同學 你還記得嗎？ 對於一個非自發的化學反應 必須從外界施加電壓 才能使反應進行 例如水的電解反應 這種施加外電壓來驅動化學反應的方法 稱為電解 將電流通過電解質溶液或熔融態物質 而在陰極和陽極上引起氧化還原反應的過程 而電化學電池在接受外加電壓充電時 會發生電解反應 所有的離子化合物都是電解質 因為當它們被電解時 其中的離子可以自由移動 因此具有導電性 許多在常溫常壓下難以自發的氧化還原反應 可透過非自發的電解反應使其實現 電解可應用於各種電化學製程和生產 是重要的工業程序 早期的英國化學家戴維爵士利用電解精鍊 從礦石中冶煉獲得高純度的金屬 發現了主要為鹼金族元素與鹼土族的七種元素 包括鈉、鉀、鋇、鈣、鎂、鍶與硼元素 他以發現最多化學元素而聞名 被譽為「無機化學之父」 製備元素氟是化學史上最困難的工作之一 很多科學家嘗試製備元素氟均以失敗而告終 有些甚至因此而中毒死亡 法國無機化學家莫瓦桑 將熔融的氟化氫鉀溶於氫氟酸中 利用電解法在陽極上得到元素氟 而獲得1906年諾貝爾化學獎 而現今 在工業上還有哪些電解的重要應用呢？ 這支影片我們將會學習到鹼氯工業、當氏法 銅的精煉與霍爾—埃魯法 鹼氯工業顧名思義即為製備鹼與氯的方法 並以此產物為原料 製成一系列化工產品 例如 肥皂、漂白劑、鹽酸、聚氯乙烯、農藥等 而稱之鹼氯工業 自工業革命後 酸與鹼在工業上的用途日益增大 利用電解飽和食鹽水溶液 可製造工業上所需的氫氧化鈉 以及氯氣、氫氣 電解過程中 在陽極產生氯氣 陰極產生氫氧化鈉和氫氣 在兩電極中間隔有選擇性透膜 除維持電中性外 又因氯氣在鹼性溶液中會發生自身氧化還原反應 為避免陽極產物氯氣 與陰極產物氫氧化鈉相遇發生反應 因此陰、陽極之間必須使用只允許鈉離子通過的隔膜 此方法稱為隔膜電解法 裝置中 飽和食鹽水與水的不斷提供 可不斷地產生氫氣、氯氣、與氫氧化鈉水溶液 而成為最有效率的製程方法之一 臺灣的臺鹼公司 早期便是生產製備這類化學品的鹼氯工廠 在工業上 從礦物中冶煉活性較大的金屬 如鹼金族、鹼土金族 鋁金屬等元素多用電解法 其中金屬鈉的製備則多採用電解熔融的氯化鈉 與氯化鈣混合物 由於氯化鈉的熔點高達 801 度C 為節省能源而加入助熔劑氯化鈣 使被電解的混合物熔點降到 600 度Ｃ左右 以降低成本 此法稱為當氏法 在陽極生成氯氣 陰極生成鈉 全反應式如畫面所示 當氏法所製得的鈉用途很廣 可製成合金 也可作為有機合成的還原劑 核反應爐的冷卻材料 還可製作鈉蒸氣燈 人類祖先大約在西元前8000年左右發現銅 約西元前3500年開始使用銅 因此使用銅與其合金已有數千年歷史 換句話說金屬的歷史可以說是從銅開始 目前銅被廣泛應用於電子業、機械業 建築工業及國防工業等領域 然而天然銅礦利用煤焦還原提煉的銅純度低 要得到高純度的銅需要電解精煉 金屬純化則是另一個重要的電解應用 而銅的電解精煉已有超過百年歷史 1869 年建於英國的埃爾金頓工廠 是世界上第一家銅電解精煉廠 而早期位於新北市金瓜石的臺灣金屬礦業股份有限公司 曾經是臺灣唯一的國營電解精煉廠 銅的電解精煉是以較低純度的粗銅作陽極 純銅作陰極 硫酸銅溶液為電解液 在電解過程中 陽極的粗銅被氧化成銅離子 銅離子移到陰極獲得電子被還原而析附在純銅上 大家可以想一想 在粗銅中的雜質 難道不會隨著電解的過程一起析出嗎？ 如果粗銅中含有比銅更容易被氧化的金屬雜質 如鐵、鋅、鎳等 這些雜質金屬確實會被氧化成相應的陽離子 然而 由於這些雜質金屬的氧化電位較銅高 因此最終被氧化為陽離子存在於電解液中 相反的 若雜質是比銅更難氧化的金屬 如金、銀、鉑等 則不發生氧化反應 而直接掉落在電解槽內的陽極 稱為陽極淤渣 陽極淤渣可提煉出金、銀、鉑等貴重金屬 所得的費用可補充電煉的支出 鋁是地殼中含量最高的金屬元素 但因其化學性質較活潑 礦物多以化合物形式存在 又因過去煉鋁過程繁瑣不易 導致一小塊鋁的價格非常高 甚至高於鉑和金 曾經在1855年世界博覽會上 一塊鋁和法國的皇冠珠寶一起展出 拿破崙三世為顯示自己的富有和尊貴 打造了一頂鋁製的皇冠 登基戴著鋁皇冠接受大家的膜拜 到了1884年 鋁的價格仍然和銀旗鼓相當 建造華盛頓紀念碑尖端頂部的鋁製金字塔 是當時最大塊的鋁塊 在被放置到紀念碑頂端前 還曾在紐約的珠寶店展示 1886年 美國化學家霍爾和法國化學家埃魯各自發明煉鋁法 合稱霍爾—埃魯法 此法是利用氧化鋁和冰晶石的混合物熔融態 進行電解而製成鋁 霍爾—埃魯法的電解原料為鋁礬土 主成分為氧化鋁 需先經純化後 去除雜質氧化鐵才能進行電解 以石墨棒為陽極 陰極是不鏽鋼槽石墨內襯 電解液主要是氧化鋁 與冰晶石作為助熔劑 陽極產物為氧氣 陰極產物為鋁 因電解槽溫度很高 陽極產生的氧氣會與石墨反應 生成二氧化碳 霍爾—埃魯法除了提高了鋁的產量 也擴大了鋁的應用範圍 至今仍然是工業上主要的鋁製備方法 我們學習了幾個工業上電解的應用 可以用這個表統整起來 我們習以為常便捷的日常 其實是從古至今的科學家花了畢生的努力而成的成果 現在我們站在巨人的肩膀上學習 讓我們繼續加油