氧化還原反應、化學電池和電解 / 子課題
電解產物預測
Predicting Electrolysis Products
電解不同溶液的產物預測規律及離子優先放電次序
核心考點 (Knowledge Groups)
1. 電解產物預測規律
考評提示：稀/濃 NaCl 電解產物差異 + 離子放電優先次序
- 電解稀 NaCl(aq)：陰極：2H⁺ + 2e⁻ → H₂；陽極：4OH⁻ − 4e⁻ → O₂ + 2H₂O（稀溶液 OH⁻ 放電）。電解濃 NaCl(aq)：陽極：2Cl⁻ − 2e⁻ → Cl₂。
常見題型 · scoring points
描述電解池的基本結構及工作原理
- 組件：直流電源、兩個電極（陽極接正極、陰極接負極）、電解質（熔融或水溶液）。
- 陽極（+）吸引陰離子，發生氧化（失電子）；陰極（−）吸引陽離子，發生還原（得電子）。
- 電子於外電路由電源負極流向陰極、由陽極流回電源正極；離子於電解液中移動形成迴路。
- 電解原理：以電能驅動不自發的氧化還原反應，實現物質分解。
預測電解稀 H₂SO₄ 的產物及寫出半反應式
- 陰極：2H⁺(aq) + 2e⁻ → H₂(g)——H⁺ 在電化序中比 SO₄²⁻ 更優先（實際上 SO₄²⁻ 不在陰極反應）。
- 陽極：2H₂O(l) → O₂(g) + 4H⁺(aq) + 4e⁻——水的氧化比 SO₄²⁻ 易（SO₄²⁻ 太穩定不能放電）。
- 總反應：2H₂O → 2H₂ + O₂（即電解水），電解液 H₂SO₄ 濃度逐漸上升（水被分解）。
- 體積比：陰陽極氣體體積比 V(H₂):V(O₂) = 2:1。
比較稀、濃 NaCl(aq) 電解的陽極產物
- 稀 NaCl(aq)（<10%）：陽極：2H₂O → O₂ + 4H⁺ + 4e⁻——水優先放電（H₂O 較 Cl⁻ 易氧化）。
- 濃 NaCl(aq)（>20%，氯鹼工業）：陽極：2Cl⁻ → Cl₂ + 2e⁻——Cl⁻ 因濃度高而優先放電（濃度效應）。
- 陰極（皆同）：2H₂O + 2e⁻ → H₂ + 2OH⁻（Na⁺ 在電化序甚上，不放電）。
- 觀察：濃 NaCl 陽極產生黃綠色刺鼻 Cl₂；稀 NaCl 陽極產生無色 O₂，並使帶火星木條重燃。
說明影響離子優先放電次序的三個因素
- 因素1（電化序）：陽離子於陰極放電難易依電化序——越下者越易放電（如 Cu²⁺ 比 Na⁺ 易放電）；陰離子 OH⁻/水比 SO₄²⁻/NO₃⁻ 易放電。
- 因素2（離子濃度）：高濃度離子會優先放電，即使其電化序位置不是最有利（例：濃 NaCl 中 Cl⁻ 先於水放電）。
- 因素3（電極性質）：活性電極（如 Cu 陽極）本身會被氧化取代水/陰離子放電（如銅電極上：Cu → Cu²⁺ + 2e⁻）。
- 綜合判斷：須同時考慮三因素，不能單憑電化序作預測；工業上可透過調節濃度及電極選擇生成所需產物。
以惰性電極電解 CuSO₄(aq) 預測產物及可見變化
- 陰極（碳/鉑）：Cu²⁺ + 2e⁻ → Cu——紅棕色銅沉積於陰極（Cu²⁺ 在電化序比 H⁺ 低，優先放電）。
- 陽極（碳/鉑）：2H₂O → O₂ + 4H⁺ + 4e⁻——放出無色 O₂（SO₄²⁻ 不放電）。
- 電解液可見變化：藍色漸淡（Cu²⁺ 被消耗），最終變無色；溶液酸性上升（產生 H⁺）。
- 陷阱：不可寫 SO₄²⁻ → SO₃ + O₂（錯誤），因 SO₄²⁻ 太穩定不放電；陽極氣體來自水。
描述電鍍（如鍍銅）的原理及步驟
- 原理：以待鍍物件作陰極（如鐵匙）、純銅作陽極、CuSO₄(aq) 為電解液；通電時 Cu 於陰極沉積。
- 陰極反應：Cu²⁺ + 2e⁻ → Cu（沉積於鐵匙表面）；陽極反應：Cu → Cu²⁺ + 2e⁻（純銅片逐漸溶解）。
- 淨效果：電解液中 [Cu²⁺] 保持不變；銅由陽極穩定轉移至陰極，溶液顏色不褪。
- 用途：改善外觀、防腐蝕、增強導電性；工業應用包括器具裝飾、電子產品、反光鏡。
解釋為何活潑金屬須用電解法提取
- 活潑金屬（Na、K、Ca、Mg、Al）：其離子還原傾向極低，不能被碳或 CO 還原（化學還原能力不足）。
- 例（Al）：Al₂O₃ 在熔融冰晶石 (Na₃AlF₆) 中電解；陰極：Al³⁺ + 3e⁻ → Al；陽極：2O²⁻ → O₂ + 4e⁻。
- 水溶液不可行：因 Al³⁺ 比 H⁺ 在 ECS 高，電解水溶液只會產生 H₂，得不到鋁。
- 對比：較不活潑金屬（Zn、Fe、Pb）可用碳還原氧化物取得（在高爐中）；最不活潑金屬（Au、Ag）可天然態存在。
分析含多種陽離子溶液電解時的放電次序
- 情境：電解同時含 Cu²⁺、Fe²⁺、Na⁺ 及 H⁺ 的水溶液，使用惰性電極。
- 陰極放電次序（由易到難）：Cu²⁺ > H⁺ > Fe²⁺ > Na⁺（依電化序由下至上）。
- 初期：陰極先析出紅棕色 Cu；當 Cu²⁺ 耗盡，才開始產生 H₂；Fe²⁺ 在常見濃度下不會放電（H⁺ 較優先）；Na⁺ 永不放電。
- 陷阱：不可一次列出所有陽離子同時放電；須按濃度及電化序逐步分析；電解過程中產物會隨時間改變。
氧化還原反應、化學電池和電解 其他子課題
關於本文：由 DSE 神器團隊整理，資料以香港考試及評核局（HKEAA）最新公佈為準，含歷屆考評建議引用。最後更新：2026 年 4 月。想隨時隨地溫習？下載 DSE 化學神器 App。
