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氢气可以从硫酸铜中置换出铜!
王笃年
>《待分类》
2022.12.08 北京
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发表于《高中数理化》,也是即将由山东科技出版社出版的《用原子的眼睛看世界》的一篇。
关于原电池原理的问题讨论(
2
)
1.
为什么不能简单地依据金属电极是正极、负极判断其活泼性?
如果用两种金属分别做电极形成原电池,一般而言都是活泼的一方做负极的。但有一些比较特别的情况存在。
例如,
“Cu-Fe-
浓硝酸
”
电池。实际检测发现,在开始的一瞬间,
Fe
确实是负极,而
Cu
为正极。
但由于铁会被浓硝酸钝化,表面很快形成一层薄的氧化膜,
Fe
不能够持续溶解,而
Cu
则可以溶于浓硝酸,于是电极发生反转。
铜为负极,发生
Cu – 2e
-
= Cu
2+
氧化反应;
铁电极为正极,发生
2NO
3
-
+ 2e
-
+ 4H
+
= 2NO
2
↑+ 2H
2
O
的还原反应。
Cu
不如
Fe
活泼,但是在这里成为电池的负极。
再例如,
“Al-Mg-NaOH
溶液
”
电池。
开始的瞬间
Mg
为负极,但由于
Mg(OH)
2
难溶,很快覆盖住了
Mg
的表面,使
Mg
的离子化过程终止,而
Al
则可以持续溶解于烧碱溶液,故而比
Mg
不活泼的
Al
转变为电池的负极。
负极反应:
4Al -12e
-
+ 16OH
-
= 4AlO
2
-
+ 8H
2
O
;
正极反应:
12H
2
O + 12e
-
= 6H
2
↑+ 12OH
-
。
2.
原电池中,气体物质是如何作为电极反应物的?
气体物质要想在电极上发生反应,需要首先被电极材料吸附(此吸附往往同时兼具催化作用),在电极表面吸附一层气体分子后,电极好像变成了由该气体构成的一样。
比如,金属
Pt
的表面吸附了
H
2
,就成为氢电极。
由于不是随便什么金属材料都可以吸附并催化任何气体反应,所以使用气体反应物的电池,其电极材料就显得非常重要。
目前,全世界有很多科研小组专门研究电极材料,因电极材料的研制需要大量的前期投入,很多实用电池的电极材料制造技术往往都是保密的。
比如,目前氢氧燃料电池的电极材料中大都含有
Ni
、
Pd
、
Pt
等贵金属,标准氢电极也是由涂有铂黑(纳米粒子级的铂,呈黑色,故名“铂黑”)的金属铂构成,就是因为
Pt
表面吸附
H
2
后,可以在一定程度上削弱
H-H
共价键,使之易于发生氧化反应。
Pt
本身也是
H
2
、
O
2
反应的催化剂,一般情况下,
H
2
、
O
2
混合气体需要点燃才会反应,因为其活化能高,而撒入少量
Pt
粉(铂黑),则瞬间爆炸!
3. H
2
+ Cu
2+
= 2H
+
+ Cu
能不能自发进行?为什么把
H
2
直接通入
CuSO
4
溶液不能置换出
Cu
?
根据金属活动顺序表可知,
H
2
+ Cu
2+
= 2H
+
+ Cu
是一个自发反应,下列电池的标准电动势为 +
0.34 V
。
此电池的工作原理是什么呢?
负极:
H
2
– 2e
-
= 2H
+
;正极:
Cu
2+
+ 2e
-
= Cu
;
总反应:
H
2
+ Cu
2+
= 2H
+
+ Cu
。
在电池里,
H
2
可以置换出
Cu
,为什么直接把
H
2
直接通入
CuSO
4
溶液不能置换出
Cu
呢?
原来,问题出在氢电极的电极材料
Pt
上
——
如前一问题所述,它具有催化
H
2
参与的反应的作用。
Pt
的运用,降低了
H
2
置换
Cu
反应的活化能。
4.
在双液铜锌电池里,锌为什么要插入硫酸锌溶液里?
Zn
2+
的存在难道不会抑制金属锌的离子化吗?
将锌电极里的锌片插入
ZnSO
4
溶液里,而非将
Zn
片插入食盐水,这是物理化学里的一种习惯。
物理化学里认为
“
原电池是两个电极通过外电路和内电路(盐桥)连接而成的
”
,故
Cu-Zn
原电池的标准写法就是
“Zn
2+
/Zn”
电极跟
“Cu
2+
/Cu”
电极的连接。
那么,
ZnSO
4
溶液里的锌离子会不会抑制
Zn
的离子化呢?理论上是会的。
因为一个电极的电极电势,受到氧化态(此处
Zn
2+
)、还原态(
Zn
)浓度的影响,氧化态浓度越大,则电极电势越高;还原态浓度越大,则电极电势越低。
故溶液里
Zn
2+
浓度太大,一定会抑制
Zn
的离子化,导致该电极的电极电位升高、
Zn
的还原性降低。
那么,为什么还要这样做呢?
除了上述
“
习惯
”
之外,这里,理论上具有稳定整个电池电动势的作用。
试想,如果开始用的溶液里没有
Zn
2+
,那么开始瞬间负极的电极电势过低,整个电池的电压会过大(实际测不到该现象,跟实验条件控制有关),而一旦
Zn
开始离子化,随之溶液里
Zn
2+
浓度的增大,则电池电压迅速下降。从理论上讲,这样的电池不具有实用性。
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