电解硫酸铜溶液的电极探讨

电解硫酸铜溶液的电极探讨 電解硫酸銅溶液的電極探討 研究者:江岭諭 吳欣薇 李慕珺 指導者:廖淑芬 老師 壹、摘要 一、電解硫酸銅溶液時,如果使用碳棒作為兩極的電極,則其反應式應為: 12++HO + Cu ? 2H + Cu + O,?E?= ,0.893 V。 222 二、電解硫酸銅溶液時,如果使用銅片作為兩極的電極,則其反應式應為: 2+2+Cu + Cu ? Cu + Cu,?E?= 0.00 V。 三、根據上述討論,可知電解硫酸銅溶液時,所使用的電極種類、所提供的電壓值, 均會對於電解的結果造成影響;但其中仍存有許多值得深入探討的疑問。 (一)以碳棒作為兩極的電極時: 不論提供的電壓值為何,陽極是否均為HO進行釋放電子的反應, 2 (二)以銅片作為兩極的電極時: 2+1.0，所提供的電壓值，0.893 V,電解反應即發生。陽極產生Cu,陰極析出 金屬Cu,此時HO應該不會參與陽極的氧化反應。 2 2.所提供的電壓值，0.893 V,溶液中的HO是否也會開始參與電解,亦或仍2 僅有Cu進行反應, (三)在碳棒上纏擾銅線,作為兩極的電極時: 1.0，所提供的電壓值，0.893 V,碳棒上的銅線是否會參與陽極的氧化反應, 亦或仍相當於以純碳棒作為電極時的反應結果, 2.所提供的電壓值，0.893 V,溶液中的HO是否也會參與陽極的氧化反應,2 若HO和Cu均參與反應,則兩者的相關性又應為何, 2 61 —2+ Cu ? Cu+ 2e。 1— + HO ? 2H+ 2e+O。 222 3.碳棒上所纏繞的銅線間距、粗細,是否會對反應的結果有所影響, 四、水分子HO是否參與陽極的氧化反應,可藉甫溶液pH值變化情形加以判斷。溶2 液pH值不變者,示HO並未參與反應;溶液pH值隨電解時間而逐漸降低,2 +表示HO參與反應,生成H。 2 五、根據實驗結果,發現: (一)碳棒上所纏繞銅線的間隔,並不會對實驗結果造成太大的影響。 (二)實驗時所提供的電壓不宜過大或過小,大約1.5 V所得結果較佳。 (三)以電解10分鐘內進行觀測,發現電流的變化趨勢相當類似:電流會先急速下 降到一個低點後,即小幅度微升,呈現一個穩定的電壓值;且pH值也會先降 而後穩定。 貳、文獻探討 ,+一、電解質溶液MX 在溶液中會解離生成陽離子M 和陰離子X。通以電流進行(aq) 電解反應時,陰離子會釋放出電子進行氧化反應,陽離子會得到電子進行還原反應。 +++++2+二、溶液中的陽離子若為IA族陽離子(Li、Na、K、Rb、Cs)、IIA族陽離子(Be、 2+2+2+2+3++Mg、Ca、Sr、Ba)、NH、Al時,因其電解所需提供的電壓較大,反應4 不易進行,則常會游溶液中的HO進行氧化反應。 2 1,+ HO ? 2H + 2e + O。 222 -2-2-3-三、溶液中的陰離子若為酸根離子(例如,NO、SO、CO、PO、等…)時,因3434其電解所需提供的電壓較大,反應不易進行,則常會游溶液中的HO進行還原反2應。 ,, 2HO + 2e? 2OH + H。 22 四、電解硫酸銅的實驗常使用兩種電極,分別為銅片和碳棒。 (一)以銅片作為兩極的電極時,其反應式為: —2+ 陽極:Cu ? Cu+ 2e,E?= – 0.337 V……(1) —2+ 陰極:Cu+ 2e? Cu ,E?= + 0.337 V……(2) (二)以碳棒作為兩極的電極時,其反應式為: 62 1—+ 陽極:HO ? 2H+ 2e+ O,E?= – 1.23 V……(3) 222 —2+ 陰極:Cu+ 2e? Cu ,E?= + 0.337 V……(2) 五、根據標準電位值,可得知以銅片作為電極,進行硫酸銅溶液的電解時,其全反應 2+2+ 式為:Cu + Cu ? Cu + Cu,?E?= 0.00 V。 亦即該反應的進行,不需自外界提供電壓。但事實上,因整個電路裝置中會存有 內電阻,因此仍須提供少量電壓。 六、若以碳棒為電極,進行硫酸銅溶液的電解時,則其全反應式為: 12++HO + Cu ? 2H + Cu + O,?E?= ,0.893 V。 222 亦即需自外界提供大於0.893 V的電壓,才能使該電解反應進行。 七、比較兩電解反應的異同,可知其差異處為陽極反應。以銅片作陽極電極時,為金 屬Cu釋放電子;以碳棒為陽極電極時,為水HO釋放電子。後者較不易進行, 2 因此需提供較大電壓。 +八、當水分子參與陽極反應時,陽極棒附近會有氧氣O生成,且因生成H,因此該 2 溶液pH值將隨電解時間增加而減小。