OPOpenPith让好奇，看得见化学实验室 / 原电池与电解池

关于这张实验台

七个课题，一条主线：电子从哪里来，到哪里去。

原电池里，自发的氧化还原反应把化学能变成电能：活泼的一极失电子，电子经导线流到另一极。电解池里，电源把电子强行送进阴极、从阳极拉走，让不自发的反应发生。两种装置里，溶液和盐桥只传离子，导线只传电子；电子转移多少，产物就有多少：n = Q / (zF)。

每一个读数、每一个气泡、每一种颜色都来自同一个模型，不是预先画好的动画。改一个条件，所有数据一起重新计算。

七个课题的结论

用数据推翻七个常见的想法

01 电解水：“氢气和氧气应该一样多”

0.40 A 通电 8 分钟，通过 192 C 电量，阴极得到 24.3 mL 氢气，阳极得到 12.2 mL 氧气（25 °C、101 kPa）。每生成 1 个 O₂ 要转移 4 个电子，生成 1 个 H₂ 只要 2 个，所以体积比是 2 : 1。换成纯水，电源顶到 12 V，电流也只有 0.051 mA。

02 铜锌原电池：“铜片上的气泡说明铜在反应”

锌片浸入 3 cm，电动势 0.76 V，电流 99 mA；5 分钟里锌溶解 11.1 mg，铜片上放出 3.8 mL 氢气。气泡是溶液里的 H⁺ 在铜片上得到电子，铜本身不变。换成镁，电动势 2.37 V、电流 309 mA；换成铁只有 57 mA。

03 盐桥：“盐桥里流过的是电子”

两杯都是 1 mol/L 时，电动势 1.100 V，电流 6.11 mA。把 Zn²⁺ 稀释到 0.01 mol/L，电动势升到 1.159 V。盐桥里只有 K⁺ 与 Cl⁻ 移动，拔出它，电流立刻为零。化学电源同理：碱性锌锰 1.5 V，铅蓄 2.04 V，氢氧燃料电池理论值 1.23 V。

04 电解：“溶液里有什么离子，就析出什么”

0.30 A 电解 10 分钟、通过 180 C：CuCl₂ 溶液阴极析出 59.3 mg 铜、阳极放出 22.8 mL 氯气；NaCl 溶液阴极放出 22.8 mL 氢气，Na⁺ 不放电；Na₂SO₄ 溶液两极放出 22.8 mL 氢气与 11.4 mL 氧气，实际是电解水。产物由放电顺序和电极材料共同决定。

05 氯碱工业：“膜只是把两种气体隔开”

2 A 电解 20 分钟：有阳离子交换膜，得到 304 mL 氯气和 24.9 mmol NaOH；抽掉膜，OH⁻ 跑到阳极区，氯气只收到 122 mL，同时生成 7.5 mmol NaClO，NaOH 收率降到 40 %。

06 电镀与精炼：“精炼和电镀一样，溶液浓度不变”

0.50 A 通电 20 分钟、通过 600 C：钥匙镀上 197.6 mg 铜，约 22.1 µm 厚，阳极减少同样多。精炼粗铜时阳极减少 198.4 mg，比阴极增加的多，锌、铁进入溶液，银、金成为 0.99 mg 阳极泥，c(Cu²⁺) 下降。同样的电量能析出 670.8 mg 银。

07 腐蚀：“铁生锈只和水有关”

模拟 6 小时：稀盐酸里析氢腐蚀，U 形管试管一侧液面下降 68.5 mm；食盐水里吸氧腐蚀，液面反而上升 23.0 mm，铁损失 1.25 mg。连上锌块后铁的损失为 0，锌损失 2.20 mg；外加电流时铁也不再溶解。

模型与来源

模型与来源

  • 法拉第定律：Q = It，n(e⁻) = Q / F，F = 96485 C/mol；产物 n = Q / (zF)，z 为每个粒子转移的电子数。
  • 气体体积：V = nRT / p，取 25 °C、101.325 kPa，Vm = 24.46 L/mol。
  • 电动势：E = E°(正极) − E°(负极)；浓度修正用 Nernst 方程 E = E° − (RT / zF)·ln Q。
  • 回路：I = E / (R外 + R内)，单液电池的内阻 R内 = L / (κA) 随浸入深度变化。
  • 放电顺序：阴极 Ag⁺ > Cu²⁺ > H⁺ > Pb²⁺ > Fe²⁺ > Zn²⁺ > H₂O > Al³⁺ > Mg²⁺ > Na⁺ > K⁺；阳极先看电极是否活性，惰性电极上 S²⁻ > I⁻ > Br⁻ > Cl⁻ > OH⁻ > 含氧酸根。
  • 腐蚀压力计：(n₀ + Δn)RT = (p₀ + ρg·2x)(V₀ + a·x)，液面差 Δh = 2x。

标准电极电势取教材附录常用值（Zn −0.76 V、Fe −0.44 V、Mg −2.37 V、Cu 0.34 V、O₂ 1.23 V）。以下数值是教学假设，只用于比较大小关系：分解电压 1.83 V 与电解池电阻 12 Ω（纯水 2×10⁵ Ω）；单液电池外电路 5 Ω、硫酸电导率 20 S/m、忽略极化；镁、锌、铁与酸的直接反应速率；盐桥 80 Ω、外电路 100 Ω；化学电源内阻；无膜时 60 % 的 NaOH 与氯气混合；粗铜成分；钥匙面积 10 cm²；腐蚀电流 0.3 mA 与 0.2 mA、锌块与外加电流的倍数；氯气在水中的溶解忽略不计。颜色与离子小球只为看得清，数量与模型的量成比例。

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