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论如何优雅一点地电解食盐水 说在前头,在化吧里电解一直是不讨好的话题。这主要是因为谈及此话题的多半是没什么实验条件的初学者,并且屡试不爽地涉及惰性电极和制氯气两个无脑的问题,前者引人笑话,后者损害身体。 为此要说明一点:氯气对于家庭实验党而言真的不是什么好东西,体验一下过程就够,不要想着大量制取或收集。况且氯碱只是电解的其中一个应用,请不要再追着氯气不放了。 可以说,对电解食盐水充满兴趣的同学,大多是连试管烧杯都买不到的人。家里的柴米油盐、瓶瓶罐罐、铁丝电线几乎就是全部了,再能有瓶酒精,也算是珍宝了。因此电解食盐水几乎是唯一可及的实验。 问题来了,电解的实验除了氯气之外到底还有没有可玩之处?电解的这丁点速率到底能不能制备些产量还说得过去的东西?对于连试管都买不到的人还有没有必要搞? 答案是有、能、可以。 以铜为电极电极食盐水通常被视为锑的行为,因为这样做屁都得不到。 其实了解些原理,会发现这并不是那么无聊。关键在于你缺一张纸(就是随便张普通的纸)。如图是电解的效果,铜作阳极,电压没有要求,盐度没有要求,我把装置做得很随意,在于体现它的可操作性。像折滤纸那样,用普通纸做个斗,隔开阴极阳极。就是这么张纸,那些黄的绿的蓝的乱七八糟沉淀没有了,阳极溶液浅蓝绿色,阴极溶液透明无色。 难道纸也是离子交换膜?不是。但是铜元素的一些性质让这张纸几乎起到了分隔的作用。 在实验中,纸的唯一作用就是防止两极溶液对流混合,因此只能发生较为缓慢的扩散混合。另一方面是铜离子,(准确说是亚铜),它的络合性质使得亚铜得以在中性的盐水中较大量地溶解,而不是沉淀或水解(这一点铁不行),溶解的多少取决于盐度(氯离子)。 这时阳极产生的亚铜产物、阴极产生的氢氧根离子相互渗透,在交汇处(纸上)中和而产生沉淀,而沉淀对进一步的渗透有一定阻碍作用(类似伤口结痂止血)。一段时间后,纸壁上阳极一侧会出现这样的沉淀(黄色氢氧化亚铜)。 有了这些还不够,因为两极产物还是会结合。关键在于沉淀的产生不阻碍导电、产物结合(即沉淀生成)的速率取决于两极浓度和温度,并且与电解反应的速率无关。这意味着当沉淀的速度够慢、电解的速度够快时,我们就能大量分离两极产物。那么,沉淀的速度够不够慢呢?实践说明:足够慢。 同样的反应发生在下图的U型管中,以说明具体产物。图为铜作阳极电解食盐水的最终结果(历时一天) 左边为含氢氧化钠的食盐水,主要还是氯化钠,但氢氧化钠的含量可以达到做其他实验的要求,并可以高到有明显腐蚀性(非常滑腻,并让手干裂掉皮) 右边为所谓的亚铜产物:氯合亚铜酸钠以及被空气氧化的产物,总体呈黄绿色。溶液表面的粉绿色是彻底氧化产物碱式氯化铜 底部沉淀从左到右依次为: 白色,食盐自身产生的沉淀(很可能是氢氧化镁) 砖红,氧化亚铜 黄色,氢氧化亚铜 绿色,铜与亚铜混合(不易脱水) 蓝色,氢氧化铜 黑色,氧化铜 粉绿混着白色:碱式氯化铜和氯化亚铜 这也就说明,我们已经可以分离出广义上的酸碱并制得了铜盐(氢氧化钠和亚铜产物)。当耐心一点做个装置,甚至可以让这种分离非常有效率。
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