藉甫溶液pH值變化的判斷,可推測溶液 中的HO是否進行電解反應。 2 參、研究動機 電解反應進行時,主要是溶液中的陰離子進行氧化反應,陽離子進行還原反 2- 應;但電解硫酸銅溶液時,甫於解離所得的陰離子SO不易反應,因此甫HO42 進行氧化反應;電解所使用的低活性電極棒的主要目的則作為導體。 但若將電解硫酸銅溶液的電極棒改用金屬銅時,Cu會與HO競爭放出電2 子,而使電解產生不同的反應結果,因此希望更深入探討其間的影響。 肆、研究目的 一、探討以碳棒為電極時,電流強度、溶液pH值與時間之關係。 二、探討以銅片為電極時,電流強度、溶液pH值與時間之關係。 三、探討以纏繞銅線的碳棒作為陽極棒,純碳棒作為陰極棒,提供不同電壓時,電流 強度、溶液pH值與時間之關係。 63 四、甫上述實驗結果,探究其間的關係與相關理論。 伍、實驗設備及器材 一、設備 電子天平、直流電源供應器、三用電表、電磁加熱攪拌器、pH計、碼表。 二、器材 燒杯(50 mL、100 mL、250 mL )、量筒(100 mL)、量瓶(500 mL)、鱷魚夾、滴管、 玻棒、漏斗、砂紙、拋棄式手套、刮勺。 三、藥品 碳(石墨)棒C、銅片Cu、銅線Cu、硫酸銅CuSO〃5HO、蒸餾水HO。 422 陸、研究方法、結果、討論 一、以碳棒為兩極電極,通以不同電壓進行電解 【研究方法】以碳棒為兩極的電極,通以1.0、2.0、3.0、4.0、5.0、6.0 V的電壓, 電解1.0 M硫酸銅溶液,觀察並紀錄電流強度、溶液pH值在10分 鐘內的變化。 【結果】 ?實驗一:外接電壓1.0 V 分鐘 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 I(mA) 87.5 91.8 92.5 93.3 93.4 93.3 93.8 94.0 94.0 94.2 pH值 4.0 4.1 4.0 4.0 3.9 4.0 4.0 4.0 4.0 3.9 ?實驗二:外接電壓2.0 V 分鐘 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 I(mA) 117.7 163.4 148.4 115.6 74.8 71.6 70.0 67.6 64.0 60.4 pH值 4.7 4.6 4.6 4.3 4.2 4.1 4.3 4.0 4.0 3.9 ?實驗三:外接電壓3.0 V 分鐘 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 I(A) 0.17 0.17 0.18 0.18 0.18 0.18 0.18 0.17 0.18 0.18 pH值 4.7 4.6 5.0 4.6 4.5 4.3 4.4 4.2 4.2 4.2 ?實驗四:外接電壓4.0 V 分鐘 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 64 I(A) 0.26 0.27 0.27 0.27 0.27 0.27 0.27 0.28 0.25 0.26 pH值 5.0 5.2 5.2 5.1 5.1 5.2 4.8 4.7 5.2 5.4 ?實驗五:外接電壓5.0 V 分鐘 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 I(A) 0.4 0.4 0.42 0.43 0.44 0.45 0.46 0.46 0.43 0.47 pH值 6.5 6.2 5.7 5.4 5.5 5.2 5.4 4.7 5.4 5.1 ?實驗六:外接電壓6.0 V 分鐘 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 I(A) 0.52 0.51 0.51 0.51 0.50 0.51 0.51 0.53 0.53 0.54 pH值 5.8 5.7 5.3 5.2 5.2 5.0 5.8 5.4 5.3 4.9 76001.0 V1.0 V6500電2.0 V2.0 V5400流3.0 V3.0 V4pH300強3值4.0 V4.0 V度20025.0 V5.0 V(mA)10016.0 V6.0 V00 1357912345678910 【討論】 (一)從實驗結果可知,當所提供電壓為1.0 V時,電流值上升,pH值沒有明顯變 化;當電壓為2.0時,電流值下降且pH值也下降;但當電壓大於3.0 V時, 電流值較大無法精確測量。