他們都學習「建築學」的話,就有建築學作為溝通的媒介,建築學就好像他們人生的電鍍一樣。
3.     為什麼藍、綠不能有共識?為什麼國民黨跟民進黨有些地方很難有共識?沒有共識的地方就是在那個地方缺乏知識訓練,例如,藍綠兩黨立法委員絕大部分都不熟練「比較憲法」與《世界人權宣言》,包括馬總統也非常缺乏憲政常識,經常違憲還自我感覺良好,國民黨「黨產」就是一種違憲產品。
4.     有許多文學家對於「科學」覺得山太高、很難理解,也有不少科學家認為文學家整天談論風花雪月,對實質社會的發展沒有貢獻。不管是文學家或科學家,如果不懂《世界人權宣言》的內容,一定會危害社會,這樣有共識了沒?余光中、龍應台、朱敬一、李遠哲就缺乏對《世界人權宣言》的強烈信仰,所以會一起縱容獨裁者去踐踏人權,胡錦濤一定不敢否認!
5.     一個領袖如果很愛拉小提琴,他執政的時候就很自然會注意學校、社會上的小提琴學習風氣,教學制度;如果一個領袖很熱愛法律,那麼他執政的時候,就會注重社會的法律制度,符不符合公平正義原則。
6.     一個人未掌權之前,如果經常違憲,那麼有一天他執政以後,必定不注重制度法令的矛盾衝突。所以,社會制度的形成,與領導者的個人才華有密不可分的關係。
7. 《論語八佾》孔大師說:「管仲,他的才華能力,不夠大。」同學們就質疑說:「管仲不是很節儉嗎?」孔大師說:「管仲,蓋了豪宅;在行政的制度上,沒有辦法有條理,所以,沒辦法稱之為『儉』。」儉,也就是行政手續簡化便民,自己生活簡樸。
8.  同學們就問:「那管仲知道『禮』嗎?」孔大師說:「管仲擁有帝王級的大屏風,還有國宴級的餐具,這是違反當時的周禮的,如果管仲這樣做,也能算知道禮,那還有誰不知道禮?」
9.     孔大師雖然也推崇管仲的政績,但是,管仲個人的缺失,孔大師也沒有徇私放過,仍然在課堂上公開批評他不夠節儉,並且違憲。
10.  那麼,如何才能夠將「禮」的精神,讓所有的百姓都知道呢? 孔大師舉例,他曾經向魯國的大師樂討教,有關於文化音樂方面的事情。「大師樂」相當於文化建設委員會主委。孔大師跟大師樂討論音樂的要點,得到以下結論:
11. 「剛開始練習的時候,要注意『合音』;慢慢地大家可以搭配地很『和順』;然後要進步到各個『聲部分明』;最後一定要『餘音繚繞』的效果,這樣才算完美的作品。」
12. 禮或憲法的制定,一開始一定是權力的和諧、均衡;接著要講究法條合理、合情,實踐才會順暢;每一個工作崗位上的人,責任清楚分明;所有的法令精神都要為長治久安來設計,好讓的文化精神能夠綿延長久。
13. 這個時候,突然儀封地的縣長來拜訪孔大師,孔大師一時不太方便跟他見面,那位縣長就說:「再優秀的領導人,我每個都見過,沒有見不到的。」
14. 秘書沒辦法,找個空檔讓孔大師跟他見面,之後,那位縣長出來就說:「你們這些學生,不必擔心將來沒有前途,天下雖然混亂很久了,但是,你們大師講的話,會敲醒這時代每一個人。」
15. 孔大師認為,如果要讓時代的人清醒,必須先讓人了解不同時代的文化。孔大師發表樂評:堯舜時代的音樂叫「韶樂」,能夠細膩地表達人的各種情感,並且能夠滿足人心的溫和、慈悲;但是,周武王時代的音樂,雖然也能夠表達出人細膩的情感,但是,不夠溫和、慈悲。
16.  文化藝術,也會影響一個國家人民的精神跟思想。孔大師最後說:領導人要掌控實行禮的要訣,「如果領導人心胸不寬闊,對於禮不敬重,態度隨便,那就好像遇到悲傷的事情,卻一點都不哀痛,會讓所有的人都看不下去。」
17. 周禮的核心是「嚴以律己,寬以待人」。領導人一定要「自我要求」比任何人都還嚴才行,才是做到「禮」的最重要精神。

2011年12月23日 星期五

商業電解法Commercial Electrolytic Processes



化學原理啟迪288
1.      金屬的化學特性是它們能夠吐出電子變成離子。因為金屬基本上是非常好的還原劑,大部分在自然界發現的金屬礦,金屬離子混合物中,通常含有氧化物、硫化物和矽陰離子。頓性金屬,例如金、銀和鋁比較難氧化,因此自然界挖到的礦藏經常是純金屬。
