Chemistry Chapter 6 Form 4（Part II）

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Part 2: Uses of Electrolysis in industry & Voltaic cell
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> Uses of Electrolysis in Industry
1. Purification of Metals
2. Electroplating of Metals
3. Extraction of Metals

Purification of Metals

和刚才我们做过的差不多一样，两个 Copper Electrode，Anode 放 Ion、Cathode 收 Ion。不过，就算 Anode 中还有其他杂质，也只有 Copper ion 会溶解进 Solution ，然后给 Cathode 收。

所以在这里我们把一大块有杂质的 Impure Copper 放在 Anode，再把一小片 Pure copper 放在 Cathode，Ionize 的 Cu2+ 就会在 Cathode 被 discharge，变成 pure copper metal。xD（当 Impure copper Ionize 后，那些 Impurities 会掉在下面 xD）

Explanation & Observation 和刚才的差不多一样
Anode: Copper metal ionizes to form copper(II) ions. [ The mass of anode decreases / becomes thinner ]
Cathode: Copper (II) ions discharge to form copper metal. [ The mass of cathode increases / becomes thinner / a brown metal is deposited ]

如果换成 Silver 也是一样，只是把 Anode & Cathode 换成 Impure & Pure silver，再把 Electrolyte 换成 Silver Nitrate solution。

Electroplating of Metals

这个设置和刚才的很像~只是多了 Ammeter 和 Rheostat，而且我们的 Cathode 换成了叉子！
其实呢，刚才我们说用 Active Electrodes，才能一边放 Ion 一边收 Ion，不过其实只要 Anode 是 Active 的就行，而 Cathode 用什么没关系，Cations 都会在那边被 Discharge。

所以，我们把 Cathode 换成 Iron 还是 Carbon 都没关系！不过现在我们要为（铁做的？）叉子镀上一层银。很薄很薄的。 xD

Electroplating 的原理：
- 用 Object to be plated 作 Cathode
- 用 Metal used for plating 作 Anode
- Electrolyte > a solution of the compound of plating metal
（注意：画的时候， object to be plated must be completely immersed in the electrolyte =P）

Half-equation 完全没变。


不过呢， Electroplate 是很难控制的，电力不可以太大，不然一不小心就会 Plate 得不均匀！所以，To ensure even & high quality electroplating...
1. The surface of the object to be plated must be clean & free of grease.
2. A rheostat is used to control the current
3. Object to be plated must be rotated steadily
4. Time frame of electroplating is longer（比起high current + short duration, longer time frame works better）

Extraction of Metals

我们要 extract aluminium from molten aluminium oxide，也就是要把 Aluminium ion 和 Oxide ion 这对恩爱的情侣拆散！不过因为 Aluminium 在 Electrochemical Series 的位置太高了，他和他的女朋友 Oxide Ion 难分难舍，所以用一般的 Electrolysis 并不能把它们分开，所以需要这样的 set-up。

我们放了很多个 Anode，而 Steel Container 的内部都被 coated with Carbon（用作 Cathode），为的就是要逼 Al3+ 和 O2- 认命，乖乖地去 discharge！
身为 Anion 的 O2- 会去 Anode，而 Cation——Al3+，也就是我们要的，就会在 Cathode 被 discharge。由于 Aluminium is denser than Alumina，被 Extract 出来的 Aluminium 就会沉到下面。


不过，一切还没有结束！Oxide ions discharge to form oxygen gas，不过那个 Oxygen gas 并不会这样被放出来！Oxygen 会跟 Carbon electrode 走在一起，变成 Carbon dioxide。


因此，我们的 Carbon electrode 会慢慢被侵蚀掉，因为他的 carbon atom 被变成 CO2 gas，飞走了。所以，我们每隔一段时间就要更换 Anode！（看 Container 的大小，如果普通尺寸的话大概 20 天要换一次。）
[ Anode is corroded slowly & must be replaced from time to time ]

Cryolite 的用处：To lower the melting point of aluminium oxide//Act as a catalyst
如果没有 Cryolite，Aluminium oxide 的 Melting point 会是 2045度！OMG！放了 Cryolite，熔点就会减少到大约 900 度。

严格来说，Metals more reactive than carbon 就必须通过这种 Electrolysis 来分开。如果考试问你：除了 Al，还有什么金属需要用 Extration，你可以随便些任何一个比较高的，比如 Magnesium。