因此本實驗不討論電壓值大於3.0 V的實驗結果。 (二)當所提供電壓為1.0 V時,pH值沒有明顯變化,但電流值略微上升。甫與本 反應係以碳棒為電極,極棒不可能發生反應,因此所造成的影響應該來自於 電解液。 溶液中可能發生的化學反應式為: 1—+ 陽極:HO ? 2H+ 2e+ O,E?= – 1.23 V。 222 —2+ 陰極:Cu+ 2e? Cu ,E?= + 0.337 V。 (三)上述反應的電位差約為0.893 V,與所提供的電壓1.0 V相近。但若電解反應 +確實進行,溶液中應會產生H,而使溶液pH值下降,本實驗卻無此現象明 顯發生。甫於電解裝置中的導線、電解液內均具有內電阻,故推論在提供1.0 V電壓時,電解反應尚未發生,以致溶液pH值不變。電流強度增大的原因, 可能因為電壓的提供,使裝置的內電阻下降,以致電流強度略增。 (四)當所提供的電壓為2.0 V時,甫於此值較反應所需的電位差0.893 V大,因此 65 +推論電解反應開始進行,溶液中因為HO進行氧化反應,生成H,而使溶2 液的pH值明顯下降。 二、以銅片或銅線為兩極電極,通以1.5 V電壓進行電解 【研究方法】以銅片及銅線為兩極的電極,通以1.5 V的電壓,電解1.0 M硫酸銅 溶液;觀察並紀錄電流強度、溶液pH值在10分鐘內的變化。 【結果】 ?實驗一:以銅片為電極,外接電壓1.5 V 分鐘 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 I(mA) 119.8 120.7 120.2 120.7 120.7 119.6 120.5 120.5 119.7 119.4 pH值 4.3 4.3 4.3 4.3 4.3 4.3 4.3 4.3 4.3 4.4 ?實驗二:以銅線為電極,外接電壓1.5 V 分鐘 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 I(mA) 58.9 29.1 31.1 31.9 32.6 30.5 29.5 29.2 30.0 63.7 pH值 4.3 3.9 3.9 4.0 3.9 3.9 3.9 3.9 3.9 4.1 ?實驗三:以銅線為電極,外接電壓1.5 V 分鐘 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 I(mA) 75.2 27.8 27.5 25.8 27.0 38.1 27.3 26.9 25.2 29.2 pH值 4.2 3.9 3.9 3.9 3.9 3.9 3.9 3.8 3.8 3.8 4.6140 1204.4電 100流4.2實驗一實驗一80強pH4實驗二實驗二度60值3.8實驗三實驗三(mA)40 3.620 3.40 1357912345678910 【討論】 (一)甫實驗結果可發現,溶液pH值沒有明顯。甫於本實驗係以銅片或銅線作為兩 極的電極,因此其反應式應為: 2+ - 陽極:Cu ? Cu+ 2e。 2+ - 陰極:Cu+ 2e? Cu。 溶液中的HO未參與該電解反應,故溶液的pH值不變。 2 2+ 2+(二)本實驗的總反應式為:Cu+ Cu? Cu + Cu,其電位差為0.00 V,亦即不 66 提供電壓,化學反應亦會進行。但甫於實驗裝置及溶液中內電阻的存在,因 此,只要提供可以抵抗內電阻的少量電壓,此實驗就可以反應。 (三)甫實驗結果可知,不管所使用的電極為銅片或銅線,陽極均為金屬銅反應放 出電子,產生正二價的銅離子,而負極則為溶液中的銅離子得到電子,在陰 極上析出銅。唯一差異之處是銅片作為電極時的電流強度值較銅線時大,推 論其原因,可能因為銅片與硫酸銅溶液的接觸表面積較大,因此可以同時放 出較多電子,使得電流值較大。 三、以不同間距纏繞銅線的碳棒為陽極,純碳棒為陰極,通以1.0 V電壓進行電解 【研究方法】將銅線以1.5、2.0 cm固定間隔纏繞在碳棒上作為陽極棒,碳棒為 陰極棒,通以1.0 V的電壓,電解1.0 M硫酸銅溶液。觀察並紀錄 電流強度、溶液pH值在10分鐘內的變化;研究其值與時間之關係, 以及銅線纏繞間隔不同之比較。 【結果】 ?實驗一:外接電壓1.0 V,銅線間隔1.5 cm 分鐘 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 I(mA) 102.4 104.2 100.8 99.8 96.6 97.4 92.6 76.5 74.7 72.4 pH值 4.0 3.9 3.9 3.9 3.8 3.8 3.8 3.8 3.8 3.7 ?