水工坊專題

電解水

水(H2O)被電解生成電解水。電流通過水(H20)時,氫氣在陰極形成,氧氣則在陽極形成。帶正電荷的離子向陰極移動,溶于水中的礦物質鈣、鎂、鉀、納……等帶正電荷的離子,便在陰極形成,就是我們所喝的鹼性水;而帶負電的離子,在陽極生成。電解的原理看似簡單,但要快速並且安全生成電解水卻並不容易,廠家經過不斷的改良,才開始使用安全穩定的鈦金屬為電極。

19世紀初,英國化學家H. Davy經由研究電池時,發現化合物由電力吸引而結合。他創立的電解理論,如今廣泛應用於工業用途上!(按現今應用科技及材料發展,「電解槽」之「鈦白金(鉑)電極板」及「陶瓷離子膜」,都是近10多年來最新的產品,導致「電解水機」的澎勃發展和進步!)電化學所討論者為電與化學現象之間的相互關係,其範圍包括電解質溶液電特性及電極在此容易所發生的現象。(按現今電解水機,大都採用溶入或燒結式之鈦白金電極板,高介電性、抗酸鹼、電極本身幾乎不參與「化學反應」,電解過程主要是「電」「電解質」「水」等議題!) 因此,電化學可說是研究電能與化學變化之關係為對象的科學統稱。…「電能」…「化學能」皆是「電化學」的範疇。以下分別說明電解水原理

1. 電解質在溶液中可遊離成帶電的粒子,稱為離子(Ion),此現象稱為電離或遊離。(通用電解水機之電解水,通稱為「電解」)

2. 電解質在溶液中游離後,生成帶正電荷離子稱為陽離子(Cation),其帶負電的離子,稱為陰離子(Anion)。遊離後「陽離子總電量等於陰離子總電量」,故溶液永遠維持「電中性」。此為傳統且不為連續水流之電解模式,電極板間並無「離子膜」。電解水機的應用實務則為-連續性中性淨水經由電解槽電極板電離、離子膜之透析分離,可以分別生成帶有「負電位」的「鹼性離子水」及帶有「正電位」的「酸性離子水」。不考慮其他誤差因素,淨總陽離子帶電量(鹼性水)應等於淨總陰離子帶電量(酸性水)。例如:鹼性水負電位=(-500)mv,原水溶液正電位=(+300)mv,可以簡當推論…酸性水之正電位=(+500)mv?(+800)mv?還是(+380)mv?(此為實測數字)。因此,電解水實務操作,【鹼性離子水之負電位】及【酸性離子水之正電位】,都有很大的探究空間。

3. 電解質溶液具導電性,此與金屬導體之導電性完全不同。前者之導電乃由於陰陽離子的移動,後者乃由於自由電子的移動。

4. 通入電流時,陽極(電+極)發生氧化反應(Oxidation Reaction), 陰極(電-極)發生還原反應(Reduction Reaction)氧化還原電位計-ORP meter (Oxidation & Reduction Potentials )

5. 強電解質在溶液中幾乎完全解離(水解),如鹽酸、氫氧化鈉溶液。

6. 弱電解質在水溶液中僅部分遊離。實際上游離乃一可逆化學反應。其游離程度與電解質之特性及其在水溶液中之濃度有關。在定溫時,某一濃度電解質溶液之遊離度α (Degree of Uonization)定義為:游離之電解質莫耳數與電解質總莫耳數之百分比。一般來說,阿瑞尼士遊離說適用於弱電解質,但不適用於強電解質的真實情況。

電解水存在類似「電解率」問題,是不是如同遊離度的情形?為此,不同電解率的情況,亦即不同PH值生成水(以鹼性離子水為例),其【淨總鹼性陽離子濃度】亦不同。例如,【陽離子】=10mg/L,PH值=8.0,中性淨水成分僅約「15%」被電解;又如,電解率=59%,【陽離子】=41mg/L,鹼性離子水PH值約=9.2 …(試驗淨水可以為硫酸鹽(鈣.鎂)150mg/L、碳酸鹽(鈣.鎂)30mg/L、氯鹽(鈉) 20m g/L)


