【阅前提示】本篇出自『数理化自学丛书6677版』，此版丛书是“数理化自学丛书编委会”于1963-1966年陆续出版，并于1977年正式再版的基础自学教材，本系列丛书共包含17本，层次大致相当于如今的初高中水平，其最大特点就是可用于“自学”。当然由于本书是大半个世纪前的教材，很多概念已经与如今迥异，因此不建议零基础学生直接拿来自学。不过这套丛书却很适合像我这样已接受过基础教育但却很不扎实的学酥重新自修以查漏补缺。另外，黑字是教材原文，彩字是我写的注解。

【山话嵓语】『数理化自学丛书』其实还有新版，即80年代的改开版，改开版内容较新而且还又增添了25本大学基础自学内容，直接搞出了一套从初中到大学的一条龙数理化自学教材大系列。不过我依然选择6677版，首先是因为6677版保留了很多古早知识，让我终于搞明白了和老工程师交流时遇到的奇特专业术语和计算模式的来由。另外就是6677版的版权风险极小，即使出版社再版也只会再版80年代改开版。我认为6677版不失为一套不错的自学教材，不该被埋没在故纸堆中，是故才打算利用业余时间，将『数理化自学丛书6677版』上传成文字版。

第二章直流电

【山话||  本系列专栏中的力单位达因等于10⁻⁵牛顿；功的单位尔格等于10⁻⁷焦耳；热量的单位卡路里等于4.186焦耳；电荷的单位静库（1库伦=3×10⁹静库）；电势的单位静伏等于300伏特。另外这套老教材中力的单位常用公斤、克等，但如今是不允许的，力是不能使用质量单位的。】 

§2-8液体导电和电解

1、液体导电

【01】并不是所有的液体都是导电的。图2·39表示一套简单的实验装置：A 和 K 是放在一个玻璃容器里的两块碳板，B 是一组电源，L 是一个小灯泡（或一个安培计），它们串联在一起，实验时，先向容器内注入蒸馏水，这时我们看不到电路上有电流通过的迹象，这说明纯水是不导电的。再用糖溶液代潜蒸馏水，我们还是看不到电路上有电流通过的表示，这说明糖溶液也是不导电的。如果用盐溶液来进行这个实验，那么就能发现电路上有电流通过（小灯泡发出了亮光或安培计指针有了偏移），这说明盐溶液是导电的。

【02】用各种不同的液体进行实验，结果发现：所有单纯的溶剂都不导电，所有酸、碱、盐的稀溶液都能很好地导电，熔融了的盐类也是导电体，从化学研究知道：凡是能够导电的液体都是具有离子的液体，因此我们可以得出这样一个结论：只有具有离子的液体才能导电。

【03】能够导电的液体称为电解液。在电解液里，经常有一定百分比的正离子和负离子存在。正离子就是失去了一个或几个电子的原子或原子团；负离子就是获得了一个或几个额外电子的原子或原子团。拿食盐(NaCI)溶液来说吧，正离子就是失去了一个电子的钠原子，叫做钠离子(Na⁺)；负离子就是获得了一个额外电子的氯原子，叫做氯离子(Cl⁻)。中性分子分解为正离子和负离子的现象叫做离解，或叫电离。一切酸、碱、盐的分子，在水溶液里都要离解。金属离子和氢离子都带正电荷，都是正离子；一切酸根离子和氢氧根离子都带负电荷，都是负离子。

【04】溶液里的离子，和分子一样，经常在作无规则的热运动在没有外电场的时候，溶液里的正、负离子只作无规则的热运动，而不作有规则的定向运动。在和电源接通后，碳板 A（叫做阳极板）带了正电荷，碳板 K（叫做阴极板）带了负电荷，这样就在溶液里建立起一个电场，它的方向从 A 极板指向 K 极板（如图2·40所示）。在这个电场的作用下，正、负离子除了作无规则的热运动之外，还要作有规则的定向运动，即正离子顺着电场方向运动，负离子逆着电场方向运动。正、负离子分别向两极流动的结果，从导电的角度看来，和正电荷直接从 A 极板流向 K 极板没有什么两样，所以我们称这种现象为液体导电现象。

【05】液体导电和固体导电在本质上是不同的.金属和碳的导电是由于自由电子在离子和分子之间作单向移动所致，离子和分子并不移动。这种导电方式叫做电子导电。这一类导体叫做第一类导体。酸、碱、盐溶液（或盐的熔液）的导电是由于正、负离子分别向两极移动所致。这种电荷和原子或原子团一起移动的导电方式叫做离子导电。这一类导体叫做第二类导体。

【06】液体导电和固体导电所遵循的规律有相同或相似之处例如，液体导电和固体导电都遵循欧姆定律Ⅰ＝V/R  。又如，第一类导体的电阻取决于导体的性质、导体的长度和导体的横截面积等，而第二类导体的电阻则取决于液体的性质、极板间的距离和极板与液体的接触面积等。