實驗二:外接電壓1.0 V,銅線間隔2 cm 分鐘 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 I(mA) 88.3 88.4 89.2 88.9 84.6 82.0 80.1 78.8 75.6 73.1 pH值 4.1 4.0 3.9 3.8 3.8 3.8 3.8 3.8 3.8 3.9 1204.2 4.1電100 4流間距1.5803.9強間距1.5 cmpHcm603.8值度間距2.0 cm間距2.0403.7(mA)cm203.6 3.50 1234567891012345678910 【討論】 (一)從實驗結果可發現,不論銅線間隔為1.5 cm或2.0 cm,實驗結果皆是電流下 降,pH值下降,因此推論此時參與的反應式可能為: 2+ -陽極:Cu ? Cu+ 2e; 67 1- + HO ? 2e+ 2H+ O。 222 2+ - 陰極:Cu+ 2e? Cu。 (二)所提供的電壓相同但銅線間隔不同時,所呈現的結果都是相似的,可能是其 所造成的影響太小,因此忽略其中極小的誤差,假設銅線間隔不同不會對實 驗結果造成影響。 (三)所提供的電壓為1.0 V時,不論銅線間隔多少,結果都是電流下降、pH值下 1 2降。但此電壓值小於HO ? H+O的標準電位差1.23 V,為了使實驗更22 2 加精確,我們將以小於或略大於1.23 V的電壓值,作為接下來實驗的條件。 四、以纏繞銅線的碳棒為陽極,純碳棒為陰極,通以小於1.0 V的電壓進行電解 【研究方法】將銅線以固定間隔纏繞在碳棒上作為陽極棒,碳棒為陰極棒,通 以0.3 V、0.45 V、0.7 V、0.9 V及1.0 V的電壓,電解1.0 M硫酸 銅水溶液;觀察並紀錄電流強度、溶液pH值在10分鐘內的變化。 【結果】 ?實驗一:外接電壓0.3 V 分鐘 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 I(mA) 0.01 0.01 0.01 0.01 0.01 0.01 0.01 0.01 0.01 0.01 pH值 3.6 3.6 3.6 3.6 3.6 3.6 3.6 3.6 3.6 3.6 ?實驗二:外接電壓0.45 V 分鐘 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 I(mA) 12.9 13.1 13.1 13.2 13.3 13.3 13.3 13.4 13.4 13.4 pH值 3.4 3.4 3.4 3.4 3.4 3.4 3.4 3.4 3.4 3.4 ?實驗三:外接電壓0.7 V 分鐘 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 I(mA) 32.4 32.6 31.2 28.6 26.6 26.3 26.5 26.5 26.9 27.3 pH值 3.7 4.0 3.9 3.9 3.9 3.9 3.9 3.9 3.9 3.9 ?實驗四:外接電壓0.9 V 分鐘 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 I(mA) 40.8 40.4 40.2 40.1 40.0 40.0 40.0 40.2 40.2 40.1 pH值 3.3 3.3 3.3 3.3 3.3 3.3 3.3 3.3 3.3 3.3 68 ?實驗五:外接電壓1.0 V 分鐘 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 I(mA) 41.8 41.9 41.9 41.9 41.9 41.6 41.4 41.4 41.3 41.2 pH值 3.0 2.9 3.0 3.0 3.0 3.0 3.0 3.0 3.0 3.0 550 電0.3 V0.3 V440流0.45 V0.45 V330強pH0.7 V0.7 V度值2200.9 V0.9 V(mA)1101.0 V1.0 V00 1234567891012345678910 【討論】 (一)當電壓為0.3 V時,電流強度及pH值都沒有改變,而陰極的碳棒仍有銅析出。 