電解與陰陽極影片－法拉第如何提出電解模型並命名陰陽離子和陰陽極？│科學史第二季

電解和陰、陽離子與陰、陽極是什麼？

電解是指化合物加到水中之後，電經過化合物水溶液之後，會把化合物分解的過程。

陰、陽極是指電極的性質不同，法拉第認為電進入水中的電極稱為陽極，而電離開水的電極稱為陰極。

陰、陽離子是指當可以被電解的化合物，在水中會變成帶電的離子狀態。而根據它們所帶的電和性質不同，分成會被陽極吸引的陰離子 ( 帶負電 )，以及被陰極吸引的陽離子 ( 帶正電 ) 兩種離子。

電解和陰、陽離子與陰、陽極的重點

1. 陰、陽離子與陰、陽極命名的原因

   影片 05:19 提到，因為被化合物被電解出的離子有兩種，因此法拉第將電流進入化合物水溶液的電極命名為陽極、電流離開化合物水溶液的電極稱為陰極；而被陽極吸引的離子稱為陰離子、被陰極吸引的則稱為陽離子。
   
   
   
   
   

2. 電解是指化合物加到水中之後，會被分解的過程

   影片 01:34 提到，電解是水中的化合物被電分解的過程。以氯化銅為例，就是被分解成氯和銅兩種物質。
   
   
   
   

3. 電解化合物水溶液時，物質只會在固定的電極出現

   影片 02:58 提到，電解化合物例如氯化銅時，氯只會出現在正極；銅紙會出現在負極，兩者並不會交換。
   

4. 被電解出來的離子會依據它們的特性往兩極移動

   影片 03:59 提到，可以被電解的化合物的水溶液，例如氯化銅水溶液，被電解出來的氯離子和銅離子，會根據它們的特性往不同的電極移動。
   
   
   
   

5. 離子被命名的原因是由於電解出的物質與原子性質不同

   影片 04:31 提到，法拉第注意到被電解出的物質和原子性質不同，因此他把這些物質重新命名而稱為「離子」。
   
   

你所不知道的電解和陰、陽離子與陰、陽極故事

影片 05:31 提到，法拉第認為他需要一些新的名詞來命名它發現的粒子，是因為當時雖然人們都知道分子、元素、原子等等名詞，但是分子被分解後形成的原子並不帶電，所以如果想把元素粒子的概念，用當時已知的原子來說明，似乎不太正確。

於是就在 1834 年，法拉第寫信給了惠威爾 (William Whewell)，並請教惠威爾關於他的電解模型的名詞，應該怎麼命名才好？

而惠威爾在收到了法拉第的信之後，又看到了法拉第的模型在說的是「電」怎麼影響到電解，於是惠威爾就從希臘文得到了靈感，認為「anode」、「cathode」這兩個詞，也許可以作為命名的想法。

這兩個詞彙在希臘文中帶有方向的意思：「anode」中代表著「上升」，而這個詞彙的來源是太陽「升起」；「cathode」則是相反意思的「下降」，也就是代表著太陽「落下」。

法拉第在收到了惠威爾的建議後，他也認為電流在液體中移動的方向，就很像是太陽東升西落一般，於是法拉第便先把可以讓電通到水中的電極，稱作「陽極」(anode)；而讓電從水中離開的電極，就被他稱為「陰極」(cathode)。

在處理完電極的名稱之後，法拉第又接著命名了被吸到電極上的元素粒子。他認為，既然被分解的元素粒子，會受到電流的前進方向，而展現不同的特性，那麼那些被吸到陽極的元素粒子，他認為應該要稱作「陰離子」(anion)；而被吸往陰極的元素粒子，則應該稱作「陽離子」(cation)。

最後，法拉第想要區分那些可以電解，還有不能造成電解的物質，所以法拉第就決定把那些能夠造成電解現象的物質，就稱作「電解質」(electrolytes)；而那些不能造成電解的物質，就變成「非電解質」了。

