電解中陽極和陰極酸鹼度之速測法

當電解質水溶液通入電流時，陽離子會向陰極移動，而陰離子會向陽極移動，使電荷能橫越兩極溝通電流而導電。同時由於陽離子與陰離子在兩極表面發生電子的得失而引起化學反應，此一現象即所謂電解（electrolysis）。

電鍍與電解質之關係也很密切，因電鍍乃是利用電解的原理將某金屬以化學方法鍍在另一金屬之表面上。電鍍之主要目的是為了增加美觀，防止生銹、增加表面光亮或增加機械強度等功用。然而為了達到此一目的，除了必須選擇適當的電解質、調整適宜的電流、控制溫度及攪拌外，電解質溶液之pH值在通入電流後之變化對電鍍之結果影響頗太。

在國中理化與高中化學實驗中有水的電解及電解質水溶液之電解實驗，由這些電解過程不難看出在兩個電極上起了交互作用（化學反應）。如水的電解在陽極產生氧氣，陰極產生氫氣。而電解質水溶液之電解除了產生氣體之外，也常見到在陰極析出金屬的現象。但是在此一電解過程中陽極與陰極附近溶液的酸鹼性是否改變？pH值多大呢？此一問題頗值得來探討，筆者有鑑於此，利用簡單的電解裝置直接在廣用pH試紙（universal pH paper）上來電解。本實驗所需電解液用量很少，只要1毫升以下，且可在2秒鐘內測出兩極反應後之pH值（0-14），因此本方法可供電解質溶液在電解前後酸鹼性的簡便測定。

一、目的

利用簡易的電解組合在廣用pH試紙上做各種電解質之電解反應，可迅速測出電解時陽極與陰極之酸鹼度。

二、儀器

乾電池（9V）1個

試管（20×180mm）30支

pH試紙（0-14，Merck）1盒

pH試紙（5-10，Merck）1盒

pH試紙（0-6，Merck）1盒

導線（30cm）2條

迴紋針2支

三、藥品

氯化鈉NaCl

氯化鉀KCl

氯化鋇BaCl2

氧化亞鈷CoCl2

硫酸銅CuSO4

硫酸鈉Na2SO4

硫酸亞錳MnSO4

硫酸鋰Li2SO4

硫酸亞鎳NiSO4

硫代硫酸鈉Na2S2O3

過氧硫酸鉀K2S2O8

黃血鹽K4Fe(CN)6

赤血鹽K3Fe(CN)6

碘酸鉀KIO3

過錳酸鉀KMnO4

硝酸鉀KNO3

硝酸亞鎳Ni(NO3)2

硝酸鋅Zn(NO3)2

硝酸鉛Pb(NO3)2

硝酸鎘Cd(NO3)2

硝酸銅Cu(NO3)2

鉻酸鉀K2CrO4

重鉻酸鉀K2CrO7

醋酸鈣Ca(CH3COO)2

碘化鉀KI

碘化鉛PbI2

碳酸鈉Na2CO3

碳酸氫鈉NaHCO3

鉻明礬K2Cr2(SO4)4．24H2O

硫酸銨鐵FeSO4．(NH4)2SO4．6H2O

四、實驗步驟

將9V乾電池與導線組合起來，並以一端拉直的迴紋針連接在紅色導線上當作陽極，另一迴紋針連接在黑色導線上當作陰極，組成一簡易電解裝置，如相片一。

  1. 為便於配製水溶液及測定其pH值，乃將上述各種藥品各取一小粒（約一個米粒大小），放入試管中，並用10毫升蒸餾水溶解之。
  2. 分別以pH試紙插入各個電解質之水溶液中，以測出電解前之酸鹼性。本實驗所用之pH試紙（廣用）為西德依默克（E.Merck）公司產品，以四種不同的指示劑分別處理在濾紙上，然後再固著在一塑膠片（5mm×80mm）上，四種指示劑分別遇到不同的酸鹼性溶液時，便分別呈現出不同的顏色，並與標準色對照，即可查出其pH值（0-14）。
  3. 將上述pH試紙分別由各電解質溶液中移出，然後迅即用電解裝置之陽極與陰極平行並排平放在pH試紙上，使電極橫置在四種指示劑上，如相片二。
  4. 約經2秒後，即可由pH試紙上看出在陽極與陰樓所接觸之位置上顏色之變化。
  5. 將電解過之pH試紙與標準色（附在pH試紙盒上）對照，便可查出兩極之pH值，如下表一所列。