2、电解

【07】在电流通过电解液的过程中，正离子移到阴极板(K)后，从它那里获得电子；负离子移到阳极板(A)后，向它那里放出电子，结果它们都变成了中性的物质（原子或原子团）。这种因为通过电流而分解化合物的反应叫做电解。电解化合物所用的整套设备叫做电解池。

【08】图2·41所示的是一套电解盐酸(HCl)用的电解池。阳极板(A)和阴极板(K)一般是用铂板，或用碳板组成的；电解液为稀盐酸溶液。通电后，氢离子(H⁺)移向阴极板(K)，在获得电子后变成氢原子，并生成氢气泡上升到液面；氯离子(Cl⁻)移向阳极板(A)，在放出电子后变成氯原子，也生成氯气泡上升到液面。这一系列的化学反应可以用下面的方程来表示：

【09】上式中的 e 表示电子。

【10】化合物经电解而析成原子或原子团的作用，叫做电解的原作用。由原作用析出的原子和原子团，又和极板或它周围的化合物起化学反应而生成新的化合物，这就叫做电解的副作用。上述事例中生成的氢气和氯气，就是原作用的产物。至于副作用，可以用下面两个事例来说明。

例10.电解食盐时，只在一个极板附近起副作用.电解食盐的化学反应如下：

        这就是说，电解食盐时析出的物质不是钠和氯气，而是氢气和氯气.电解食盐的结果是失去了水和食盐，生成了氢气、氯气和氢氧化钠。

例11.电解硫酸钠时在两个极板附近都起副作用.电解时的化学反应如下：

        这说明，电解硫酸钠时析出的物质不是钠，而是氢气和氧气在这个过程中失去了硫酸钠和水，生成了氢氧化钠、硫酸、氢气和氧气。

【11】电解池是转变电能为化学能的装置。当有电流Ⅰ通过电解池时，电源供给的电能是 VⅠt（V 为电解池两极间的电势差，t 为通电的时间），它一部分转换为物质内能并使电解池发热，另一部分转换为化学能使化合物分解。在一般情况下，转换成内能的这部分能量是比较小的一部分；根据焦耳-楞次定律，这部分能量等于Ⅰ²Rt（R为电解池的电阻）。转换成化学能的这部分能量 W＝VⅠt－Ⅰ²Rt，将上式中各项除以Ⅰt，得出 ，Ⅰ式中 V 为电解池两极间的电势差，ⅠR 为电流通过电解液时的电势降落，它们的差额叫做电解池的反电动势 E，如用公式表示，则为 E＝V－ⅠR  。

【12】任何电解池都有阻碍电流通过的反电动势存在，它的大小由电解液的性质决定。因此，在电解池里，两极间的电势差总大于电势降落，即 V >ⅠR  。否则，电流便不能通过（在只有电能和物质内能转换的电路里，V 总是等于ⅠR）。

3、电解工业

【13】电解在工业上的应用很广泛。在化学工业上经常用电解水的方法制取氢气和氧气，用电解食盐水的方法制取氯气和氢氧化钠。电铸、电镀和电冶等都是电解实际应用的例子。

电铸和电镀

【14】电铸就是应用电解的方法来俦制物品。先用蜡或其他范性材料制出物体的模型，然后在它上面涂上一层石墨（石墨是导电体），用它来作为电解硫酸铜溶液的阴极；用铜板作为电解池中的阳极。电解时在阴极析出的铜就沉淀在模型的外表面上；通电的时间越长，铜层就越厚。等到铜层有了一定的厚度以后，挖出壳内的范性材料，并用熔融了的金属填充，这就制成了坚实的铸品。

【15】电镀就是在某种制品上镀一层比较美观的或不容易氧化的金属。电镀时，把被镀物品当作阴极，把所镀的金属当作阳极，而把所镀金属的盐溶液作为电解液。镀金、镀银、镀铜、镀镍、镀铬时都是应用这种方法的。

电治

【16】用电解的方法提纯金属，叫做电冶。从矿石直接熔炼出来的铜，通常含有硫化铜等杂质，它们不宜于电气工业的应用。如果用这种不纯的铜作为阳极，用硫酸铜或硫酸的溶液作为电解液，通电后，阴极上就有纯铜析出.这样析出的纯铜叫做电解铜。

【17】要提纯化学性质比较活泼的金属，如钠、钾、镁、铝等，可以用电解它们熔融的盐、碱或氧化物的方法。在这种电解池里，通常用碳作为电极，电解液不是溶液而是熔液。用比较强的电流通过这种熔液时，发散出的热量足以保持熔液不致凝固，从而保证了电解的持续进行。电治铝工业所需的电流常常大到几万安培，所以制铝工厂常常设在水力发电站附近，这样可以用到比较廉价的电能。