電解水之正負【電位】
電池中有二電極(Electrodes),稱為陽極、陰極或正極、負極。化學家乃是以電及表面所發生的化學反應作為電極命名的根據,發生氧化反應的電極稱為「陽極」(Anode);發生還原反應的電極稱為「陰極」(Cathode)。物理學家乃是以電位的高低做為電極命名的根據,電位高的電極則稱為「正極」(Positive Electrode),而電位低的電極則稱為「負極」(Negative Electrode)。標準電極電位定義為:在標準狀況下以「標準氫電極(Standard Hydrogen Electrode ( SHE )」之電位為0,所測得之電位。近年來歐美均採用國際純粹及應用化學聯合會(IUPAC)規定的標準還原電位,而標準氧化電位與標準還原電位的數值相同而正負符號相反。在25℃ 時以氫為準之標準還原電位E0,如下表所示。

一般很不容易清楚知道上述電極之定義。如以實際電解水機電解槽之電解水溶液為例,通以直流電,被還原(失去電子)帶正電荷的陽離子(Ca2+Mg2+鈉+)在電極的(-)極析出,其水溶液呈鹼性,具還原負電位,如(-250)~(-800)mv;被氧化(得到電子)帶負電荷的陰離子(硫酸根離子、氯離子Cl-)在電極的(+)極析出,其水溶液呈酸性,具氧化正電位,如(+350)或(+1110)mv。
標準還原電位E0 愈低 (負值愈大),陰極(-)為愈強之還原(愈易失去電子);反之,標準還原電位E0 愈高 (正值愈大),陽極(+)為愈強之氧化(愈易獲得電子)。任二電極組成之電化電池其電位可由下頁關係求出電化電池之電位差( △E0 )=陽極氧化電位+陰極還原電位電位差使電流由較高電位之電流流到較低電位。當△E0>0,表電池反應可自然發生。

電 極 半電池之還原電位 E0 (V,伏特)
K+ / K K++e─ -> K -2.925
Na+ / Na Na++e─ ->Na -2.714
Mg2+ / Mg 1/2 Mg2+ +e─ ->1/2 Mg -2.37
參考電極 H+;H2 / Pt H+ +e─ -> 1/2 H2 0.000
Cu2+ / Cu 1/2 Cu2+ +e─ ->1/2 Cu +0.337
Cl-;Cl2(g) / Pt 1/2 Cl2+e─ -> 1/2 Cl- +1.360











電解槽之(-)、(+)電極,實際電極為鈦鉑合金,因此考慮析出反應物之電位用以分析,氯化鈉或氯化鉀水溶液經電解及化學反應結果,【鈉-氯】電極之△E0 =(1.360)+(2.714)=4.074 (V),【鉀-氯】電極之△E0 =(2.925)+(1.360)=4.285 (V),按原子序及上表之資訊推論。

【電導度測定之應用】
電導度測定有極廣的用途,可應用於很多分析和濃度控制方面。電導度之測定又可用於決定鹽之溶解度及鹽溶液之水解量。稀釋容易的當量電導,可應用「柯耳勞希離子獨立遷移定律」在無限稀釋溶液時,所有電解質均完全解離…,當量電導依離子之本性而定…。25℃時無限稀釋之當量離子電導度:(cm2-mho/equiv)
陽離子 當量離子電導度 陰離子 當量離子電導度
K+ 73.52 Cl- 76.34
Na+ 50.11 NO3- 71.44
H+ 349.82 OH- 198
1/2Ca2+ 59.50 1/2SO32- 79.8
1/2Mg2+ 53.06 HCO3- 44.48

專述電解水之「ORP」

1.由「能士特」方程式可知,方程式是以【反應物】及【生成物】之【活性】來表示任何【電極或電池】之【電位】。在【電解質】溶液中,其【反應物質】之【活性】與【離子濃度】有密切相關。

2.另由「阿瑞尼士」遊離說,【電解質】在溶液中游離後,【陽離子總電量等於陰離子總電量】。模式雖然不同,電解酸鹼性離子水之帶電量,其正負電位之關係,應該適用。例如:酸性水(+1110)mv-中性氯化鈉水溶液(+330)mv其差值(780mv)應等於原水溶液(+330)mv-鹼性水(-800)mv=(1130)mv?(780)與(1130)mv的差異, 應該就是【反應物】及【生成物】之間,不同物質之【活性】與【離子濃度】的不同還原電位之因素影響。

