電解（Electrolysis）

電解（Electrolysis）
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

對於一個非自發的化學反應，必須從外界施加電壓，才能使反應進行，這種施加外電壓來驅動化學反應的方法，稱為電解（electrolysis）。在伏打電池發明後沒多久，就有人發現電流可以從溶液中通過。於1800年，英國尼可爾生（William Nicholson , 1753-1815）與卡利斯列（Anthony Carlisle, 1768-1840），把連接伏打電池兩極的兩條金屬線放入水中，發現水電解成氫氣與氧氣，觀察到電解現象。

利用輸入的電能引發化學反應的裝置稱為電解槽。在電解槽中，藉由溶融狀態或溶液中的電解質所產生的電流迴路，在電極區產生化學反應並達到分離物質的效果。電解的構成要素有：(1)含有可移動離子的液體電解液；(2)外加電流電壓；(3)金屬、石墨或半導體的固體電極棒或電極板。為防止陰極與陽極區的電解產物相互混合，通常要在兩極間加上只有離子可透過的半透膜。以水的電解為例，在兩電極發生的的反應如下：
陽極： 2H₂O_(l)→ O_2(g)+ 4H⁺_(aq)+ 4e^–
陰極： 2H₂O_(l)+ 2e^– → H_2(g)+ 2OH^–_(aq)
總反應式：2H₂O_(l) →2H_2(g) + O_2(g)  E° = －1.229 V

雖然電解的反應物是水，但水中需加入少量鹽類當電解質，以鉑金屬或不銹鋼板當電極，並利用直流電當作電源。陽極進行氧化反應產生氧氣並放出電子，陰極的水得到電子還原產生氫氣。若以其他金屬當電極，氧氣很容易與電極板金屬反應生成金屬氧化物。例如，若以鐵金屬當電極進行稀氯化鈉水溶液電解，陽極會產生氧化鐵而非氧氣。

電解原理應用非常廣泛，許多在一般情況下很難發生的氧化還原反應，可以運用電解來加以實現。例如，法國無機化學家，亨利•莫瓦桑（Henri Moissan，1852－1907），將熔融的氫氟化鉀（KHF₂）溶於氫氟酸中，利用電解法在陽極上得到元素氟，從而獲得1906年諾貝爾化學獎。金屬的冶金也是以電解精鍊從礦石中獲得高純度的金屬。早期的英國化學家漢弗里•德維爵士（Sir Humphry Davy，1778-1829）利用電解的方法，發現了七種鹼金（Alkali metal）與鹼土（Alkaline earth metal）元素，包括鈉、鉀、鋇、鈣、鎂、硼與鍶。所以現今大規模電解食鹽水溶液可製備氯氣和氫氧化納。今日的鋁工業，是利用電解熔融的氧化鋁與冰晶石（Na₃AlF₃）來製備金屬鋁，這就是著名的霍爾電解法（Hall-Héroult process）。

參考資料：
1. Electrolysis. http://en.wikipedia.org/wiki/Electrolysis
2. William Nicholson (chemist). http://en.wikipedia.org/wiki/William_Nicholson_(chemist)