电化学的奠基与发展

ThomasTimm

【摘 要】电化学是近现代新兴的一门科学，它是研究如何将化学物质与电力互相转化，从而满足人类生产生活的技术。本文通过简单的论述，向读者展示了电化学是如何从无到有，走到今天的。
【关键词】原电池；电解池；电化学
电，作为一种神秘的能源，与其他能源不同，他并不是自然界随处可见的，而是通过一定的条件才能够触发的，然而电在我们的生活中随处可见，比如雷电，摩擦起电，干燥起电，等等。人类又是如何发现电的呢？
17世纪，法国化学家发现了正负两种电荷，并总结出了同种电荷互相排斥异种电荷互相吸引的观点，1791年，伽伐尼在一次偶然的实验中发现了金属丝能让青蛙的腿部抽搐，进而认为青蛙体内与金属产生电，使得腿部肌肉抽搐，通过他的大胆设想小心求证，最后从中得到启发，用不同的金属片夹湿纸制成了全世界第一个化学电源，称为伏打堆，虽然此电源不能被用在生产，但是它为人类开启了一扇门，让人类可以看到，化学和电并不是完全割裂开的两种物质，电是通过化学物质的反应实现的，并不只能够通过物理接触或者天然采集。
随着人们对于电的理解愈加深入，人类发现了电的越来越多的用途，同时电与化学反应的联系也愈加紧密起来，人类发现电和化学物质可以通过电化学反应互相转化，而电化学则是研究这些过程的。电化学反应装置一般都分为原电池和电解池两种
1.原电池
原电池，顾名思义，就是化学物质通过一定的组合与反应，可以起到电池的作用。原电池最早的起源就是来自于伏打堆，因为伽伐尼认为是蛙腿组织液与金属之间存在电流刺激才会产生抽搐，后来伽伐尼的猜想得到了进一步的证实与完善，原电池的形成需要几个条件：（1）电极材料要有两种活泼性不同的金属或者其他可以导电的材料（2）电极在电解质溶液中，并且其中至少一个电极要与电解质发生自发的氧化还原反应（3）两电极之间有导线连接，形成闭合回路。这三个条件缺一不可，一旦都具备，就可以形成原电池，产生电流，作为电源使用。
原电池的反应机理很简单，就是氧化还原反应得失电子的过程，不过与一般的氧化还原反应不同的就是，氧化反应和还原反应不在一起进行，电源的负极需要与电解质发生氧化反应，电极质量减少或者不断溶解，同时把反应中失去的电子通过导线传到正极；与此同时，正极发生还原反应，电极质量不变或者增加，同时接受负极传过来的电子，电子的转移产生电流。
原电池可以为人类通过化学反应创造电，但是同时也有不好的影响，例如钢铁的锈蚀。一般来讲，钢铁的锈蚀分为两种，一种是发生在干燥且特殊的环境下产生的锈蚀，而大多数则来自于原电池反应。原因在于工业炼制的钢结构都是有碳元素的加入，碳具有良好的导电性能，一旦钢铁上沾染了水，加上溶解于水中的二氧化碳和其他电解质，形成了电解质溶液，铁作为负极，碳作为正极，三者一起就形成了一个原电池，与氧气反应是钢铁锈蚀，如果水偏酸性腐蚀则将更加严重，并且原电池还有促进反应的开始与进行的作用，使得钢铁锈蚀更加剧烈。所以在钢铁生产出之后，往往会加一些保护措施，例如涂保护层，加保护金属，经常保持金属干爽等，或者利用原电池的特性，采用牺牲负极的正极保护法，在钢铁上外加比其活泼性更强的金属如铝等，构成原电池，使得钢铁作为正极被保护下来。因而了解电化学，可以帮我们避免一些生产生活材料的消耗，更加合理地保护和利用资源，趋利避害。
