我的電化學研究歷程

我最早觀注的化學實驗應該是電化學實驗，在當時的我看來，為了從已有原料中獲取一些重要化學藥品，電解，是最好的方法：2CuSO4+2H2O=電解=2Cu+2H2SO4+O2↑通過這樣的化學反應，可以制得稀硫酸和Cu粉，無疑令一個在家里進行實驗的化學初學者感到驚奇和欣喜。個人認為自己對電解化學有更深入的理解和體會，希望能給讀者帶來啟發。

初三上期的運動會中，有一位同學的手電筒沒電了（電池過期了），到處借電池，但大家都沒有帶。這時我突發其想：我們可不可以用充電寶來給其他電池用電器充電？這需要對USB線內部結構進行探究：將USB線（這是智能手機充電線）的用電器一端剪掉，里面有各種導線：有絕緣皮的、沒絕緣皮的、紅線、綠線、白線……通過一一核對，進行短路試驗，發現白線和綠線并不導電，而紅線和無絕緣皮的金屬導線接觸會產生電火花。（也可以把充電器側面的照明燈燈打開，若導線接觸形成通路，會造成電路短路，充電器內部安全系統會立即熄滅照明燈并停止供電，這個方法可以檢驗是否導電）。后來用電壓表測出充電寶、電腦USB線插孔、充電插頭供電都是5V的直流電，并發現紅線對應電源正極，無絕緣皮的金屬導線對應電源負極。這些發現為我研究電解反應提供了物質基礎。

之后在初三寒假里，我制作了第一臺“電解器”。

當時看見氣泡在連接結點上產生，這使我十分高興，認為“電解”成功了。但現在看來，這只不過是將電器短路，因結點的導電面積小，恰好電阻大，電流產生的熱效應將連接結點周圍的水加熱為水蒸汽而產生的氣泡，并不是真正的電解水反應。

后來，我重新改裝了電解器——以2B鉛筆芯作為電極，分別連接改裝后的USB線的內部線，最后連接充電寶。終于，一臺簡易的電解器“橫空出世”了！為了增強水的導電性，我刻意向水中加了食鹽（實際上這種方法不可取），電解速度從電極上只有零零星星幾個小氣泡到迅速而強大的氣流，現象十分可觀。同時我發現陽極上氣體產生速率要慢于陰極。當時我描述陽極上產生的氣體氣味：應該是無色、無味氧氣，但結果是有一股消毒水味兒。陰極上產生無色無味的氣體，應該是H2。我用塑料筆筒收集之，點燃后可聽見“啵”的一小聲，可見的確是H2。

2NaCl+2H2O=電解=2NaOH+H2↑+Cl2↑

陽極：2Cl--2e-=Cl2↑ 陰極：2H++2e-=H2↑

在初三下期，通過多次電解實驗我發現，用2B鉛筆芯作電極，陽極易粉末化，陰極卻完好無損，這就需要加固陽極：用鐵絲彈簧將三根2B鉛筆芯固定在一起，可以起到加固的作用。我用加固了的陽極來電解飽和NaCl溶液，這一次出現了令我震驚的現象：

陰極產生了比往日更快更多的H2氣泡，但陽極沒有任何氣泡產生，然而陽極區溶液變為黃綠色，并向陰極區擴散。此時我用陰極攪動了一下電解質溶液，溶液中迅速產生墨綠色絮狀物，繼續電解溶液，墨綠色絮狀物增多；停止電解，絮狀物形成墨綠色沉淀，將陽極取下來，發現鐵絲彈簧遭到嚴重腐蝕，已經變成糊狀了。

取下鐵絲彈簧后繼續電解，兩極又都產生氣泡，電解了一段時間，再次攪動墨綠色沉淀，沉淀迅速變為紅褐色，此時我意識到這紅褐色沉淀應該是Fe（OH）3，剛才那墨綠色沉淀可能是Fe（OH）2。因為Fe2+是綠色的，而陽極上的鐵絲又被消耗。于是我根據實驗現象得出：

