電解池(electrolytic cell)又稱電解電池,是用於電解的裝置,可以將電能轉化為化學能,使某些平常情況下無法自發的化學反應得以發生。

1884年繪製的一個製取氫氧混合氣的電解池

電解池一般由電解液和兩個電極組成,電解液可以是鹽類的水溶液也可以是熔融的鹽類。當在電極上加上外加電場時,電解液中的離子會被帶相反電荷的電極所吸引,靠近該電極,進而在該電極上發生得電子或失去電子的還原或氧化反應。電解池的重要應用例子包括電解水、電解食鹽水、電解熔融的氧化鋁製取等過程。材料的電鍍和金屬的精煉也通過電解池進行[1]

電極定義與原理

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麥可·法拉第定義與電源負極相連的電極為陰極,陰極帶負電荷,吸引帶正電的離子在陰極上得到電子,還原後生成金屬或氣體。相對的,他定義與電源的正極相連的電極為陽極,陽極帶正電荷,吸引帶負電的離子在陽極上失去電子,形成氣體逸出。

應用

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電解水溶液

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電解氯化鈉水溶液示意圖

當有外界電壓時,水電離出的帶正電的氫正離子會接近帶有負電荷的陰極,在陰極上得到電子生成氫氣。而水電離出的帶負電的氫氧根則會接近帶正電的陽極,在陽極上失去電子產生氧氣。 若電解氯化鈉水溶液,陰極上仍然是水分子得到電子生成氫氣;

2H
2
O
+ 2e → H2 + 2OH

而在陽極上,氯離子相比氫氧根更容易失去電子,所以發生的反應是氯離子失去電子產生氯氣,

2ClCl
2
+ 2e

同時導致溶液中氫氧根逐漸增多,總反應為氯化鈉水溶液電解後產生氫氣、氯氣氫氧化鈉[2]

電解製取難還原的金屬

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對於、鋁等較活潑金屬的化合物,其中的金屬離子很難得到電子還原成單質,故一般的還原法無法獲得金屬,可在電解池中通過外加電場促使還原反應發生。 如製取鋁的霍爾-埃魯法,其基本反應是電解熔融的氧化鋁製得單質鋁: 冰晶石、氧化鋁和氟化鋁的混合溶液加上直流電壓後,帶正電的鋁離子會聚集在陰極附近,獲得電子生成單質鋁,而氧離子則在石墨焦炭製成的陽極附近失去電子,生成氧原子。按照理論計算,生成一千克鋁所耗能量為8.7千瓦時[3],現代工業規模的鋁電解池一般需11.5-13.5千瓦時的電能生產1千克鋁,所用的電解池通常使用的電流都達數百安培[4]

參考文獻

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  1. ^ 傅獻彩等. 物理化学,第五版. 高等教育出版社. 2005年7月: 676–679. 
  2. ^ Bommaraju, Tilak V.; Orosz, Paul J.; Sokol, Elizabeth A. Electrochemistry Encyclopedia: Brine Electrolysis. Cleveland: Case Western Rsserve University. 2007. 
  3. ^ Christoph Schmitz. Handbook of Aluminium Recycling. Vulkan-Verlag GmbH. 2006: 18-24. 
  4. ^ DUBAL 2008 installed cell amperage for DX Technology. [2014-02-09]. (原始內容存檔於2013-09-27).