（Extra）其实除了 Electrochemical Series，我们还有一个叫做 Reactivity Series，这个 Series 和 E.S 有一点点不同，而且多了 Carbon。在 Reactivity Series 里面，Carbon 排在 Aluminium 后面，Zinc 前面。所以，K/Na/Ca/Mg/Al 都需要 Extraction。

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Voltaic Cells

在开始看这个之前，请忘记刚才我们看过的全部东西，因为现在我们学的和刚才的……

完全相反！

Electrolytic Cell 有放电池，所以能量的转换是 [Electrical Energy -> Chemical Energy]
现在 Voltaic cell 没有电池，我们通过 Chemical Reaction 来发电！[Chemical Energy -> Electrical Energy]

Voltaic Cell 主要的 Concept 是：在 Electrochemical Series 上面的放 Ion，成为- terminal，下面的就成为 + terminal，+ terminal 的悲惨命运就是必须吃 Ion！（只有 Cations 能够用在 Voltaic Cell 里面，Anions 们可以暂时休息一下~ ）

Electrochemical Series 就和刚才的差不多一样，不需要重新背过。xD

 

根据我们的科学知识，越上面的其实越 Reactive ，也就是他们比较容易丢掉自己的 Valence Electron。丢掉 Electron 以后，他们就成为 Aqueous state 的 Ion 了。因此，上面的就比较容易 Ionise，下面的只好乖乖地 Discharge。

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这是 Voltaic Cell 的一种。我们用两盆 Solution，Mg 和 Cu 被用作 Electrode，两个 Electrode 都泡在属于自己的 Solution 里面。

这样的话，我们总共用了两个 Solution。为了让电路接通，我们有两条路走——放 Salt Bridge 或者 Porous Pot。（用哪一种都不会影响 Electrolysis 的 Product）这个例子中，我放了一个 Salt Bridge，Salt Bridge 可以是任何 Ionic compound，主要是要 complete the circuit。

这里就和刚才不同了，刚才是 Negative terminal 让 Cations discharge，但是现在，Electrochemical Series 里面比较高的会是 Negative terminal。如刚才所说，上面的丢，下面的收。

我们先从 Negative Terminal 写起。他的工作是放 Ions。
[-]

 

Mg 丢掉了 2 个 Negatively-charged electron，变成 Mg2+。它丢掉的 Electron 跑啊跑，跑过电线（即 External Circuit），来到了 CuSO4 solution 里面。

[+]

原本失去了两个 Electron 的 Cu2+ 就把跑来的那两个 Electron 抓回来，他们就 Discharge，变成 Copper metal，粘在 Copper electrode 上面。由于两个 Equation 在现在已经 Balanced 了，所以只要把它们 Combine 起来就可以了。


 在 Overall Equation 里面，Mg 丢掉两个 Electron，而 Copper 又收回两个，所以就 Balance 了。

因为 Mg 一直融化（Ionise），而 Cu 一直收 Ions（Discharge），所以 Magnesium Electrode 会越来越小，而 Copper Electrode 则会越来越大。此外，CuSO4 solution 是蓝色的，不过因为 Copper ion 一直一直 Discharge，又没有新的 Copper ion 融化在里面，所以他的蓝色会越来越浅。

Observatins:
- terminal [Mg]: The mass of magnesium electrode decreases / becomes thinner
+ terminal [Cu]: The mass of the electrode increases/becomes thicker // A brown solid is deposited // The intensity of blue colour of the solution decreases

有发现吗？在 Electron 跑啊跑啊的过程中，他经过了 Positive 和 Negative terminal…… 只要 Electron 往同一个方向流动，就会产生电流，所以电流就这样产生了！刚才我们的电路上面装了一个 Voltmeter，现在 Voltmeter 就可以看到读数了。

Electron 流动的方向，在 External circuit 里面是从 Negative terminal 去 Positive terminal。（又和 Electrolytic Cell 的相反了有木有？ xD 后面还有一些不同，但是两个都被会很乱，所以就选其中一个的背，然后记得另外一个是相反的就可以了 ^^）

P/S 只有放两种不同的金属做 Electrode 才能产生电流，不然的话是没用的！比如 Mg 和 Fe 一起，Mg 放， Fe 收，上面的 Voltmeter 就有 Readings ；但是如果两个 Terminal 放的都是 Fe，读数就会是 0。

