水的電解 Electrolysis of Water

化學原理啟迪287

1.     我們已經知道氫氣H2和氧氣O2結合成水H2O是自發性程序，反應使自由能減少，失去的自由能可用來運作燃料電池產生電力。水H2O用電分解成成氫氣H2與氧氣O2的逆反應程序，當然就是非自發性反應，必須用電解法強迫執行

2.     特別留意，這個電池的電位差設定陽極溶液的H⁺濃度是1M，陰極溶液的OH^－是1M。

3.     純水的離子濃度 [H^＋]＝[OH^－]＝10^－7M，整個反應程序的電位差是－1.23V。

4.     事實上，如果浸泡在水中的電極連接6伏特的電流，不會產生任何反應，因為純水內的離子數量太稀少，只有很少量的電流能流入。不過，如果水中加入少量的鹽，很快地就能產生氧氣和氫氣的泡泡。

5.     【電解混合離子Electrolysis of Mixtures of Ions】假設電解電池的溶液含有Cu^2＋、Ag^＋和Zn^2＋離子，如果我們通的電流逐漸增大，金屬鍍上陰極的順序是什麼？觀察這些離子的標準電位差可得到答案。

Ag^＋＋e^－→Ag     E°＝0.80V

Cu^2＋＋2e^－→Cu    E°＝0.34V

Zn^2＋＋2e^－→Zn    E°＝－0.76V

6.     再複習一次，標準還原電位差E°愈趨向於正數、並且正數的數值愈大，這個反應愈容易朝目前的反應方向進行，因此在這三個反應中，氧化能力由強而弱的順序：

Ag^＋＞Cu^2＋＞Zn^2＋

這表示電流增加的時候，電極會先電鍍上銀，然後是銅，最後是鋅。

7.     這個原則十分好用，但使用的時候必須十分謹慎。舉例來說，氯化鈉溶液的電解，照理說，我們應該可以用標準電位差E°預測會製造出什麼產物，溶液的重要物質中（Na^＋、Cl^－和H2O），只有Cl^－和H2O是能夠被氧化的，它們的半反應（氧化反應）是

2Cl^－→Cl2＋2e^－ －E°＝－1.36V

2H2O→O2＋4H^＋＋4e^－ －E°＝－1.26V

8.     因為水的電位差比較正，我們會預期陽極產生O2，但是結果並不是這樣。當電池的電流增加伏特電量時，先被氧化的是Cl^－離子，要氧化水需要的電位差比預期的多

9.     製造出氧氣需要的電位差遠高於預估值（overvoltage），製造出氧氣需要的電位差高於製造氯氣需要的電位差，就是為什麼氯氣在比較低的電流伏特先被製造出來。

10.   需要過量伏特電流的原因非常複雜，基本上，溶液裡的物質要把電子，穿過電極－溶液的交介面，傳遞到電極上的原子，是十分困難的事。因此預測電解電池內物質的氧化反應程序時，要謹慎使用標準電位差E°的資訊。

n   翻譯編寫Steven S. Zumdahl 《Chemical Principles》 ；圖片來源：Sparknotes.com

徐弘毅：

1.   氯化鈉溶液需要過量的伏特電流的才能在陽極電解出氧氣，而不是氯氣，其中的原因非常複雜，基本上，溶液裡的物質要把電子，穿過電極－溶液的交介面，傳遞到電極上的原子，是十分困難的事。

2.   歌德：真實，是極其簡單的事，不過，為此而勃然大怒的人，也大有人在。然而，實際上他們應該了解，「力行真實」本是非常辛苦的事。

3.   一個反應的標準還原電位差E°愈趨向於正數、數值愈大，代表它愈容易進行還原反應，愈有能力使另一個電極的物質氧化。這個原則十分好用，但使用的時候必須十分謹慎。因為有些物質電解需要的電位差遠高於預估值。

4.   歌德：除非是真正地出自你的肺腑之言，否則絕無法使人由衷地感動。

5.   事實上，如果浸泡在水中的電極連接6伏特的電流，不會產生任何反應，因為純水內的離子數量太稀少，只有很少量的電流能流入。不過，如果水中加入少量的鹽，很快地就能產生氧氣和氫氣的泡泡。

6.   歌德：人只要想擺脫自己的錯誤，就必須支付相當高的代價，不過，這個人從此就可以得到幸福。歡歡喜喜地去工作，與喜歡自己工作的人，是幸福的。但是，人為了了解什麼事該做，應該怎麼做，卻必須花費一段相當長的時間。

7.   氫氣H2和氧氣O2結合成水H2O是自發性程序。水H2O用電分解成成氫氣H2與氧氣O2的逆反應程序，當然就是非自發性反應，必須用電解法強迫執行，也就是增加電力來促成反應。

8.   改善缺點是非自發性反應，必須用很強的意志力與恆心才能促成個人的化學轉變。

9.   歌德：改善缺點，補償錯誤，是最高的幸福。世上沒有一個際遇，能光靠努力與忍耐而獲得改善。人必須改善自己的缺點，生命才有轉變的機會。人總要不斷地突破自己的思想境界、智慧界限。

10. 不要拘泥在一個地方，提起精神向前走，只要頭手有力氣，行到何處，都可以為家。只要順應天道，再也不用煩惱；勇敢向前，世界何其寬廣！