工業上常以電解法製備其所需元素或化合物 例如 鈉元素的活性很大 在工業上製造鈉金屬的主要方法是電解熔融的氯化鈉 當氯化鈉熔化後 液中解離的鈉離子 氯離子會被電解液中的電流影響 陽極吸引氯離子 氯離子給出電子生成氯氣 陰極吸引鈉離子 鈉離子接受電子生成鈉金屬 對非自發的氧化還原反應 藉由外界施加電壓、供給電能 使該反應發生的過程稱為電解 其中鈉金屬在陰極上析出 而氯氣在陽極上釋放 電解反應利用電能轉換成化學能 以求得產率的化學計量 對工業產能而言 是非常重要的 而研究電能與化學能轉換的領域 包括電池與電解反應 便統稱為電化學 19世紀最偉大的科學家之一 電學之父法拉第 在19世紀前半期 經由大量電解實驗 歸納實驗數據發現了電解的規律性 提出法拉第電解定律 說明電能與化學能之間互換的化學計量關係 法拉第發現 在電解過程中 同一金屬在陰極的析出質量與通過電極的電量有關 同時他也探討了金屬析出的質量 與其電荷數的相關性 法拉第電解定律適用於一切電極反應的氧化還原過程 是電化學反應中的基本定量定律 法拉第以優秀的實驗技巧和對科學的熱情而聞名 他進行了大量精密的實驗 探索了許多重要的科學現象和原理 他也熱衷於分享科學 為了科學的普及努力而聞名 他常常透過公眾演講和實驗表演向大眾傳播科學知識 促進大家對於科學的興趣 我們就來更進一步學習法拉第電解定律 第一個實驗 當以白金為固定材質的電極板 取硝酸鎳溶液為電解質 在電解液中放入電極 接上直流電源供應器以形成通路進行電解 會在陰極的部分觀察到鎳金屬的析出 當我們固定電解的時間 通以較高的直流電流時 析出金屬鎳的質量會增加 相反的 通以較低的直流電流時 析出金屬鎳質量會減少 而在另一個實驗中 若是以相同的電流量進行電解 當電解時間長 則金屬析出質量大 反之 電解時間短 析出金屬的質量就會比較少 因此 當電源供應器提供的電流值越高 或者電解的時間越長 鎳金屬析出質量越大 其中 由直流電流及通電時間電解可求得所提供的電量 分析實驗數據可得到 在電解過程中 同一物質析出的質量與通入的電量成正比 此為法拉第電解第一定律 法拉第電解第二定律 也同樣以實驗數據歸納而得 以相同實驗裝置 置入兩杯不同電解質 一杯為硫酸鋅水溶液 另一杯為硝酸銀水溶液 接上直流電源供應器串聯形成通路進行電解 以相同的電量進行電解 觀察兩杯電解液並分析實驗數據 在兩杯的陰極部分 觀察到鋅金屬、銀金屬的析出 其析出的金屬速率不同 而析出的金屬質量也不同 分別以畫面文字表示鋅的析出質量 以畫面文字表示銀的析出質量 發現到鋅的析出質量不等於銀的析出質量 大家可以想想看 為什麼在相同的條件下 陰極析出金屬的質量會不一樣呢？ 探索數據發現 在陰極析出物質的質量 會與物質的莫耳質量、其得失電子數有關 以相同的電量電解不同的物質時 析出產物的質量與其莫耳質量成正比 而與1莫耳物質得到 或失去的電子莫耳數成反比 則可以用畫面上的數學式來表示 即當以相同的電量電解不同物質 析出質量與該物質的莫耳質量 除以其得失電子數成正比 此為法拉第第二電解定律 當硫酸鋅水溶液及硝酸銀水溶液串聯進行電解 實驗過程假定有1莫耳電子流經 可觀察到析出鋅質量為31.8克 銀質量為107.9克 則分析兩金屬的析出質量比是107.9比31.8 由畫面中的還原半反應中可知 析出兩金屬的質量比 即為各物質莫耳質量除以得到的電子數後之比 符合法拉第第二電解定律 將兩定律合併 可得畫面之式子 再換言之 用實驗觀點歸納 直流電源供應器提供的電子莫耳數 應等於析出金屬所需的電子莫耳數 則可以用畫面的數學式子表示 其中 F為法拉第常數 F為法拉第常數 相當於每莫耳基本電荷含96500庫侖的電量 每莫耳電子所攜帶的電量 稱為1法拉第 以1F表示 則析出物質的質量則為畫面中所示 以前面電解硫酸鋅水溶液的例子說明 當通電1法拉第電量時 可析出0.5莫耳的鋅 這樣的結果對照畫面中此還原半反應 因為1法拉第電量等於1莫耳電子的電量 因此我們可根據半反應式中 鋅和電子的係數關係可得到0.5莫耳鋅 相當於31.8克的鋅金屬 此結果與法拉第的電解定律所得結論相同 以10.0安培電流電解一熔融鉻鹽96.5分鐘 在陰極獲得15.6克的金屬鉻 則此鉻鹽中鉻的氧化數為下列何者？ 學習完法拉第電解定律 我們來做個總結吧！ 1、法拉第於十九世紀前期 經由大量電解實驗後提出電解定律 第一定律 電解同一物質 析出產物之質量與通入的電量成正比 第二定律 以相同電量電解不同物質 析出產物的質量與該物質的式量 除以其1莫耳產物得到的電子莫耳數成正比 2、兩定律合併可得畫面式子 對照由實驗得到的概念 完全符合一致 以電解含金屬陽離子的溶液為例 若通入的電量為Q 析出A的方程式為如畫面式子 則直流電源供應器提供的電子莫耳數 等於析出金屬所需的電子莫耳數 法拉第在年輕時沒有受過正規的科學教育 但他熱愛科學 透過閱讀書籍和參加科學講座自我學習 最後他在科學上的貢獻 對於現代物理學和化學的發展至關重要 我們也可以效仿法拉第的精神 在科學的道路上不斷的學習與精進喔