電解水 追蹤專案

科技
水電解的反應式
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以電解法探討水的組成

利用電解的原理通入直流電於加有鹼性 的氫氧化鈉或酸性的稀硫酸或中性的硝酸鉀 等電解質溶液,分別在兩支注射針頭電極上 電解,設法將電解所產生的氫氣和氧氣集中 到其中同一支電解管中混合後,再用改良式 電子點燃器將氫氧混合氣體引燃化合成水。

「水的組成」之研究史:
在18世紀已有科學家利用氫氣的燃燒產生水,而認定水是由氫與氧兩種元素組成的化合物。
如何從水中分解出氫與氧呢?1800年英國科學家奈可爾生(William Nicholson,1753~1815)聽到義大利科學家伏打(Alessandro Volta, 1745~1827)發明電池的消息,就動手自己製作了一個電池,並將連接電池兩極的兩條金屬導線放入水中,發現水中的金屬導線上冒出了氣泡,水被電流分解為氫氣與氧氣了,這是人類第一個以電流引起化學反應的實驗。

公式
1.利用電能,引起分解的一種化學反應稱之電解。
2.當電流通過電解質時,在兩極會發生化學反應,這就是電流的化學效應,稱為電解。

水的電解裝置:
1.在容器中盛水,水中加入少許氫氧化鈉幫助導電(純水不能導電)。
2.以二隻注射針頭(或碳棒、白金片)作為電極,分別接至直流電源供應器(或蓄電池、乾電池)的正、負極。
3.以二試管盛滿水後倒立於容器內,並以廣用夾固定之。
將二電極置於試管內,觀察二試管內是否有氣體產生。

水的電解產物
1.電解水時,水中的H+移向負極,產生氫氧;水中的 OH-移向正極,產生氧氣。
2.反應式:
電解
  2H2O(水) → 2H2(氫氣)+ O2(氧氣)
         (負極)   (正極)
  氣體體積比    2    : 1

正極氣體的檢驗:以點燃的火柴餘燼插入正極氣體的試管內,可使火柴餘燼復燃,且火焰較空氣中旺盛。   
【註】正極氣體有助燃性,無可燃性,是為氧氣。
(2) 負極氣體的檢驗:拇指按住負極氣體試管口,使試管倒立,以點燃的火柴移近試管口再放開拇指,則氣體劇烈燃燒而產生爆鳴聲。   
【註】氫氣因混有少量空氣,因此點火後氫氣劇烈燃燒而產生爆鳴聲,如果是純的氫氣,則只產生淡藍色火焰而沒有爆鳴聲。

水的合成
1.把二體積的氫氣和一體積的氧氣混合並點火,可以得到水。
2.氫、氧混合點火可用下式表示:
   2H2  +  O2  →   2H2O   
(氫氣)  (氧氣)   (水蒸氣) (冷凝後成水)
   2   :   1    :  2    氣體體積比  

◆水的組成:由水的電解和水的合成,可知水的體積組成和質量組成如下。
1.體積比 氫氣:氧氣:水蒸氣 = 2:1:2
2.質量比 氫氣:氧氣:水 = 1:8:9 
【註】因氫的密度為0.0899公克/公升,而氧的密度為1.429公克/公升,則: 氫質量/氧質量 =(2×0.0899)/(1×1.429) = 1/7.95= 1/8

定比定律
1.定比定律:組成化合物的各種成分元素間,其質量比恆為一定值。
例:水中所含氫、氧的質量比為1:8,二氧化碳中所含碳、氧的質量比為3:8。
2.由定比定律知:一種化合物,不論用哪一種方法製得,此一化合物的各種成分元素的質量比恆保持定值。
例1:水,不論是由氫和氧反應而成,或者從雙氧水製氧時所生成,其氫和氧的質量比都是1:8。
例2:二氧化碳,不論是酒精燃燒所產生,或者是碳酸鈣受熱分解所產生,其碳與氧的質量比都是3:8。
例3:1公克氫與8公克氧化合成9公克的水;而8公克氫與8公克氧反應亦僅可得9公克的水,而剩下7公克的氫。
【註】此定律是法國化學家普斯特,在西元1799~1808年間,由實驗結果歸納出。


(補充)
負極反應:

2H2O + 2e- = H2 + 2OH-

正極反應:

2H2O = 4e- + O2 + 4H+

.傳統電解水模式:

->添加電解質(電解促進劑,如氯化鈉),【水分子H2O(l)】經電解(消耗),

->正負極分別生成【氧氣O2(g)】及【氫氣H2(g)】釋出,電解後水溶液仍為中性,

->但電解質之濃度會隨水被電解的消耗而逐漸增加。

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