2.      【製造鋁 Production of Aluminum】鋁是地球上最豐富的元素之一,在元素週期表中位於氧之下、緊鄰矽的第三列位置。
3.      因為鋁是非常有活性的金屬,自然界挖掘到的鋁礦都是氧化物,稱為礬土bauxite。要從含鋁的礦物中提煉鋁金屬,比在其他金屬礦中提煉其他種類的金屬,還要困難百倍。
4.      1782年拉瓦錫Lavoisier確定鋁金屬「強烈地喜歡與氧結合,所以鋁無法被任何已知的還原劑還原」,從拉瓦錫的時代開始很長一段時間,人類一直找不到提煉鋁金屬的方法。
5.      終於在1854年找到一種用鈉金屬提煉鋁金屬的方法,但是仍然無法大量生產,鋁還是非常昂貴希有的金屬。傳說拿破崙三世招待最重要的貴賓鋁製的叉子與湯匙,其餘的賓客使用金與銀的餐具。
6.      1886年開始打破僵局,美國的霍爾Charles M. Hall 與法國的赫魯特Paul Heroult 幾乎同時發現製造鋁的電解法,「霍爾-赫魯特製程 Hall-Heroult process」的關鍵技術是使用熔融的冰晶石Na3AlF4當氧化鋁的溶劑。
7.      電解法要成功,離子必須能夠移動到電極。製造離子移動性的一個常見的方法是在水中多溶解一些溶質,可是這個方法不適合用在鋁身上,因為水比鋁離子Al3+更容易還原,它們的標準還原電位差證明這一點:
Al3++3e-→Al                   E°=-1.66V
2H2O+2e-→H2+2OH-  E°=-0.83V
所以鋁離子溶液沒有辦法製造出電鍍的鋁。
8.      離子移動性也可透過熔融「鹽」製造出來,但是固體鋁鹽Al2O3的熔點太高(2050℃),實際上很難被熔融電解。Al2O3和Na3AlF6的混合物,熔點1000℃,熔點比較低,比較容易熔融,這就是霍爾與赫魯特的發現。
9.      霍爾與赫魯特發現熔融的Al2O3和Na3AlF6的混合物,電解可獲得鋁金屬。因為這項發現,鋁價暴跌,鋁變成便宜、有經濟價值的東西。
10.    礬土bauxite不純粹是鋁氧化物,裡面還有鐵、矽、鈦氧化物與各種矽酸鹽。礬土與氫氧化鈉容易混合會得到純的水合鋁氧化物(Al2O3‧nH2O);鋁是二性離子,因此礬土(氧化鋁)可溶解於鹼性溶液:
Al2O3 (s)+2OH-(aq)→2AlO2-(aq)+H2O(l)
礬土裡面其他種的金屬氧化物是鹼性的,不會溶解於鹼性溶液中,維持本來的固態。
11.    然後,我們從含有其他金屬氧化物的污泥中,分離出含有鋁離子(AlO2-)的溶液,接著用二氧化碳氣體酸化鋁離子溶液:
2CO2(g)+2AlO2-(aq)+(n+1)H2O(l)→2HCO3-(aq)+Al2O3‧nH2O(s)
12.    以上步驟提煉出來的純明礬,在電解槽中,與熔融的冰晶石混合,一起熔融、電解,就還原成鋁金屬。
13.    因為電解質溶液裡含有大量各種的「含鋁離子」,因此難以完全瞭解化學反應的情形,然而,我們推測礬土(Al2O3)與熔融冰晶石Na3AlF6的反應應該是:
Al2O3+4AlF63-→3Al2OF62-+6F-
14.    電極反應如下
陰極反應  AlF63-+3e-→Al+6F-
陽極反應  2 Al2OF62-+12F-+C→4AlF63-+CO2+4e-
15.    整個電池反應可寫成
2Al2O3+3C→4Al+3CO2
16.    這個電解程序製造出來的鋁純度是99.5%,為了鍛造成有用的結構素材,鋁會與鋅做成合金,可作為拖車和飛機的結構材料;鋁與鎂合金可作為烹飪用具、儲存罐或儲水槽、公路標誌的材料。美國有5%的電力用在製造鋁金屬上。
n   翻譯編寫Steven S. Zumdahl 《Chemical Principles》 ;圖片來源:http://www.ifa.ukf.net/hallcell/hall.htm

徐弘毅:
1.    為什麼要從鋁礦中提煉鋁非常困難?