2+2+因為提供的電壓值甚小,推論其應進行Cu + Cu ? Cu + Cu的反應。 (二)當所提供的電壓為0.45 V時,電流強度上升幅度不大,可視為不變;當電壓 為0.7 V、0.9 V、1.0 V時電流強度則會下降。但其中的共通點是溶液pH值 並沒有改變,但陰極的碳棒上仍有銅附著。甫於此時所提供的電壓皆小於水 2+2+電解所需電壓1.23 V,故此時仍應為Cu + Cu ? Cu + Cu的反應。 (三).在本實驗中,所提供的電壓不同,但均小於1.23 V,因此每組實驗數據所呈 現的結果都是相似的,其電流強度值、pH值也都近似穩定。亦即所提供的電 壓雖然不同,但主要反應式均為: 2+-陽極:Cu? Cu + 2e,E?= ,0.337。 2+-陰極:Cu + 2e ? Cu,E?= ,0.337。 此總反應的電位差是零,因此在電解過程中,本反應較容易進行。 五、以纏繞銅線的碳棒為陽極,純碳棒為陰極,通以1.5 V的電壓進行電解 【研究方法】將銅線以固定間隔纏繞在碳棒上作為陽極棒,碳棒為陰極棒,通以 1.5 V的電壓,電解1.0 M硫酸銅溶液;每分鐘測量一次,觀察並 紀錄電流強度、溶液pH值在10分鐘內的變化。 【結果】 ?實驗一:外接電壓1.5 V 分鐘 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 I(mA) 126.9 128.4 128.5 127.1 117.2 41.2 54.3 54.8 55.2 57.7 pH值 4.4 4.4 4.4 4.4 4.3 3.7 3.9 3.8 3.9 3.8 ?實驗二:外接電壓1.5 V 分鐘 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 69 I(mA) 116.5 113.9 39.2 50.5 50.6 50.7 51.2 51.4 52.3 52.7 pH值 4.3 4.2 3.7 3.8 3.8 3.9 3.8 3.8 3.8 3.8 ?實驗三:外接電壓1.5 V 分鐘 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 I(mA) 120.9 122.3 114.8 94.6 66.1 70.4 73.2 73.6 74.4 76.2 pH值 4.6 4.4 4.5 4.5 4.1 4.2 4.2 4.4 4.4 4.3 ?實驗四:外接電壓1.5 V 分鐘 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 I(mA) 122.9 120.7 117.0 107.5 100.6 82.5 55.1 56.7 57.3 57.5 pH值 4.2 4.3 4.2 4.2 4.2 4.1 3.9 3.9 3.9 3.9 5140 120電4實驗一實驗一100流380強pH實驗二實驗二 度60值2實驗三實驗三(mA)40實驗四實驗四120 00 1234567891012345678910 【討論】 (一)本實驗的可能反應式應為: 1- + 陽極:HO ? 2e+ 2H+ O;22 2 2+ - Cu ? Cu+ 2e。 2+ - 陰極:Cu+ 2e? Cu。 (二)將陽極的碳棒纏上銅線作為電極後,發現電流皆會先下降,降到某一點時 又會再度回升;而溶液pH值也會先下降,再穩定不變。推論其原因,可 能在 電流強度變化的過程中,有一電流值之最小值。原實驗係每分鐘紀錄 一次電流強度及pH值,因此重作本實驗,但將時間間隔縮小,以得較精 確的測量結果。 六、以纏繞銅線的碳棒為陽極,純碳棒為陰極,通以1.5 ~ 2.0 V的電壓進行電解 【研究方法】將銅線以固定間隔纏繞在碳棒上作為正極,碳棒為負極,以1.5 V、 1.7 V、2.0 V電解1.0 M硫酸銅溶液,觀察並紀錄電流強度及溶液 pH值在10分鐘內的變化,將時間間隔縮小至30秒及20秒,研 70 究其值與時間之關係。 【結果】 ?實驗一:外接電壓1.5 V,每30秒測量電流,每分鐘測量pH值。 