铜片炼金术论文简要提纲

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解释摘要:铜片炼金术发生的反应类似原电池反应,总反应为二价锌氧化锌单质。该反应能发生的原因是锌原子易填充入惰性金属单质原子间隙形成合金的性质(不了解,原文如此)导致锌离子和Zn(OH)42-在铜电极表面的还原电势较高,锌单质溶解形成的锌离子和Zn(OH)42-更易在Cu片表面析出。

1、反应过程简述

使用3mol/LNaOH中放入Zn粒和Cu片(二者接触),加热溶液后Cu表面有银白色金属附着,取出Cu加热后生成金黄色金属。

反应分为三步:

(1) Zn在碱性环境下被H2O氧化为Zn(OH)42-

(Zn+2H2O+2OH-=Zn(OH)42-+H2)

(2) Zn(OH)42-在铜片表面被还原为Zn单质

(3) Zn单质和Cu在加热条件下形成铜锌合金

2、主要争议

其中(1)和(3)的解释没有争议,主要争议发生在(2)的解释:

I、 还原剂的种类,可以否定H2O(理论),Cu(理论排除且实验测定表明反应后溶液中铜离子浓度极低)或H2(理论),通行解释均认为是Zn本身

II、 氧化还原反应发生的动力

3、现有的解释

I、 铜电极表面和锌电极表面的Zn(OH)42-浓度差引发原电池反应。

反应动力:浓度梯度

还原剂:Zn

但实验发现将铜锌电极浸在等浓度的Zn(OH)42-溶液中仍能发生反应,故解释错误。

II、 Zn(OH)42-在Cu片表面更易发生还原反应

(基本是废话,作者找来的不清楚的解释用来支持自己论点的)

4、新解释和实验证明

设计原电池。其中电解质溶液为Na2[Zn(OH)4],负极为Zn,正极先后使用Cu,Pt,Ag,Fe,Cd和石墨,正负极溶液之间用玻璃隔开(原文如此,不解,为何不会阻止反应)。正负极用导线连接后除Cd外的正极金属表面都有Zn附着。

测定原电池电压数值如上图右。可见Zn(OH)42-的还原电势与还原反应发生的表面的金属种类有密切的关系,其原因是Zn原子与惰性金属有亲和性,易填充入不活泼金属的原子空隙形成合金,甚至容易与石墨片层结合形成插层化合物(intercalation compound,原文如此)。有两点实验现象可以证明是电极金属的性质使得反应发生。首先,在使用Cu的一组实验中,当铜片表面完全被银白色金属覆盖时,测得原电池电压下降至0;另外,电势差明显、能够使反应发生的正极金属都能够与锌形成合金,而不能使反应发生的镉则不能与锌形成合金。

经过这种解释,可以发现反应是否发生与含有二价锌的离子种类无关(Zn(OH)42-或Zn2+),故使用ZnCl2作为电解质溶液也能实现类似的反应。

需要注意的是,在这种解释下,在铜片表面生成的并不是锌单质层,而是铜锌合金层。由于金属离子的扩散性较差,铜片表面的合金层极薄,其中锌的质量分数大于45%,因此呈银白色(只有锌质量分数在35%以下的铜锌合金才呈金色)。事实上,当静置装置一段时间,溶液中含二价锌的离子浓度降至0.01mol/L以下时,铜片表面在溶液内就会形成金色的铜锌合金。这也从另外一个角度说明了是合金形成的机制促使了原电池反应的发生。

5、结论

由于Zn易在惰性金属表面形成合金的性质,含有二价锌的离子在惰性金属表面的还原电势远高于在锌单质本身表面的还原电势,故相比于在锌单质表面析出,含有二价锌的离子更倾向于在Cu等金属表面被还原析出单质。这就解释了溶液中,在含有二价锌的离子和锌单质存在的条件下,锌单质表面通过水解作用溶解入水中的含锌离子会以类似于原电池反应的方式在与锌单质接触的惰性金属表面析出。

好的化学解释需要清晰明了,但实验解释的结果往往错综复杂。在我们的资料检索和实验研究中,合金形成的机制一开始并不是一个被看好的方向,但大量实验现象和数据最终让这成为了我们资料检索的重点,并让我们得出了最终的解释。我们也相信在這篇论文中提到的研究方式能够取得广泛的应用。(以上是原文最后一段)