電解和陰、陽離子與陰、陽極影片重點

• 01:34 電解是指加到水中的化合物被電分解的過程
• 02:14 電解氯化銅的實驗操作
• 02:54 電解可以讓平常不會分解的氯化銅被電分解
• 03:12 電解氯化銅的氯氣只會出現在正極、銅只會出現在負極
• 03:53 法拉第的電解模型動畫解釋
• 04:30 離子被命名的動畫解釋
• 05:31 陰、陽極與陰、陽離子被命名的原因

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作者：陳薏琪

1800 年代初期對電解的解釋

1800 年，伏打 (Alessandro Volta) 發明了伏打電池。這項發明是人類史上第一個電池，它的出現，也讓科學界走向了電學更發達的世代。因為伏打電池不只可以調整需要的電流大小，還能夠很穩定持續提供電流，讓人們能夠不再只靠萊頓瓶儲存電，才能夠進行電的各種現象研究。

圖│伏打在展示他所發明的伏打電池

也因為有了穩定的電流之後，科學家們也開始發展了更不一樣的電學研究。就像是在同一年的科學家尼可森 (William Nicholson)，在知道了伏打電池之後，便拿伏打電池來電解水。結果他研究電解水的結果，也讓科學家們紛紛對電解感到興趣。

圖│尼可森 (William Nicholson)

於是在這之後，想要理解電解怎麼發生的科學家也不斷出現。對科學家們來說，只要在液體中通電，就會產生物質，但這些物質怎麼來的？是一件很值得探討的事。而且如果這些物質是受到液體中的電才出現的，那麼電是怎麼做到的？是分解物質嗎？還有這些物質為什麼都只在電極附近產生？……等等，各式各樣的問題，讓科學家們也都意識到，如果沒有一個合理的解釋可以說明電解的現象，他們就無法解開這個秘密。

於是在電解開始轟動科學界後的一年後——也就是 1801 年，第一個提出電解水中，怎麼產生導電效果的理論，是一名德國的醫生瑞特 (Johnann Wilhelm Ritter)。但瑞特雖然是第一個提出解釋的人，但他的理論並沒有就此發展成最主流的說法，而是被下一位科學家所推翻。

圖│瑞特 (Johnann Wilhelm Ritter)

時間到了 1805 年，另一名科學家格特羅斯 (Freiherr Christian Johann Dietrich Theodor von Grotthuss) 又提出了關於電解的新理論。而格特羅斯所提出的電解過程理論，是一種鏈狀的機制。

圖│格特羅斯的鏈狀機制模型

雖然這個鏈狀機制，可以解釋出為什麼水中的物質只會在兩極產出，但戴維 (Humphry Davy) 卻用一個實驗切入，馬上就讓格特羅斯的理論不完善處顯現，所以格特羅斯的想法，最後還是被推翻。

圖│戴維破解格特羅斯電解模型的實驗裝置圖

而這段不斷迭代的探索「電解」歷史中，每個科學家其實都想試圖找出適合的說法，努力詮釋在電解的液體中，到底發生了什麼事，才能夠讓物質分解並導電，但都沒有人成功提出比較適合解釋的電解模型。

而在 1833 年，正在電學領域不斷嘗試的法拉第 (Michael Faraday)，也注意到這個現象，於是他也加入了這段對於電解的解釋過程。而法拉第想要投入的原因，是因為他認為只要能夠將電解的秘密解開，也許他在電學的成就上有更不一樣的發展與成就。

圖│法拉第 (Michael Faraday)

法拉第提出的電解模型

由於法拉第開始研究電解的前一年，他才剛將不同的電統一。而在檢測不同電的特性中，法拉第也把當時伏特電能夠產生的「電解」效果，作為他測量各種電的特性的一種標準。

電解的實驗過程，就是把正電電極、負電電極放到水中後，通電就會讓兩個電極產生化學反應，並產生出新的物質的過程。就像是電解氯化銅，負電電極端就會看到有銅出現；而正電電極那端，就會看到氯氣冒出來。

但對於法拉第來說，透過電的統一來開始研究電解，只不過是個開始。因為法拉第總是不放過電學各種現象，以及各種電學知識，於是就在他研究電解的過程中，也對這個現象越來越有興趣。