最低點在第9~10的時間點之間,電流值為54.8 mA 30秒 pH值 30秒 pH值 I(mA) I(mA) 1 125.2 11 59.5 2 125.7 4.1 12 60.5 3.7 3 125.0 13 61.4 4 123.7 4.1 14 61.5 3.7 5 117.6 15 61.8 6 108.9 4.2 16 62.2 3.6 7 102.5 17 62.4 8 92.4 3.9 18 62.9 3.7 9 74.9 19 62.8 10 55.5 3.6 20 63.1 3.6 4.4140 1204.2電 100流480強pH3.8度60值3.6(mA)40 3.420 3.20 1234567891013579111315171921 ?實驗二:外接電壓1.5 V,每20秒測量電流強度值,每分鐘測量pH值。 最低點在第20~21個時間點之間,電流值為32.2 mA 20秒 pH值 20秒 pH值 20秒 pH值 I(mA) I(mA) I(mA) 1 109.3 11 104.7 21 32.3 3.7 2 109.9 12 102.5 4.4 22 35.9 3 110.1 4.5 13 100.9 23 38.1 4 110.4 14 98.6 24 39.4 4.0 5 110.5 15 95.0 4.4 25 39.8 6 110.2 4.6 16 90.7 26 39.8 7 110.0 17 87.3 27 39.7 4.0 71 8 109.1 18 82.2 4.3 28 39.8 9 107.8 4.6 19 76.6 29 39.8 10 106.5 20 53.9 30 39.9 3.9 ?實驗三:外接電壓1.5 V,每20秒測量電流強度值,每分鐘測量pH值。 最低點在第9~10個時間點之間,電流值為22.3 mA 20秒 pH值 20秒 pH值 20秒 pH值 I(mA) I(mA) I(mA) 1 115.7 11 31.0 21 31.8 3.8 2 116.1 12 33.2 3.9 22 31.5 3 116.4 4.4 13 33.7 23 31.4 4 115.8 14 33.8 24 31.2 3.9 5 114.7 15 33.6 3.9 25 31.5 6 110.7 4.4 16 33.1 26 31.5 7 100.5 17 33.0 27 31.5 3.9 8 90.4 18 32.9 3.9 28 31.5 9 54.0 4.1 19 32.5 29 31.4 10 24.1 20 32.1 30 31.5 3.9 ?實驗四:外接電壓1.7 V,每20秒測量電流強度值,每分鐘測量pH值。 最低點在第8~9個時間點之間,電流值為32.9 mA 20秒 pH值 20秒 pH值 20秒 pH值 I(mA) I(mA) I(mA) 1 140.2 11 43.7 21 41.0 4.0 2 139.9 12 44.1 4.0 22 40.8 3 140.6 4.5 13 42.8 23 40.6 4 132.4 14 42.6 24 40.8 4.0 5 130.2 15 42.3 4.0 25 40.5 6 127.5 4.5 16 42.1 26 40.5 7 106.6 17 41.8 27 40.7 4.0 8 60.7 18 41.7 4.0 28 40.4 72 9 38 4.0 19 41.3 29 40.3 10 43.2 20 41.0 30 40.4 4.0 ?實驗五:外接電壓2.0 V,每20秒測量電流強度值,每分鐘測量pH值。 最低點在第8~9個時間點之間,電流值為42.5 mA 20秒 pH值 20秒 pH值 20秒 pH值 I(mA) I(mA) I(mA) 1 112.4 11 46.1 21 45.1 4.0 2 112.4 12 46.0 4.0 22 44.7 3 112.9 4.5 13 45.9 23 44.8 4 112.5 14 45.7 24 44.8 4.0 5 111.2 15 45.5 4.0 25 44.7 6 108.7 4.3 16 45.4 26 44.7 7 103.1 17 45.3 27 44.7 4.0 8 82.7 18 45.2 4.0 28 44.5 9 42.6 4.0 19 44.9 29 44.6 10 46.1 20 45.0 30 44.5 4.0 ?實驗六:外接電壓2.0 V,每20秒測量電流強度值,每分鐘測量pH值。 