物質變化

法拉第電解定律

法拉第電解定律 (Faraday’s Laws of Electrolysis)
國立臺灣大學化學系黃俊誠博士/國立臺灣大學化學系陳藹然博士責任編輯

英國科學家法拉第 (Michael Feraday, 1791-1867)是十九世紀電磁學與電化學領域中的偉大開拓者。1832年時科學界出現「電」的本質是否會隨生成方法而異之疑惑,但法拉第深信電的本質不變,並與書威爾(W. Shewell, 1794-1866)在1833年合作研究電流引起的化學效應。

從1833年所進行電解電池實驗中,法拉第意識到因電解所產生物質的量與通過的電流量之間存在著正比關係。他設計了一種測量電流的儀器,根據電解過程中釋放的氣體體積來衡量流過的電流量,也就是後來的伏特計(Voltmeter)。他用這種儀器量度了電解過程中每產生1克氫氣所通過的電量與在電解槽中所沉積出的各種物質量的關係,最後歸納整理出現今我們所看到法拉第電解定律。簡述如下:

法拉第第一電解定律:

電解過程中,於電極所游離出之物質的質量與通過電解質之電量成正比。其電量是指電荷(electrical charge)而不是電流(electrical charge),特別以庫倫(coulomb)作為測量的單位。

電鍍(Electroplating)

電鍍(Electroplating)
國立台灣大學化學系黃俊誠博士/國立台灣大學化學系陳藹然博士責任編輯

現代電化學與電鍍的關係是,由義大利化學家布拉格奈特利(Luigi Valentino Brugnatelli, 1761-1818)在1805年開啟。布拉格奈特利利用了他的同事伏特(Alessandro Volta, 1745-1827)五年前的一項發明,以電極進行了第一次電沉積(electrodeposition)實驗。但布拉格奈特利的發明被法國科學院所壓制,在之後的三十年中沒有在一般的工業中應用。一直到了1839年,英國和俄羅斯科學家獨立地設計了金屬電沉積工藝,這種工藝類似布拉格奈特利的發明,可用於印刷電路板的鍍銅。不久之後,英國伯明罕的約翰•萊特(John Wright,)發現氰化鉀(KCN)水溶液是一個合適電鍍黃金和白銀的電解液。1840年,萊特的同事喬治埃爾金頓(George Elkington, )和亨利•埃爾金頓(Henry Elkington, )被授予第一個電鍍專利。他們兩人在伯明罕創建了電鍍工廠,從此該技術開始傳播到世界各地。他們兩人在伯明罕創建了電鍍工廠,從此該技術開始傳播到世界各地。

電化電池的電動勢(Electromotive Force)

電化電池的電動勢(Electromotive Force)
國立台灣大學化學系黃俊誠博士/國立台灣大學化學系陳藹然博士責任編輯

構成電化電池的兩個電極電位間的電位差,稱為電化電池的電動勢(electromotive force,簡稱emf)。由電極與電解質溶液構成的半電池(half-cell),其介面有一電位差,稱為半電池電位。陽極的半反應電位為氧化電位,表示物質失去電子的傾向;陰極的半反應電位則為還原電位,表示物質獲得電子的傾向。電動勢與電極的大小無關,需要特別注意的是,半電池電位不是能量,所以沒有加成性。另外,由於氧化或還原反應無法單獨發生,所以半電池電位無法單獨測定。實驗上必須選擇一個半電池作為參考電極,經由測定兩個半電池之電位差來標定另一個半電池的電位。 半電池電位隨物質的種類、濃度及溫度而異,故必需在特定之狀態下比較。如在1大氣壓,25°C的溶液中,反應的電解質濃度為1.0 M時的半電池電位稱為標準電位,以E°表示。

酸的強度與酸解離常數

酸的強度 (Acid Strength)與酸解離常數 (Acid Dissociation Constant)
國立臺灣大學化學系林雅凡博士/國立臺灣大學化學系李俊毅責任編輯

在「布-洛酸鹼學說(Brønsted-Lowry Acid Base Theory)」的觀點中,認為釋出質子的能力越強,即為越強的酸。是否能有更科學的量化指標,來估量「釋出質子的能力」呢?又由此指標,如何區辨「強酸」與「弱酸」? 若以更精確的語言,描述「釋出質子」的過程,可以以下的化學方程式表達之:

\(HA_{(aq)}\rightleftharpoons H^+_{(aq)}+A^-_{(aq)}\) (式一)

式一中,\(HA\) 表示任何一種酸性物質,在水溶液中,釋出質子,形成其共軛鹼 \(A^-\)。

布-洛酸鹼學說

布-洛酸鹼學說 (The Brønsted-Lowry Acid Base Theory)
國立臺灣大學化學系林雅凡博士/國立臺灣大學化學系李俊毅責任編輯

西元1923年,丹麥化學家布忍斯特 (Johannes Nicolaus Brønsted, 1879-1947)與英國化學家洛瑞 (Thomas Martin Lowry, 1874-1936),不約而同對阿瑞尼士 (Svante August Arrhenius, 1859-1927)的酸鹼理論提出相近的修正,拓展人們對酸鹼化學的認知,不只侷限於水溶液的狀態,是為「布-洛酸鹼學說 (The Brønsted-Lowry Acid Base Theory)」。

還原劑

還原劑 (Reducing Agent)
國立臺灣大學化學系黃俊誠博士/國立臺灣大學化學系陳藹然博士責任編輯

還原劑是指在氧化還原反應中,擔任電子提供者的角色,也就是在反應中它本身被氧化,同時還原另一個反應物。例如下列亞鐵離子和氯氣的反應: Fe2+ + ½Cl2 → Fe3+ + Cl(eq 1) 還原試劑是為Fe2+,它提供一個電子而轉變成Fe3+,同時間氯氣被還原成負一價的氯離子(Cl)。

氧化還原滴定(Redox Titration)

氧化還原滴定(Redox Titration)
國立台灣大學化學系黃俊誠博士/國立台灣大學化學系陳藹然博士責任編輯

氧化還原滴定是以氧化還原反應為基礎,使用已知濃度的氧化劑或還原劑為標準溶液,以滴定法來分析未知物的濃度。酸鹼滴定時,根據酸能提供或鹼能接受氫離子的數目來決定中和時所需物質的量。相似的情形,氧化還原滴定時所使用氧化劑或還原劑的量與得失電子數有關,而且必須保持電量守恆。所以在氧化還原滴定時,可由已知濃度的氧化劑或還原劑之當量數,求得待測還原劑或氧化劑溶液濃度。 例如以過錳酸鉀溶液在酸性環境中滴定硫酸亞鐵溶液為例,身為氧化劑的錳(MnO4)由+7價還原為+2價的亞錳離子(Mn2+),1莫耳的KMnO4須要得到5莫耳電子,但身為還原劑的亞鐵離子(Fe2+)被氧化成+3價的鐵離子(Fe3+),1莫耳的FeSO4僅釋出1莫耳的電子,因此1莫耳的KMnO4需5莫耳的FeSO4才能完全反應。

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