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自从19世纪初期伏特发明化学电池以后,就为人们获得稳定持续的电流提供了一个途径。好奇心强的科学家是不会放过任何一个新发明的,他们马上尝试将各种化学药品通电试试看。
科学家将这种电流通过电解质溶液或熔融态物质时,分别在阴极和阳极上引起氧化还原反应的过程,称为电解。电解看上去无声无息,不用高温,也不用火焰,却能搞出一些连高温都实现不了的惊人的化学变化来。例如很长一段时间里,人们都认为水是-种单质,就是由于水很难被分解,但是有了伏特柱以后,科学家发现水很容易被电流分解成氢气和氧气,就是现在我们熟悉的电解水。然后,他们又发现电流能够从金属的盐溶液中把金属给赶出来。例如,对硫酸铜溶液通电,阴极上很快就会镀上一层红色的铜。镀上去的铜非常纯净,而且镀层非常均匀,用同样的办法,也可以使银、金等金属从它们的盐溶液里析出来。
电解很快成了化学家手中的锋利武器,无.数的化学家醉心于伏特电池,希望这件宝贝能帮助他们创造出化学的奇迹来。
英国年轻的化学家戴维就是这批最早的电化学家中的杰出代表。
碱:金属呱呱坠地氢氧化钠和氢氧化钾是最常用的两种碱,不管实验室、工厂还是日常生活中,这两种碱的使用机会都举不胜举。现在我们知道这两种碱具有碱的通性,遇酸会生成盐和水,具有强烈的腐蚀性,易潮解,化学式为NaOH和KOH。但是,在19世纪,由于人们无法分解苛性碱,所以那时候的科学家认为苛性碱是不能再分解的单质。
当戴维发现电流能轻易地分解化学物质时,他就想有许多以前通常认为是单质的物质,也许当中有些经不起电流的作用,从中可能发现它们里面含有未知的物质。
由于碱有几种化学性质和当时己知的化合物很相似,所以戴维推想碱可能也是化合物。戴维最先电解的是氢氧化钾的水溶液,发现两条导线附近都出现了气泡,这是水被分解成氢气和氧气的现象。这说明电解氢氧化钾溶液,电流只分解了溶液里面的水,氢氧化钾没有发生任何变化。戴维没有因此而放弃,他想,既然水在这里有妨碍,那么就不用水,于是他决定使用熔融的氢氧化钾来做实验。当接通电流以后,熔融的氢氧化钾里面立即有了明显的现象,在电极附近出现了小小的美丽的淡紫色的火焰,电流--断,火焰立即熄灭了,电流一接通,火焰又会出现,重复实验多次,反应的现象都相同。这是怎么回事呢?戴维的助手觉得莫名其妙,戴维却回答他说,这意味着咱们把这种假单质给揭穿啦!戴维坚信淡紫色的火焰是--种新物质发出来的,之所以不能成功得到它,是由于熔融状态的碱温度太高了,新物质被高温烧掉了。
那么,如果能够在常温时电解氢氧化钾,就能得到这种新物质了,可是固态的氢氧化钾不导电,稍微加点水,再通电就变成了电解水,在试过无数次以后,戴维想出了一个好办法:将干燥的氢氧化钾从容器里拿出来以后,在空气中停留一-分钟左右,使得氢氧化钾从空气中吸收一点点水分,这一点点水分,刚刚好够固体碱变成导体,同时因为水分非常少,不会变成电解水。当接通电流以后,两个电极附近的氢氧化钾固体开始慢慢熔化,并且沸腾起来,然后,有一一些极小的带银白色光泽的珠子从熔化的氢氧化钾中滚落出来,这些小珠子闪着金属的光泽,来回滚动,很像水银的珠子,但是性质却和水银大不相同,有的小珠子刚一滚出来,就立即啪的一声裂开,发出美丽的淡紫色火焰然后消失得无影无踪。有的虽然没有燃烧,但是表面立即变暗,好像蒙上了一层灰暗的白膜,刮掉这层白膜,里面光亮的部分很快又变灰暗了。在空气中多放上一会,薄膜表面慢慢变潮湿,最后又变成了氢氧化钾。
戴维认定自己电解得到的这个银白色的小球是一种新的金属,今天我们知道这是金属钾。只是钾的性质太活泼,太喜欢吸收空气中的氧气和水,重新变回氢氧化钾。
戴维把它扔到水里,发现它入水不沉,遇冰也能着火。戴维无论把钾放在哪里,总能引起火光或者爆炸,放在其他金属里面,就和其他金属熔合在一起,变成合金。这么不安分的金属,哪里才能使它安静下来呢?经过上千次的试验,戴维总算找到了一种物质,这就是煤油,戴维发现在纯净的煤油里面,钾很安静。于是戴维每电解得到一块钾,就立即放进煤油里,至此,才获得了稳定的金属单质钾。
随后,戴维又用同样的方法电解氢氧化钠得到了金属钠,他发现金属钠和金属钾非常像,也能浮在水面上,只是钠比钾的活动性稍微差些,在水中不会燃烧,而是熔化成光亮的小球四处游动直至消失。
人们对石灰的利用虽然很早,但它的组成是什么却知道得相当迟。至于苦土(氧化镁)、锶土(氧化锶)、重土(氧化钡)的组成更不知道了。由于当时没有办法使它们分解,证明它们是化合物,一直到18世纪,大多数化学家都认为它们是元素的单质。
戴维先用类似制取钠、钾的方法进行实验,但都失败了。后来他用金属钾做还原剂,把苦土、石灰、锶土、重土分别放入试管中,再往其中加入金属钾,然后加热,结果还是没有成功。他又把那些干燥而不导电的苦土、石灰等分别与碳酸钾混合,加热熔化,再用石脑油把那些碱性混合物盖上以隔绝空气,然后通电流,这时发现有金属颗粒浮在表面。这些金属颗粒一-旦接触空气就像金属钠一样,立即发光燃烧。燃烧后的东西与原来的苦土、石灰的性质几乎完全--样,也未得到新的金:属元素。不久他又将石灰和氧化汞的混合物加以电解,由于所得汞齐量太少,不能说明问题。
后来在年化学家贝采里乌斯写信告诉他:瑞典医生蓬丁曾将石灰和水银的混合物加以电解,成功地分解了石灰,并且还用这样的方法电解重土取得了钡汞齐。这个消息使戴维受到极大地鼓舞。
于是他立即动手实验,将潮湿的石灰与氧化汞混合起来进行电解,实验成功了。戴维用这种方法成功地制的钙汞齐。再将钙汞齐加热,蒸出其中的汞,就得到了银白色的金属钙。紧接着戴维又用类似的方法制得了金属镁、金属锶和金属钡。戴维进而研究了碱土金属的性质:如物理性质上的状态、色泽、传导性、比重、加热时的变化等;化学性质上的氧化,使水分解,使金属氧化物还原,与氯、硫、磷、汞的化合等。戴维--生共发现了8种元素(有的文献中这一数字更大),要知道,在门捷列夫开始编制元素周期表之前,人类总共只发现了63种元素!电解是一种非常强有力地促进氧化还原反应的手段,许多很难进行的氧化还原反应,都可以通过电解来实现。例如:将熔融的氟化物在阳极上氧化成单质氟,熔融的锂盐在阴极.上还原成金属锂。这些极端活泼的物质,都是通过电解才得到的。