【原】氢气可以从硫酸铜中置换出铜！

发表于《高中数理化》，也是即将由山东科技出版社出版的《用原子的眼睛看世界》的一篇。

关于原电池原理的问题讨论（2）

1. 为什么不能简单地依据金属电极是正极、负极判断其活泼性？

如果用两种金属分别做电极形成原电池，一般而言都是活泼的一方做负极的。但有一些比较特别的情况存在。

例如，“Cu-Fe-浓硝酸”电池。实际检测发现，在开始的一瞬间，Fe确实是负极，而Cu为正极。

但由于铁会被浓硝酸钝化，表面很快形成一层薄的氧化膜，Fe不能够持续溶解，而Cu则可以溶于浓硝酸，于是电极发生反转。

铜为负极，发生Cu – 2e^-= Cu²⁺氧化反应；

铁电极为正极，发生2NO₃^-+ 2e^- + 4H⁺ = 2NO₂↑+ 2H₂O的还原反应。

Cu不如Fe活泼，但是在这里成为电池的负极。

再例如，“Al-Mg-NaOH溶液”电池。

开始的瞬间Mg为负极，但由于Mg(OH)₂难溶，很快覆盖住了Mg的表面，使Mg的离子化过程终止，而Al则可以持续溶解于烧碱溶液，故而比Mg不活泼的Al转变为电池的负极。

负极反应：4Al -12e^- + 16OH^- = 4AlO₂^- + 8H₂O；

正极反应：12H₂O + 12e^-= 6H₂↑+ 12OH^-。

2. 原电池中，气体物质是如何作为电极反应物的？

气体物质要想在电极上发生反应，需要首先被电极材料吸附（此吸附往往同时兼具催化作用），在电极表面吸附一层气体分子后，电极好像变成了由该气体构成的一样。

比如，金属Pt的表面吸附了H₂，就成为氢电极。

由于不是随便什么金属材料都可以吸附并催化任何气体反应，所以使用气体反应物的电池，其电极材料就显得非常重要。

目前，全世界有很多科研小组专门研究电极材料，因电极材料的研制需要大量的前期投入，很多实用电池的电极材料制造技术往往都是保密的。

比如，目前氢氧燃料电池的电极材料中大都含有Ni、Pd、Pt等贵金属，标准氢电极也是由涂有铂黑（纳米粒子级的铂，呈黑色，故名“铂黑”）的金属铂构成，就是因为Pt表面吸附H₂后，可以在一定程度上削弱H-H共价键，使之易于发生氧化反应。

Pt本身也是H₂、O₂反应的催化剂，一般情况下，H₂、O₂混合气体需要点燃才会反应，因为其活化能高，而撒入少量Pt粉（铂黑），则瞬间爆炸！

3. H₂ + Cu²⁺ = 2H⁺+ Cu 能不能自发进行？为什么把H₂直接通入CuSO₄溶液不能置换出Cu？

根据金属活动顺序表可知，H₂ + Cu²⁺= 2H⁺ + Cu 是一个自发反应，下列电池的标准电动势为 +0.34 V。

此电池的工作原理是什么呢？

负极：H₂ – 2e^- = 2H⁺；正极：Cu²⁺+ 2e^- = Cu；

总反应：H₂ + Cu²⁺ = 2H⁺ + Cu。

在电池里，H₂可以置换出Cu，为什么直接把H₂直接通入CuSO₄溶液不能置换出Cu呢？

原来，问题出在氢电极的电极材料Pt上——

如前一问题所述，它具有催化H₂参与的反应的作用。Pt的运用，降低了H₂置换Cu反应的活化能。

4. 在双液铜锌电池里，锌为什么要插入硫酸锌溶液里？ Zn²⁺的存在难道不会抑制金属锌的离子化吗？

将锌电极里的锌片插入ZnSO₄溶液里，而非将Zn片插入食盐水，这是物理化学里的一种习惯。

物理化学里认为“原电池是两个电极通过外电路和内电路（盐桥）连接而成的”，故Cu-Zn原电池的标准写法就是“Zn²⁺/Zn”电极跟“Cu²⁺/Cu”电极的连接。

那么，ZnSO₄溶液里的锌离子会不会抑制Zn的离子化呢？理论上是会的。

因为一个电极的电极电势，受到氧化态（此处Zn²⁺）、还原态（Zn）浓度的影响，氧化态浓度越大，则电极电势越高；还原态浓度越大，则电极电势越低。

故溶液里Zn²⁺浓度太大，一定会抑制Zn的离子化，导致该电极的电极电位升高、Zn的还原性降低。

那么，为什么还要这样做呢？

除了上述“习惯”之外，这里，理论上具有稳定整个电池电动势的作用。

试想，如果开始用的溶液里没有Zn²⁺，那么开始瞬间负极的电极电势过低，整个电池的电压会过大（实际测不到该现象，跟实验条件控制有关），而一旦Zn开始离子化，随之溶液里Zn²⁺浓度的增大，则电池电压迅速下降。从理论上讲，这样的电池不具有实用性。