就像是法拉第注意到，當他在進行電解實驗時，有些物質丟到水中後，電極會有化學反應的發生；但有些物質卻會在丟到水中後，不管等多久都看不到電極附近有任何反應。

法拉第觀察到這個現象之後，他便想知道這是什麼原因造成的，於是他開始研究起過去的電解理論。法拉第先是讀了過去科學家對於電解的模型解釋，當他讀完了這些模型理論後，他還好好地將每個電解模型被建立和推翻的理由一一列出來，同時還用自己的方法，把過去對於電解概念地脈絡整理清楚。

但看著這些電解的理論，法拉第發現，他還是沒有辦法用這些理論去解釋出為什麼有些物質通電之後，就可以產生化學反應，但有些卻不行。所以他為了要找出電解發生的原因，決定想要提出一個新的說法，來解釋在通電之後，電解水溶液中所發生的事。

當法拉第開始研究電解後，他開始認真思考著，究竟在溶液中能夠讓溶液傳導電的物質，到底是什麼？因為從過去的科學家所提出的電解模型中，法拉第知道了溶液中的物質碰到電之後，會變成元素粒子的樣子，接著元素粒子就會把電傳到兩個電極上，最後就能夠導電。雖然過去的電解模型，大家覺得有些不完善，但法拉第覺得，過去的模型只要改良一下，還是可以有機會解釋電解發生的原因。

於是，法拉第便從過去的模型，再加上自己的猜想，假設出了新的電解模型：他猜測，說不定就是在水裡通入了電的那一刻，電才會讓物質被分解成元素粒子，所以這些被電從分子狀態分解出來的元素粒子，就能夠一直把電傳下去。而這些元素粒子也各自都有一些特性，所以最後會分別被正電電極、負電電極吸引過去，變成我們看到的樣子。

圖│法拉第的電解模型

如果以水的電解來解釋的話，一開始電會從伏打電池進到水中後，會先從正電電極進入，接著電會把水中的水分子，分解成氧元素粒子、氫元素粒子，而被分開後的氧元素粒子和氫元素粒子，會受到電的影響，氧元素粒子就往正電電極方向前進；氫元素粒子就往負電電極方向前進。也因為氧元素粒子、氫元素粒子前進方向不同，所以最後就會看到氫元素粒子、氧元素粒子各自匯聚在兩邊的電極上，形成氫氣、氧氣了。

而法拉第也認為，那些不能在通電之後，產生電解現象的物質，應該是因為溶液中的物質，不能被通到水中的電，分開成元素粒子，於是就完全不能夠產生電解了。

科學家的結論

在法拉第得出了他自己的想法後，也做了一些實驗驗證。最後法拉第就根據自己的想法和實驗結果，提出了屬於他自己的電解模型。

在法拉第的電解模型中，最大的一個特點就是「電」才能夠將液體中的分子，分解成元素粒子，所以法拉第才會認為「電」是絕對不可或缺的電解條件。而另一個特點是元素粒子移動方向，會受到電前進方向的影響。而這兩個也在法拉第的電解理論，成為很重要的關鍵。

陰、陽離子與陰、陽極被命名的故事

在這之後，法拉第想把他自己建好的電解理論發表於世，但他也注意到，他自己所想的電解，似乎和過去的模型都不一樣，因此他覺得他需要一些新的名詞，來重新定義他所想到的這些概念。

而法拉第認為他需要一些新的名詞，是因為當時雖然人們都知道分子、元素、原子等等名詞，但是分子被分解後形成的原子並不帶電，所以如果想把元素粒子的概念，用當時已知的原子來說明，似乎不太正確。

於是就在 1834 年，法拉第寫信給了惠威爾 (William Whewell)，並請教惠威爾關於他的電解模型的名詞，應該怎麼命名才好？

圖│惠威爾 (William Whewell)

而惠威爾在收到了法拉第的信之後，又看到了法拉第的模型在說的是「電」怎麼影響到電解，於是惠威爾就從希臘文得到了靈感，認為「anode」、「cathode」這兩個詞，也許可以作為命名的想法。

這兩個詞彙在希臘文中帶有方向的意思：「anode」中代表著「上升」，而這個詞彙的來源是太陽「升起」；「cathode」則是相反意思的「下降」，也就是代表著太陽「落下」。