2.    鋁的最外層電子軌域失去1個到3個電子後會變得比較穩定,而氧的最外層電子軌域多吸引2個電子會變得比較穩定,這二種元素結合成「氧化鋁Al2O3」剛好互取所需,所以不容易拆開。
3.    用一般方法的溶解「氧化鋁Al2O3」,可以勉強分開「氧化鋁Al2O3」,但卻沒有辦法得到想要的鋁金屬,因為鋁沒有能力從氧身上奪回電子,只能以Al3+離子的形式溶解在水中。
4.    如果我們對水中的鋁離子通電,結果得到的不是還原的鋁元素(鋁金屬),而是氫氣H2,因為「水」比「鋁離子」還要容易還原。
5.    我們必須解決解氧化鋁的三個關鍵問題才能提煉出鋁:
Ø      要找出能夠取代氧O的元素,讓鋁脫離氧的控制,結果我們發現高溫下「氟F」可以取代「氧O」。
Ø      要找出水以外的其他溶劑來溶解氧化鋁,而且溶解氧化鋁的物質的標準還原電位差不能高於鋁;最好的辦法就是找含有鋁的物質來溶解氧化鋁,這樣進行還原反應時,溶劑的鋁也跟著還原成為鋁元素。我們找到的含鋁溶劑是冰晶石Na3AlF6。
Ø      提供電子給鋁離子,讓它進行還原反應,方法就是「電解」。
6.    為什麼高溫下「氟F」可以取代「氧化鋁Al2O3」的「氧O」?
7.    因為「氟F」的陰電性比「氧O」強,「氟F」比「氧O」更強烈地需要吸引電子。另外,「高溫」的目的是增加分子間的碰撞、鬆動化學鍵,讓「氟」更有機會有效碰撞取代「氧」。
8.    為什麼「氟F」的陰電性比「氧O」強?
9.    因為「氟」的原子核多一個帶正電的質子,雖然外層軌域也同時多一個電子,但是因為氟原子的size變大顆,電子運動的範圍變大,相對地外層電子遮蔽能力也跟著下降。
10. 由於氟的電子雲漏洞變多(或說變薄),使得氟原子核的正電引力穿透出來,產生強大引力吸引周遭環境的負電子,所以氟F會去吸引氧化鋁分子身上的電子,破壞氧與鋁的關係。
11. 為什麼六氟化鋁離子AlF63-容易還原成鋁元素Al(提煉出鋁金屬)?
12. 「六氟化鋁」化學鍵的強度比「氧化鋁」弱。「氟」只需要從「鋁」身上獲得1個電子就可以讓它的最外層電子軌域填滿,因此「氟」與「鋁」之間的化學鍵是「鋁」提供1個電子構成的,顯示原子之間的引力較弱、化學鍵比較弱;
13. 但是「氧」則需要2個電子才能使它的最外層電子軌域填滿,因此「氧」與「鋁」之間的化學鍵是「鋁」提供2個電子構成的,顯示原子之間的引力較強、化學鍵比較強。
14. 此外,「六氟化鋁AlF63-」的分子結構也比「氧化鋁Al2O3」鬆散。
15. 「六氟化鋁」分子結構是1顆「鋁」周圍包裹6個「氟」,「氟」的體積比「氧」大,「氟」的數量更多,這使得空間變得太狹窄,「六氟化鋁」內的原子之間無可避免地彼此不停碰撞,難以維持穩定。
16. 因此,當我們用電解的方式灌注許多電子給「六氟化鋁」,「六氟化鋁」離子系統就會失去平衡,氟帶著電子鬆脫成為氟離子,鋁離子接受電子成為鋁原子(金屬鋁)。
17. 為什麼要在爐裡加入「碳」?「碳」可以與「氧」結合成「二氧化碳」,這樣可以避免剛脫離鋁的氧,又回頭與氟競爭與鋁結合,浪費時間,也可以避免鍋爐燃燒爆炸。