习题2-8(1)

1、产生电流的条件是什么？

2、哪些物体是第一类导体？哪些是第二类导体？这两类导体的导电情况有些什么不同之点？

3、什么叫电离（或离解）？什么叫电解？

4、什么叫离子？离子在溶液中是怎样运动的？

5、电解池是怎样构成的？电解池里的电阻与哪些因素有关？

6、电解池里的电势降落与极间电势差有什么区别？为什么前者总是比后者小呢？

7、液体导电是否遵循欧姆定律？是否也遵循焦耳-楞次定律？

8、电解池里的能量转换情况是怎样的？试举例说明之。

9、为什么我们可以说：电解的过程就是液体导电的过程？这两种过程能够各自单独进行吗？

10、举例说明：什么是电解的原作用？什么是电解的副作用？

11、试画出镀铜用的电解池，并说明它的工作原理。

4、法拉第电解定律

【18】英国物理学家法拉第，在1834年，通过一系列的电解实验，总结出两条定律，叫做法拉第电解定律。这两条定律，叙述了物理现象和化学现象之间的重要联系，奠定了电化学的基础。

第一定律

【19】在电解时，析出的物质质量 m 跟通过电解液的电流强度Ⅰ和通电时间 t 成正比。用公式表示即为 m＝KⅠt，式中的 K 叫做电化当量。由于式中的乘积Ⅰt 等于通过电解液的电量 Q，所以上式又可写作：m＝KQ  。因此，法拉第电解第一定律又可以更简单地叙述为：电解时，析出的物质质量 m 跟通过电解液的电量 Q 成正比。

【20】电化当量是一个视物质不同而不同的比例恒量，它定量地表示化学变化与物理变化之间的关系。某种物质的电化当量，在数值上等于 1 单位电量所析出的物质。如果质量的单位为克，电量的单位为库仑，则电化当量的单位为克/库仑。在实际应用中，电化当量的单位常用毫克/库仑。各种物质的电化当量数值可以用电解实验来测定，测出电流强度Ⅰ，通电时间 t 和析出的物质质量 m，就可算出电化当量值来。下表所示的是几种常用物质的电化当量 K 值：

【21】法拉第电解第一定律是从大量的实验结果中总结出来的，但是也很容易根据电解液导电理论来解释。我们已经了解，电解的过程就是液体导电的过程。在电解液里，电流是由离子的定向流动所形成的，这些离子都带有一定电量的电荷。通过的电量越多就意味着流过的离子数越多，因而析出的物质也越多，由于流过的离子数和通过的电量成正比，析出的物质质量又和流过的离子数成正比，所以析出的物质质量就和通过的电量成正比。

【22】上面已经讲过，不同物质的电化当量是不同的。但电化当量到底与物质的那些性质有关呢？法拉第电解第二定律解决了这个问题。

第二定律

【23】各种物质的电化当量 K 跟它们的原子量 A 成正比，而跟它们的化合价 n 成反比。它的表示式为，式中 C 是一个普适恒量，它的数值只与 K 的单位有关。当 K 的单位为克/库仑时，C＝10.36×10⁻⁶，当 K 的单位为毫克/库仑时，C＝0.01036（见前表）。

【24】在化学里，我们称 A/n 为化学当量，所以法拉第电解第二定律又可叙述为：各种物质的电化当量 K 和它们的化学当量 A/n 成正比。

【25】法拉第电解第二定律同样是从大量实验结果中总结出来的，但是也不难根据离子导电的理论来加以解释。在电解液中，离子所带的电荷是一定的（相当于一个或几个电子所带的电荷），一定数目的离子只能带一定电量的电荷；或反过来说，要带一定电量的电荷就需要有一定数目的离子。一价离子所带的电量最少，相当于一个电子电荷，二价离子所带的电量相当于两个电子电荷，n 价离子所带的电量相当于个电子电荷。在电解池里，如果 B 个一价离子能带 1 库仑的电量，那么只需要 B/2 个二价离子或 B/n 个 n 价离子就能带 1 库仑电量了。假设析出物质的原子量为 A，那就是说每个原子的质量为 A 个氧单位（1个氧单位＝1.66×10²⁴克；1克＝6.023×10²³个氧单位），那么，通 1 库仑的电量所析出的物质质量（即电化当量）  。如果 K 的单位为克/库仑，则上式变成，式中的 B/6.023×10²³ 就是法拉第电解第二定律公式里的普适恒量 C  。