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Porous Pot 也可以用来分开两种 Electrode，在这种情况下，我们只需要一个 Beaker。

Porous Pot 的用处：
- To enable the flow of ions through it
- To complete the circuit
（它的上面有肉眼看不见的小孔，可以让 Ion 通过的同时，避免两个 solution 混在一起）

Half Equations:


Overall Equation:
现在这个有一点点棘手，因为左右两边的 Electron 数量要一样，才能够删掉。现在 Zn 丢掉两个 Electron，Silver 却只拿了一个！

Observatins:
- terminal [Zn]: The mass of zinc electrode decreases / becomes thinner
+ terminal [Ag]: The mass of the electrode increases/becomes thicker // A shiny metal is deposited

 

P/S 考试时，按照题目的要求，直接写 Balanced Overall Equation 就可以了。虽然我们可能会用几个步骤来 Balance the equation，但是步骤并不需要写出来。^^） 

P/S II 用现在这个例子，虽然说我们为了写 Balanced Overall Equation，必须把 Silver 的 Half Equation 整句乘以 2，但是题目如果要 Half Equation，我们不需要写乘二以后的那句……写最上面那个， Ag+ + e ---> Ag 就可以了。

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当两个 Electrode 都有属于自己的 Solution 时，上面的放自己的 Ion，而下面的 Discharge 属于自己的 Ion，还不会太乱，对吗？

不过，我们的两个 Electrode 未必要被泡在属于自己的 Electrolyte 里面，有些情况下，我们会遇到这样的题目……

现在，负责吃……呃，我是指 discharge ions 的 Copper electrode 需要做什么呢？如果可以选的话，他会 Discharge copper ion，可是我们的 Electrolyte 里面并没有 Copper ion！他只好从仅有的两个 Cations 中选一个来 Discharge。而他，当然选择了 H+。

至于 - terminal 的 Magnesium Electrode 并不会被环境影响，它还是照样放它的 Mg2+ 的 Ion。

Observatins:
- terminal [Mg]: The electrode becomes thinner.
+ terminal [Cu]: Colourless gas bubbles are released.

基本上只有 + terminal 的 Observation 不同。

这个会比较混乱，对吗？因为这个的设置其实很像 Electrolytic Cell，可是发生的事情却完全不同。遇到这样的题目时，最大的重点是看电池，如果没有电池，+ terminal 吸引的并不会是 Anion，他的责任是 Discharge 属于自己的 Cation，没办法的话就去吃别的 cations。在 Voltaic Cell 里面的 Chemical reactions，基本上并不会牵扯到 Anions。

>> 所以不管怎样，有没有属于自己的 Ion， Voltaic Cell 里面的 + terminal 还是必须找东西 Cation 来 Discharge 的。而 - terminal 也会风雨不改地 Ionise~

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忽然间，题目问你哪一个是 Anode，哪一个是 Cathode。一直以来，我们记得 + 就是Anode，- 就是 Cathode，对不对？其实，那个只是用在有电池的情况下。
在 Voltaic Cell 里面（没有电池），一切都会颠倒！

原来， Anode 是 donate electron 的地方（Where electrons is donated）。在 Electrolytic Cell，Anions 在 + terminal discharge 的时候把 Electron 丢掉，所以 + terminal 叫做 Anode； Voltaic Cell 里面，金属在 - terminal 丢掉自己的 Valence Electrons 来 Ionise，所以 - terminal 是 Voltaic Cell Anode。

所以，请不要记得 + terminal 就叫做 Anode！如果不太肯定，写 +/- terminal 绝对不会错。

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Comparism between Electrolytic & Voltaic Cell
这是我所发现的 Electrolytic vs Voltaic Cell 的不同 xD 基本上它们的不同就是相反的东西，别背两个，会乱的，选一个你比较喜欢的来记得就好了。^^  P/S 如果我还漏掉了什么，请让我知道！

^ Flow of electrons  in external circuit 也可以直接说是从 Anode 去 Cathode，不管是 Electrolytic 或 Voltaic 都一样！^^

 

P/S Voltaic Cell 就是我们用的电池~ 比如 Lead-acid accumulator、Nickel-cadmium cell 这些。关于用处、优缺点和对环境的影响，请看课本^^ 感觉对环境的影响比较 Common sense，不过用处还是读一读比较好~ xD

Continue > （下集预告：Electrochemical Series！）