超理文献:超理化學——電化學
電解
Sb是銻星地殼中含量最高的元素,與之相關的化工產業是銻星最重要的經濟組成部分。
流彭工業
超理反應中電子有時不能直接起作用,還需要一些高能過程轉化。從粒子加速器中不斷射出Ka原子,沿著導線運動,轟擊電解池中的Sb原子,將Sb原子轟為S粉末(不是硫)、b粉末和電子。b粉末更容易吸引電子,被還原為B,S粉末則缺少電子可吸引,被氧化為S。
<math>\mathrm{ Sb \xrightarrow{ Ka轟擊 } S^{*}+b^{*} } </math>
<math>\mathrm{ b^{*}+2e^{-} \longrightarrow B } </math>
<math>\mathrm{ S^{*}-2e^{-} \longrightarrow S } </math>
總反應為:
<math>\mathrm{ Sb(熔融) \xrightarrow{ 通電 } S+B } </math>
二者都是重要的化工原料,故流彭工廠的收入相當可觀。
但是,讀者可能會有疑問:不是還有反應:<math>\mathrm{ Sb \xrightarrow{ 發功 } S+B } </math>嗎?為何不直接使用這個反應?
①既然條件為「發功」,就要有人值守在反應堆前不斷發功,不符合工業自動化的要求。
②電解法的速率比直接裂解法快很多。工業生產中對出產速率的要求較高,故犧牲對物質、能量的利用率。
NiSb的轉化
物質總是有由不穩定向穩定轉化的趨勢,像地球上的Si元素一般都以SiO2存在一樣,銻星上的Sb一般都以NiSb的形式存在。但是,拼音定律告訴我們,NiSb對人體有害。2個世紀前,銻星科學家發明電解法轉化NiSb,解決了一個千年難題,並為銻星增加了一條重要的經濟來源。
Ka沖斷NiSb間的魔鍵。在銻星上,Sb離子活潑,自行失電子氧化:
<math>\mathrm{ Sb^{3-}-3e^{-} \longrightarrow Sb } </math>
HCHO放電先於Ni離子:
<math>\mathrm{ HCHO+e^{-} \longrightarrow OH^{-}+CH } </math>
Ni離子通過離子交換膜向陰極室移動,再發生離子反應:
<math>\mathrm{ 3OH^{-}+Ni^{3+} \longrightarrow Ni(OH)_3 } </math>
該反應在提取Sb的同時還能生成重要有機超理化學物質甲炔。是銻星的重要工業。
電解池能耗計算
電解使用直流電,並不能直接使用電能表讀數。為了方便計算用電量進而計算電費,銻星科學家發明了一個極為聰明的辦法計算能耗:
<math>W=Pt</math>
W就是電解池的能量消耗量,單位為J;Pt是電解過程中消耗Pt電極的物質的量,單位為mol。
電解的能量轉化效率固定為90%,因為有曰:「十個電解九個銻,還有一個趙明毅」。
原電池
銻星上的原電池原理——以圓電池為例
圓元素是趙明毅大師發現的元素,且當時製得了少量元素單質。但是趙大師太高興了,直接將這幾mol珍貴的元素單質投入了圓電池的研發,結果他在地球上與化學吧的人爭論「最強的鹼是什麼」時缺少實物證據,慘遭恥笑。現從趙大師的遺落手稿中整理還原圓電池模型如下:
將Yr單質投入,落於紗網上,注水,使水位高於Yr所在位置。Yr即在銻場與電場的作用下開始劇烈反應:
<math>\mathrm{ Yr \longrightarrow Yr^{+}+e^- } </math>
沒錯,只有這樣一個半反應!