原电池在我们的生活中有很广泛的应用，例如锌锰电池，平时生活中常用于手电筒等小型用电设施中，一般电压为1.5V—1.8V之间，它以锌作为负极，以二氧化锰作为正极放电，有防漏性能好，电压稳定，放热少，能量密度大等优点。很简单的设计，例如海上航标灯的电源就是海水电池，以铝为负极，碳为正极，海水作为电解质溶液，通过铝和空气的反应，产生电流，如此既可以最大化利用资源，又不产生有害物质，并且操作简便。而最近流行的一种燃料电池，也是利用了原电池的原理，例如甲烷原电池，氢氧原电池，这样的原电池利用的是燃料与氧气的燃烧反应，燃料在负极反应，氧气在正极反应，用酸或者碱溶液作为电解质溶液，这样的燃料电池与普通的燃烧反应相比，可以产生更少的光能，热能等的消耗，更大化地转化为电能这一清洁能源，提高利用效率。同时产生的二氧化碳等物质可以被吸收而进一步加工和利用，从而减少碳排放，保护环境，合理利用资源
2.电解池
电解池的作用与原电池恰恰相反，电解池需要外接电源，通入电流，推动反应进行，是一种将电能转化为化学能的装置。电解池的构成条件有：（1）阴阳两极连接在直流电源上；（2）有可以导电的两个电极，其中与电源正极相连的为阳极，与负极相连的为阴极；（3）阴阳两极放置在电解质溶液中；（4）形成闭合回路。四个条件中，既有构成完整电路的必要条件，也有发生氧化还原反应的必要条件。电解池的反应机理是，阳极上失电子，发生氧化反应，阳极如果是活泼金属构成，则是活泼金属与失电子变成金属离子进入到电解质溶液，如果是非活泼金属如铂或者是非金属如碳等物质则是电解质溶液的阴离子反应，而此时阴极溶液中的阳离子发生还原反应，得到电子，反应平衡。电解池的好处是可以使得两极的产物分离，并且可以完成一些正常条件下不能完成的反应。
电解池在钢铁工业中应用颇丰。利用电解池，可以实现在金属表面镀上一层其他金属，称为电镀。镀上的金属称为镀层金属，待镀的金属称为镀件，电镀时，将镀层金属作为阳极，镀件作为阴极，含有镀层金属离子的溶液作为电解质溶液，通过电解池反应，镀层金属从阳极转移到阴极，在镀件上形成金属膜，得到的镀件表面平滑，不影响性能，反应平缓快速。同样的道理，也可以通过电解池提炼有杂质的金属。如提纯铜，将粗铜作为阳极，精铜作为阴极，硫酸铜溶液做电解质溶液，就可以达到提纯粗铜的目的。利用电解池还可以保护金属不被锈蚀，在金属上外加电源，金属作为阴极就可以实现。电解池帮化工行业解决了不少难题，例如活泼金属的制备。铝是一种活泼的金属，常温下就可以与氧气反应，还原性很强，很难在常温下在其化合物中置换出来，而工业上利用电解池，在冰晶石的催化下，电解三氧化二铝，就可以得到铝的单质。钠是比铝更活泼的金属，工业上则使用电解熔融氯化钠的方式制取钠单质。电解池使得工业生产很多物质都成为可能。
烧碱，NaOH，作为一种工业原料，在化学药品制造，造纸，纺织等方面应用广泛；氯气，黄绿色气体，在消毒，漂白剂，农药，化学药品，有机溶剂等制造上应用广泛，氢气，作为一种新兴的清洁燃料，工业原料，作用也极大，而电解饱和食盐水的反应就可以同时实现这三个物质的制备与分离，采用两个惰性电极作为阴阳极，饱和食盐水作为电解质溶液，阳极产生氯气，阴极产生烧碱溶液和氢气。这个反应已经成为一个单独的工业称为氯碱工业，生产这三种物质，是化学工业中较为重要的一环。
总而言之，电化学作为一种时间较短的科学，早已经进入到每个人的生活，电和化学反应已经紧紧地联系在一起，只要人类合理地利用电化学的奥妙，趋利避害，一定可以更加充分，巧妙地利用地球的资源，获得最大的方便。
【参考文献】
[1]司大均，许力，仁宗礼，赵玉玲.盐通式原电池的设计和应用[J].实验室探索与研究，2011（11）.
[2]张芹，朱元荣，黄志勇.化学/电化学腐蚀法快速制备超疏水金属铝[J].高等学校化学学报，2009（11）.
[3]张爱华.我国氯碱工业的现状与发展[J].石油化工技术经济，2004（02）.