【26】综合法拉第电解第一定律和第二定律，得出表示式  。这就是说：在电解池里，析出物质的质量跟通过电解池的电量和物质的化学当量成正比。

库仑计和国际安培

【27】在电解池里析出物质的质量可以用来量度通过它的电量。作这种用途的电解池叫做库仑计。电量的库仑数，式中 m 是析出物质的质量，K 是它的电化当量。

【28】纯银的电化当量是 1.118 毫克/库仑（意即通过1库仑的电量能析出纯银 1.118 毫克）。如果让稳恒电流通过银盐（如硝酸银）溶液，经过一秒钟正好析出 1.118 毫克的纯银，那么这个稳恒电流的强度就叫做 1 国际安培。

【29】库仑计可以用来校准安培计。

例12.在一个以银盐溶液作电解液的电解池里，通过稳恒电流 3 小时后析出纯银 66.6 克。在电解过程中，电路中安培计的读数始终为 5.63 安培。试求这个安培计的误差。

【解】根据法拉第电解第一定律，m.＝KⅠt，已知银的电化当量 K＝1.118 毫克/库仑，析出银的质量m＝66,600 毫克，通电时间 t＝3×3600 秒，所以 66,600＝1.118×3×3600Ⅰ，解得国际安培。现用安培计的读数为 5.63 安培，其误差为 5.63－5.51＝0.12 安培，即安培计的读数超过标准值 0.12 安培。

5、法拉第恒量

【30】法拉第电解定律已经告诉我们，电解时析出物质的质量为，那么，析出 m 克物质所需要的电量应为  。

【31】化学知识指出：当物质质量的克数 m 等于它的原子量 A 时，我们就称这样多的物质为 1 个克原子量；当物质质量的克数等于它的原子量和化合价之比时，即当物质质量 m＝A/n 克时，我们就称这样多的物质为 1 个克当量。

【32】引入了克原子量和克当量的概念之后，我们可以看出：在电解池里析出 1 克原子量物质所需要的电量为库仑。在电解池里析出 1 克当量物质所需要的电量（用 F 表示）为 F＝96,500库仑。这个量就叫做法拉第恒量，是法拉第首先从实验中测得的。意思就是说：在电解池里，不管析出 1 克当量什么物质，总是需要通过 96,500 库仑的电量；不管析出 1 克原子量什么物质，所需要的电量总是等于它的化合价乘法拉第恒量。

【33】例如：氢、氧、铝的化合价分别为 1、2、3。在电解池里，析出 1 克原子量（即1.008克）的氢需要电量 96,500 库仑，析出 1 克原子量（即 16 克）的氧需要电量 2×96,500＝193,000 库仑，析出 1 克原子量的铝（即 27.1 克铝）需要电量 3×96,500＝289,500库仑。

习题2-8(2)

1、法拉第电解第一定律说明的是哪些物理量之间的关系？它们之间具有怎样的关系？

2、法拉第电解第二定律说明的是哪些物理量之间的关系？它们之间具有怎样的关系？

3、法拉第电解定律是实验的结果，怎样从离子导电的角度来理解它？

4、法拉第恒量具有怎样的物理意义？

5、通过硫酸铜的电流是75安培，在半小时内可以析出多少铜？沉淀在电解池的阳极板上呢还是阴极板上？【阴极上沉淀44.4克】

6、如果在电解硫酸铜的实验中，通过电解池的电流强度是 6 安培，在 25 分钟内析出的铜是 2.934 克.求铜的电化当量。【0.000326克/库仑】

7、锌的原子量是 65.38，它的化合价是 2。求锌的电化当量。【339×10⁻⁶克/库仑】

8、金的原子量是197.2，化合价是 3。要想在电解池里析出 1 克金，需要通过多少库仑的电量？【1470库仑】

9、镀镍时所用的电流密度（电流强度Ⅰ和极板面积 S 之比叫做电流密度）为 0.4 安培/分米²。连续通电 4 小时后，所镀的镍层厚度应是多少？（镍的密度是 8.75克/厘米³）【0.02毫米】

10、把银电解池和铜电解池串联起来，让 15 安培的电流通过 40 分钟。问析出银和铜各几克？【40.25克，10.84克】

11、把镍电解池和铜电解池串联起来，在析出镍 6.08 克的同时析出了多少克铜？【6.58克】

12、在一个制造电解铜的工厂里装有 100 只硫酸铜电解池。每只电解池里装有 20 块相互并联的阴极板。阴极板的面积都是 100厘米×80厘米。而全部电解池都串联着。如果通过的电流密度是 200 安培/米²，求在一昼夜内可析出铜多少？【9.1吨】

13、化学知识指出，1 克原子量物质含有 6.023×10²³ 个原子（阿佛加德罗常数）。求每个 1 价离子所带电荷的电量。[法拉第认为这个电量（1 价离子所带的电量）是电荷的最小基元，故把它称为基本电荷。现已证明，基本电荷就是电子电荷]【1.6×10⁻¹⁹库仑】

14、当电流通过稀硫酸溶液时，析出的是哪两种物质？它们的质量之比等于什么？【0.125:1】