表一 三十種電解質水溶液電解前後之pH值

電解質

電解前之pH值

電解後之pH值

陽極

陰極

氯化鈉NaCl

7

5

13

氯化鉀KCl

6-7

4-5

13

氯化鋇BaCl2

6-7

2

13

氧化亞鈷CoCl2

5

5

8-9

硝酸鉀KNO3

6-7

5

13

硝酸銅Cu(NO3)2

3-4

4-5

4-5

硝酸鋅Zn(NO3)2

1

1

5-6

硝酸鎘Cd(NO3)2

5

1

6

硝酸鉛Pb(NO3)2

4

1-2

5-6

硝酸亞鎳Ni(NO3)2

3

1

6-7

硫酸銅CuSO4

4-5

1

4-5

硫酸銅CuSO4

6

4

13

硫酸亞錳MnSO4

5

5

12

硫酸鋰Li2SO4

6

5-6

12-13

硫酸亞鎳NiSO4

5-6

5

10

鉻酸鉀K2CrO4

10

6-7

13

重鉻酸鉀K2CrO7

5

3

11-12

過錳酸鉀KMnO4

6

4

10

赤血鹽K3Fe(CN)6

5

3

12

黃血鹽K4Fe(CN)6

6

3

13

碘化鉀KI

6

5

13

碘化鉛PbI2

5

6

12

碘酸鉀KIO3

6-7

5

13

鉻明礬K2Cr2(SO4)4．24H2O

4

4-5

9-10

硫酸銨鐵FeSO4．(NH4)2SO4．6H2O

5

5-6

8-9

硫代硫酸鈉Na2S2O3

6

5

13

過氧硫酸鉀K2S2O8

1

3

13

醋酸鈣Ca(CH3COO)2

6-7

5-6

13

碳酸氫鈉NaHCO3

8-9

7

13

碳酸鈉Na2CO3

10

8

13

五、試試看

如將上述電解裝置中之兩電極尖端去碰觸pH試紙上四個不同的指示劑，則可呈現出點狀的顏色變化，再將四個顏色與標準色一起對照，亦可看出電解後兩極大約之pH值，不過此法較上法費時且較不易觀察。若用一般廣用試紙或石蕊試紙代替廣用pH試紙，則只能判斷出呈酸性或鹼性，較難判斷其pH值。如果將pH試紙沒入裝有電解質水溶液之培養皿中，並以兩支電極尖端分別在不同距離來電解，亦可很迅速的測出兩極之pH值。

六、結論

  1. 以一般實驗室之電解裝置來測電解後之pH值時，較為費時，且不易在陽極與陰極兩處分別測出pH值。
  2. 本方法電解時所需電解質水溶液只需將pH試紙濕潤即可，因此其用量很少，約只需1毫升以下之量便足以在2秒內測出陽極與陰極大約之pH值（0-14）。
  3. 若欲更精確測出其pH值時，可配合其他pH誠紙，如pH0-6或pH5-10之廣用pH試紙，便可精確到1個pH單位。
  4. 本實驗中選擇30種不同的電解質來電解，其原溶液之pH值除了碳酸氫鈉pH8-9，碳酸鈉pH10，以及鉻酸鉀為pH10外，其餘皆約在4-7之間。而經電解後很明顯的顯示出陽極與陰極之pH值有了變化，其中陽極除了碳酸鈉呈微鹼性（pH8）外，其餘皆呈現酸性至中性（1-6）。陰極之反應除了硫酸銅及鉛、鋅、鎘及鎳等硝酸鹽呈現微酸反應（pH4-7）外，其餘大都呈現鹼性（pH8-13）。同時所有的鉀鹽和鈉鹽都呈現較強之鹼性（pH＞10）。
  5. 本實驗結果可了解電解時陽極與陰極附近之酸鹼性起了變化，此一酸鹼變化將有助於瞭解電解現象及陽極和陰極之反應，茲以下列通則說明之。

陽極反應：（a）2X- → X2 + 2e-（X：代表鹵素原子，如Cl，I）

或（b）2H2O → 4H+ + O2 + 4e-（呈酸性）

陰極反應：（c）M2++2e- → M（M：代表金屬原子，如Cu，Cd）

或（d）2H2O + 2e- → H2 + OH-（呈鹼性）

茲以二個典型的電解反應來說明上述之陽極和陰極的反應，由反應之產物便可了解到電解後陽極和陰極之酸鹼性變化。

（1）食鹽（NaCl）水溶液之電解

陽極反應：（a）式反應

2Cl- → Cl2 + 2e-

陰極反應：（d）式反應（因Na+比水分子難還原）

2H2O + 2e- → H2 + 2OH-

淨反應：2Cl- + 2H2O Cl2 + H2 + 2OH-

或2NaCl + 2H2O Cl2 + H2 + 2NaOH

（2）硫酸銅（CuSO4）水溶液之電解

陽極反應：（b）式反應

2H2O → 4H+ + O2 + 4e-

陰極反應：（d）式反應（因Cu比水分子容易還原）

Cu2+ → Cu + 2e-

淨反應：2Cu2+ + 2H2O 4H+ + O2 + 2Cu

七、參考資料

  1. 蕭次融：化學示範實驗之設計，高雄師院化學系專題演講，七十六年三月。
  2. 田福助：電化學-基本原理與應用，五洲出版社，七十一年八月出版。
  3. 國立編譯館：高中化學，第二冊第八章，氧化還原反應-電解。
  4. 國立編譯館：國中理化（下），第二十六章電池與電解質。

作者：方金祥（國立高雄師範學院化學系）

資料來源：科學教育月刊，第103期，民國七十六年十月

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