法拉第在收到了惠威爾的建議後，他也認為電流在液體中移動的方向，就很像是太陽東升西落一般，於是法拉第便先把可以讓電通到水中的電極，稱作「陽極」(anode)；而讓電從水中離開的電極，就被他稱為「陰極」(cathode)。

在處理完電極的名稱之後，法拉第又接著命名了被吸到電極上的元素粒子。他認為，既然被分解的元素粒子，會受到電流的前進方向，而展現不同的特性，那麼那些被吸到陽極的元素粒子，他認為應該要稱作「陰離子」(anion)；而被吸往陰極的元素粒子，則應該稱作「陽離子」(cation)。

最後，法拉第想要區分那些可以電解，還有不能造成電解的物質，所以法拉第就決定把那些能夠造成電解現象的物質，就稱作「電解質」(electrolytes)；而那些不能造成電解的物質，就變成「非電解質」了。

在法拉第進行命名之後，他的這套電解系統也看起來更加完善。只是，電解的歷史卻沒有止於法拉第的電解理論，關於解釋電解的這段歷史，仍然在持續發展的路上前進著……

參考資料

1. 吳國盛（民109年）。科學的歷程。科技圖書 。

2. 馬文蔚（民88年）。物理學發展史上的里程碑。凡異出版社。

3. 趙匡華（民93年）。化學通史（上）。凡異出版社。

4. 翰林雲端學院（日期未詳)。國中理化 - 電解。2023年6月15日，取自：https://www.ehanlin.com.tw/app/keyword/%E5%9C%8B%E4%B8%AD/%E7%90%86%E5%8C%96/%E9%9B%BB%E8%A7%A3.html.

5. Darrigol, O. (2003). Electrodynamics from ampere to Einstein. Oxford University Press.

6. Faraday, M. (1833). IV. Experimental researches in electricity.—Third series. Philosophical Transactions of the Royal Society of London, (123), 23-54.

7. Faraday, M. The Project Gutenberg eBook, Experimental Researches in Electricity, Volume 1, by Michael Faraday.

8. Helmenstine, Anne Marie, Ph.D. (2021, February 16). Cathode Definition and Identification Tips. Retrieved from https://www.thoughtco.com/definition-of-cathode-605836

9. Smolinka, T., Bergmann, H., Garche, J., & Kusnezoff, M. (2022). The history of water electrolysis from its beginnings to the present. In Electrochemical Power Sources: Fundamentals, Systems, and Applications (pp. 83-164). Elsevier.

10. Stock, J. T. (1991). The pathway to the laws of electrolysis. Bulletin for the History of Chemistry, 11, 86-92.

參考圖片

1. C. J. T. de Grotthuss (1806). Grotthuss mechanism. Wikimedia. Retrieved from June 12, 2023: https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Grotthuss_mechanism.jpg.

2. Faraday, M. The Project Gutenberg eBook, Experimental Researches in Electricity, Volume 1, by Michael Faraday.

3. Journal L.P. (1901). Volta présente son invention à Napoléon. Wikimedia. Retrieved from June 12, 2023: https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Volta_pr%C3%A9sente_son_invention_%C3%A0_Napol%C3%A9on.jpg.

4. Stock, J. T. (1991). The pathway to the laws of electrolysis. Bulletin for the History of Chemistry, 11, 86-92.

5. T. Blood (1812). William Nicholson b1753. Wikimedia. Retrieved from June 12, 2023: https://commons.wikimedia.org/wiki/File:William_Nicholson_b1753.jpg.

6. Wikimedia (circa 1804). Ritter-Johann-Wilhelm-1804. Retrieved from June 12, 2023: https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Ritter-Johann-Wilhelm-1804.jpg.

7. Wikimedia (n.d.). Portrait of W. Whewell; stipple engraving Wellcome L0014766. Retrieved from June 13, 2023: https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Portrait_of_W._Whewell;_stipple_engraving_Wellcome_L0014766.jpg.

8. Wikimedia (1842). Michael Faraday 001. Retrieved from June 12, 2023: https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Michael_Faraday_001.jpg.