3.參照「電解水之終極試驗」


「電化學」之「電解水」結果,歸納出數項分析結論:
1. 不考慮電極(鈦白金)之參與電解質溶液之反應,且【反應物】為「連續性電解質水溶液」之電解操作模式,以(+)(-)電極生成析出 (即生成物)之【鹼性離子水】和【酸性離子水】,可以有效分析【ORP】。

2. 由多項溶存電解質之水溶液,與空氣充分接觸反應,其ORP測試結果,趨向於所謂【自然背景值】。

測結果表列如下

水樣別(主要內溶物)(說明) 原始ORP值(mv) 約【自然背景值】(mv)
中性自來水 (+275)~(+310) (+280)~(+330)
電解後微酸性水(1) (+225)~(+230) (+303)
RO純水 (+294) (+310)
電解鹼性離子水(鈣.鈉)(2) (-450)~(-600) (+90) ~(+130)
電解鹼性離子水(鈣)(3) (-800)~(-900) (+334)
電解鹼性離子水(鈉.鉀)(4) (-800)~(-900) (+192)~(+243)
電解酸性離子水(氯)(5) (+1110)~(+1120) (+850)~(+950)

PS說明:
1>開放式儲存,100%與空氣接觸
2> (經常) 使用熱水瓶加熱,隨機測試,鹼性水溶液與空氣「大部份接觸」
3>使用寶特瓶密封儲存約15天,【鈣離子】水溶液與空氣「少部份接觸」
4>使用寶特瓶密封儲存約15天,【鈉.鉀】水溶液與空氣「少部份接觸」
5>使用寶特瓶密封儲存約15天,【氯離子】水溶液與空氣「少部份接觸」

1. 由以上不同【電解質】(成分與濃度)水溶液之ORP變化,可以確認的資訊是,與自然空氣接觸結果,各式水樣之ORP都會趨近於所謂空氣【自然背景值】。與自然空氣接觸的程度及水溶液之【電解質濃度】,與ORP之變化明顯相關。

2. 推論的重要資訊可以是,只要「密閉保存」,鹼性離子水的ORP,可以經久,由「負電位趨近於0」,而不是「【自然背景值】」。同理,酸性離子水的ORP,將由「高正電位趨近於自然背景值」, 而不是「0」。其間主要的影響因素應該就是-陰陽離子不同的【電位性】!

3. 愈高濃度陽離子水溶液(鈣.鎂.鈉.鉀離子)呈現愈低還原電位,如(-800mv)。這就是帶正電荷陽離子水溶液的【帶負電位性】「愈高濃度陰離子水溶液」呈現「愈高還原電位」,如(+1100mv),這也就是,帶負電荷陰離子水溶液的【帶正電位性】。

4. 帶正電荷陽離子水溶液,其【負電位】即是所謂【能量形式】;同理,帶負電荷陰離子水溶液,其【正電位】亦是【能量形式】。 「負【電位】」的數值,可以表示【陽離子】的【活性】,與【濃度】相關。「正【電位】」的數值,雖可以表示【陰離子】濃度的高低,一般卻不認為是所謂【活性】!與「負離子」的說法,亦不相同。甚至,也有人形容正電位是所謂「負能量」(對人體而言)。

5. 就生物體而言,代謝後的物質,結果都是呈現正電位,不就是「氮、硫、磷、氯離子…」與「自然背景值」反應結果? 「鈣、鎂、鈉、鉀離子…」負【電位】被吸收利用,代謝後一樣是以「自然背景值」結果呈現!「胃酸」之「正電位」與飲用「鹼性離子水」之「負電位」,電力中和結果,. 就會回到「自然背景值」即電力中和後的胃酸之「正電位」。因此,判斷飲用「鹼性離子水」之「負電位」對於人體之作用,應無意義!

1. 從「陽離子之濃度」或「活性」來看,雖經胃酸中和…,其陽離子元素,終將以各種化合物或仍以離子型態,存在於體液與組織器官間!「陽離子之質與量」,對於人體之影響,應該才是飲用電解鹼性離子水,最為重要的訴求!至於各種「抗氧化物質」(正電位型式)之「抗氧化」的能力,就由醫療相關領域去做驗證和論述吧!



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