最低點在第12~13個時間點之間,電流值為37.2 mA 20秒 pH值 20秒 pH值 20秒 pH值 I(mA) I(mA) I(mA) 1 105.1 11 86.4 21 45.6 4.0 2 104.7 12 86.4 4.2 22 45.3 3 104.4 4.3 13 38.5 23 44.2 4 105.0 14 47.4 24 44.2 4.0 5 104.9 15 47.2 4.1 25 44.5 6 104.6 4.5 16 46.9 26 44.4 7 102.1 17 46.3 27 44.2 4.0 73 8 99.9 18 45.8 4.2 28 44.1 9 98.1 4.4 19 45.7 29 43.9 10 94.2 20 45.5 30 43.9 4.0 ?實驗七:外接電壓2.0 V,每20秒測量電流強度值,每分鐘測量pH值。 最低點在第5~6個時間點之間,電流值為25.3 mA 20秒 pH值 20秒 pH值 20秒 pH值 I(mA) I(mA) I(mA) 1 122.4 11 41.0 21 42.0 4.0 2 121.5 12 41.2 4.0 22 43.0 3 121.0 4.6 13 41.2 23 44.3 4 118.2 14 41.3 24 44.5 4.0 5 103.0 15 41.6 4.0 25 45.8 6 25.5 4.3 16 41.2 26 44.7 7 37.2 17 41.1 27 44.4 4.0 8 41.4 18 41.3 4.0 28 44.1 9 41.5 4.0 19 41.6 29 44.1 10 41.0 20 41.7 30 44.0 4.0 1505實驗二實驗二電1204.6實驗三實驗三流904.2實驗四實驗四強pH 度值實驗五實驗五603.8(mA)實驗六實驗六303.4實驗七實驗七03 16111621263112345678910 【討論】 (一)將測量的時間間隔縮小之後,可以更清楚的看出,在電流降低的過程中,pH 值也會隨之下降。而且持續觀察電流值,可以找出電流強度最小時的數值及 電解時間;且當電流值過了最低點之後,電流強度值將趨於穩定,且pH值 也呈現穩定狀態。 (二)根據實驗(四)的推論,影響電流強度改變的主要原因,係因反應式: 1- + HO ? 2e+ 2H+ O的進行;因此推論,在電流值達到最低點前,電流222 下降且pH值下降,也是甫於此反應進行之故。但甫於此時所提供的電壓為 2+ 2+ 1.5 V,大於Cu + Cu? Cu+ Cu反應所需之電位差,因此在此階段,陽 74 極反應極可能為金屬銅和水共同進行氧化反應。 (三)當電流強度值過了最低點後,電流值將會微量上升至某一穩定值,而pH值也 1- + 將穩定不變。根據實驗(四)的推論,電流值不變,表示HO ?2e+ 2H+ O222 此反應式未進行,溶液pH值也將因此而固定不變;故可藉以推知,當溶液 2+ 電解時,電流強度超過最低點後,HO不再參與反應,僅金屬銅進行Cu + Cu2 2+ ? Cu+ Cu 的反應。 柒、結論 一、以碳棒為兩極電極,通以不同電壓進行電解 2+ - (一)不論所提供的電壓為若干,Cu+ 2e? Cu此反應較容易進行。 1- + (二) HO ? 2e+ 2H+ O的進行會影響溶液的pH值,使其隨反應進行而逐222 漸下降。 二、以銅片或銅線為兩極電極,通以1.5 V電壓進行電解 以銅片作為電極時的電流強度值較銅線作為電極時大,因為銅片與硫酸銅溶液的 接觸表面積較銅線大,因此可同時放出較多電子,使得電流值較大。 三、以不同間距纏繞銅線的碳棒為陽極,純碳棒為陰極,通以1.0 V電壓進行電解 纏繞在碳棒上的銅線,無論間隔多少並不會影響實驗結果。 四、以纏繞銅線的碳棒為陽極,純碳棒為陰極,通以小於1.0 V的電壓進行電解 (一)提供的電壓在0.3 V至1.0 V時,電解時的電流強度和溶液pH值皆不變。 2+ 2+ (二)此時所進行的化學反應式,主要為:Cu + Cu? Cu+ Cu。 五、以纏繞銅線的碳棒為陽極,純碳棒為陰極,通以1.5 V的電壓進行電解。 六、以纏繞銅線的碳棒為陽極,純碳棒為陰極,通以1.5 ~ 2.0 V的電壓進行電解電解 時,電流強度下降,表示此時水HO 與銅Cu皆參與氧化反應,釋放出電子。當2 電流強度到達最低點時,溶液pH值也最小,之後電流強度又將回升至某一穩定 值,且pH值維持不變;此時應該只有金屬銅參與氧化反應。 捌、未來展望 希望更深入瞭解實驗(六),電解硫酸銅溶液時,電流強度變化過程及電流值達最低 點的原因,並設計相關實驗作更進一步的探究。 75 玖、參考資料及其他 一、電化學-理論與應用 甪福助 著 二、高級中學化學(上) 楊寶旺教授 主編 76 77