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倒着跑:电解、法拉第定律与对抗腐蚀

花掉电去强行驱动一个本来绝不会自己发生的化学反应——这就是电解,是电镀、精炼和绿氢背后的引擎。学一条把电荷和克数联系起来的简单计数定律,再认识腐蚀:一个你从没想要的电池,正悄悄啃食着你的桥梁和汽车。

把反应往坡上推

原电池让一个反应顺坡而下,并以电流的形式付钱给你。现在把整个想法翻转过来:接上一个外部电源——充电器、稳压电源——用它把电子硬推向反方向,强行驱动一个本来绝不会自己发生的反应。这就是电解,干这活的装置叫电解池。你花掉电,去换取化学。

这两类电池互为镜像。在原电池里,一个自发的氧化还原反应造出电;在电解池里,外加的电驱动一个非自发的反应。同样的部件都出现——两个电极、一个阳极、一个阴极,这里氧化、那里还原——只不过现在做主的是外部电源,而不是化学本身。

电解为我们造出什么

让电流通过掺了一点盐的水,水就被劈成氢气和氧气——一种只用水和电就能制造氢燃料的清洁办法。让电流通过熔融的铝矿,纯铝金属就在一个电极上聚集起来;地球上几乎每一个铝罐都是这样诞生的。把一只钢勺和一根银条浸进合适的溶液,接通电流,钢勺上就长出一层闪亮的银衣。这就是电镀。

注意其中的共同点:在每个例子里,电解都让我们造出某种有价值的东西——纯金属、清洁燃料、保护涂层——而它们都不会自己生成。电是那根撬棍,把一个不情愿的反应硬撬上坡。代价是能量,这也是为什么炼铝厂总建在便宜电力旁边,以及为什么只有当电本身是清洁的时候,「绿氢」才算得上绿。

法拉第的计数定律:进多少电荷,出多少克

到底有多少银真的镀到了那把勺子上?这里有化学中最干净利落的结果之一。每一个沉积下来的原子都需要固定数目的电子——而电子是以电荷的形式到来的。所以你造出的物质量,就直接正比于你通过的总电荷。电流加倍、或时间加倍,金属就加倍。这正是法拉第电解定律的核心。

要把这个比例换算成克,你只需要一个换算数:法拉第常数,也就是一摩尔电子所携带的总电荷——大约 96,500 库仑。它不过是两套计数系统之间的一座桥:一边是电荷,另一边是电子的摩尔数。一旦有了它,整个计算就只是记账,根本不需要化学直觉。

  1. 通过的总电荷 = 电流(安培)× 时间(秒)。这算出你送进了多少电子。
  2. 除以法拉第常数,把这些电荷换算成电子的摩尔数。
  3. 每个原子需要已知数目的电子,所以再除一次就得到金属的摩尔数——再由此称出克数。

腐蚀:没人想要的那个电池

现在来看同一套物理的阴暗面。锈,就是电化学发生在了你不想要的地方。在潮湿的铁表面上,一小块一小块的区域分别充当阳极和阴极,那层湿气薄膜就是盐溶液,于是一个微型原电池不请自来。铁默默交出自己的电子、溶解、碎成锈。这种发生在金属上、不请自来又自动运行的氧化还原侵蚀,就是腐蚀

把它理解成一个微型电池,也就把解药递到了我们手上。既然铁生锈是因为它丢电子,那就给它配一种丢电子更起劲的金属——比如锌——拴在铁上,或镀在铁外面。锌会先腐蚀,牺牲自己来保护铁;这就是为什么船体和地下管道上要装锌块,也是为什么镀锌钉子能抗锈。那块锌,名副其实地,是一个牺牲阳极