Fe+2H2O=電解= Fe（OH）2+H2↑

并由Fe（OH）2→Fe（OH）3的現象得出“電流能使一些金屬離子化合價升高”的結論：

2Fe（OH）2+4H2O=電解=2Fe（OH）3+3H2↑+O2↑

這是我在2015年5月6日發現并預測出來的。

以現在我的化學觀來看：方程式正確，但結論仍有瑕疵：

①墨綠色沉淀應為白色的Fe（OH）2與紅褐色的Fe（OH）3混合物；

②Fe（OH）2應該是被水中的O2或Cl2或HClO氧化，而不是電流使其化合價升高，即Fe（OH）2 ——O2/Cl2/HClO——→Fe（OH）3

在當時這個電解方程式使我意識到：不僅可溶性鹽能參加電解反應，金屬固體亦能參加電解反應，并轉化為相應的氫氧化物。

為了驗證我的結論是否正確，第二天我特意將陽極換成了銅絲（為了得到銅絲，我將一根銅導線去掉絕緣皮），預期能得到藍色的CU（OH）2沉淀。但在實驗過程中始終都沒有出現藍色物質。陽極卻不斷產生黃色或橘黃色的沉淀，這又一次讓我感到困惑。以當時我所學的知識，能與銅元素聯系上的顏色只有紅紫色（CU單質）和藍綠色（二價銅鹽），可這橘黃色沉淀又是什么呢？我甚至懷疑這是不是銅導線，可導線確實是典型的紫紅金屬銅，那么會不會是CUOH？因為用Fe作陽極時，電解時沒有直接產生Fe（OH）3，而是由不穩定的Fe（OH）2轉變為穩定的Fe（OH）3，那么對CU而言，是否也是這樣？

假設它是CUOH，按照前述的理論，電流會使金屬離子化合價升高，那么等Cu絲在陽極完全反應結束時，我將陽極換成石墨電極，繼續電解懸濁液，觀察看看CuOH能否轉變為藍色的Cu（OH）2。

于是我電解了整整一下午，但沉淀仍然沒有變色（反而顏色加深），這使我陷入了困惑之中，只好先預測出電解方程式：

2Cu+2H2O=電解=2CuOH+H2↑

這個問題被擱置了一年之久，在這一年里，我查閱各種書籍、資料，雖然都不是很齊全，但在2016年8月19日，經過我的整理，終于分析出這個反應的原理：

其中KSP[CuOH]

2Cu+2H2O==電解Cl-====2CuOH+H2↑或

2Cu+2H2O=== Cl-electrolysis === 2CuOH+H2↑

而橘黃色沉淀不但沒變藍反而變為磚紅色是因為：

2CuOH=Cu2O+H2O

這個實驗還間接反映了CuOH更容易轉化為Cu2O而不是Cu（OH）2。這一點與很多二價副族金屬氫氧化物比如Fe（OH）2和Mn（OH）2不同，難怪當時如何把CuOH烘干后放置在空氣中都不能氧化它！

在接下來的兩年里，我通過電解法先后成功制得了H2，O2，Cl2，Cu，Fe，Zn，Mn等元素單質；對于活潑金屬，尤其是金屬鈉，我嘗試過很多方法，比如熔融氫氧化鈉，硫代硫酸鈉……，但尚未成功，同樣這對實驗裝置設計和方案可行性以及我的操作水平都有很高要求，目前我在嘗試特殊鈉鹽在有機溶劑中電解來制備它們，我相信在未來能通過努力來實現它！

對于以后電化學的探究目標和見解。現在我除了研究利用電解法制備常見無機物質外，更看好利用電解中間產物進行氧化還原反應和有機電化學合成兩大方面。前者比如可以利用一個電解“小室”——底部帶有離子交換膜而上方可通氣體或溶液的裝置，內部裝有反應液，依靠電極上產生的活性物質如原子氫或原子氧等進行高效而迅速的氧化還原反應，從而達到特殊物質的制備和生產目的，而不同陽極或陰極“小室”可裝入不同物質從而達到“一器多解”的目的而不混有雜質的新型電解反應；后者可以通過精確控制電流密度和電解電壓，電解加入電解質鹽或其他離子溶液的有機物，從而高效、高產率地合成一些有機物甚至有機高分子物質（氧化還原聚合反應）。最近我通過電解氫氧化鈉的無水乙醇溶液制得了某種血紅色的高分子物質，現在正在研究其性質，這正是普通有機合成所做不到的。