Yr離子在電場的作用下聚集於a側。此時,ab兩側存在明顯電勢差,可以形成電池,作為輸出線路1。
Yr於水接觸發生的是劇烈的放熱反應,游離的電子在空氣膨脹作用力豎直向上逸散。此時,在裝置上部加入垂直圖面向里的磁場,電子在洛倫茲力作用下聚集於右側,兩側形成明顯電勢差。此時,連結兩側,又可以形成電池,作為輸出線路2。
構想十分美好,但趙大師沒想到的是:Yr反應太劇烈,導致加在線路兩端的電壓突變得很高,直接燒壞線路上的所有負載,且引發實驗室爆炸,成為遺憾。
金屬氫的製取
金屬氫有金屬的物理性質,本身卻並非由金屬元素原子構成。能量高,被稱為「銻星上的『噬力鎵』」。地球上曾經成功製取,但由於其不穩定,僅僅短暫地存在了一段時日。銻星科學家認識到這種物質的直接價值、間接價值和潛在價值,在原電池的模型下成功製取:
一看其原理確實簡單,於地球上的原電池相差不大:向正極通入HF,HF電離:
<math>\mathrm{ HF \longleftrightarrow H^{+}+F^- } </math>
負極反應:
<math>\mathrm{ 2F^{-}-e^{-} \longrightarrow F_2↑ } </math>
同時這個反應促使HF電離。
正極反應則比較複雜。電子先與Sb電極上的Sb結合:
<math>\mathrm{ SB+3e^{-} \longrightarrow SB^3- } </math>
H離子立刻與Sb離子結合:
<math>\mathrm{ 3H^{+}(aq)+Sb^{3-}(aq) \longrightarrow H_3Sb(aq) } </math>
Sb在銻場下返還電子斷鍵:
<math>\mathrm{ H_3Sb(aq) \longrightarrow 3H(s)+Sb(s) } </math>
H原子吸附在正極上。反應完成後,用菜刀刮下即可。 [思考]Sb被還原後,可能與電解質溶液發生反應:
<math>\mathrm{ 2Sb^{3-}(aq)+3Sb^{2-} \longleftrightarrow 5Sb(s) } </math>
這對反應有什麼影響?
解答:這個問題一度困擾電化學家們,後來對溶液里的微粒用記名計算法進行研究(cāi xiǎng)發現:這個反應式是錯誤的,生成物實為三銻化二銻,即:
<math>\mathrm{ 2Sb^{3-}(aq)+3Sb^{2-} \longleftrightarrow Sb_2Sb_3(s) } </math>
(*請嘗試給這個反應畫上雙線橋)
且該反應限度很小,對主反應的影響可以忽略不計。但若電解質溶液中存在Ka雜質,會大幅改變反應限度,生成大量三銻化二銻。構造此電池組時切勿混入Ka雜質!
([思考]部分多為胡扯,請廣大讀者理性閱讀)
電化學腐蝕及防治
Ka轟擊引發的腐蝕
電解的重要步驟,用Ka的高能粒子流對目標微粒或其宏觀聚集體,甚至對分散系進行轟擊。這個過程中,高能粒子流難免轟擊到一些不相干的微粒,造成腐蝕。
例如:在電解熔融Sb的電解池中,池壁由玻璃(來自宇宙絲綢之路)製成。Ka難免對二氧化硅進行了轟擊:
<math>\mathrm{ SiO_2 \xrightarrow{ Ka轟擊 } Si+O_2↑ } </math>
硅單質在陰極沉澱下來,被稱為陰極泥;氧氣則在陽極逸出。
特別提醒:電解中產生的雜質通常具有更高的價值。雜質一般都是Pt、Au、氧氣(對於銻星來說)等稀有元素單質,固體則沉積在陰(陽)極下成為陰(陽)極泥。歸結為一句話:多玩泥巴!
銻場下特有的的吸氟腐蝕
銻星上氫氟酸比水更常見,在實驗器材室見到的水更多是水的氫氟酸溶液。在銻場下,二者與空氣中的氟氣構成了一個原電池: 負極反應:
<math>\mathrm{ F_2+2H_2O-2e^{-} \longrightarrow 2HOF+2H^+ } </math>
正極反應:
<math>\mathrm{ 2H^{+}+F_2+2e^{-} \longrightarrow 2HF } </math>
可以看出,這個反應吸氟劇烈。故在實驗室待久了一定要出來通通風,呼吸新鮮的氟氣。
說明
原載於銻度超理吧:超理化學——電化學