双极制氢
原创
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2024-09-26
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一、工业电解的电流强度
根据法拉第电解第一定律（暂时采用高中物理的叙述方式）：
m=k*Q=k*I*t
m为电解析出物质的质量，I为电流，t为时间，Q=I*t 即电量，k为
电化当量，再根据法拉第电解第二定律：
k=M/(F*n)
M为电解析出物质的摩尔质量（单位 kg/mol），F为法拉第常数
（96500C/mol），n为电解析出物质的得（失）电子数，最终可得：
m=M*I*t/(96500*n)
如果 M的单位是 g/mol（即通常的摩尔质量单位，数值等于分子量），
那么析出物质质量 m的单位就是 g。
以电解硫酸铜溶液为例，设电流为 1A，电解时间 6h，计算阴极析出
铜的理论质量：
m=64*1*(6*3600)/(96500*2)≈7.16
1A 电流对于电子电路已经是个不小的电流，电解 6h，仅得到比 7g 多
一点的铜，工业上甚至实验室中，这样的生产或者制备效率都是不可
接受的。
因此，工业上，电解工业，例如氯碱工业、电解铝等，是有名的“耗能
大户”，电解电流通常是 kA 数量级的，而且采用多个电解槽串联，串
联的电解槽数可达数十个到数百个，总电解电压往往也是百 V甚至 kV
级，这样才能获得工业要求的每天 kg 级甚至 t级产量。
即使在实验室进行电解，要想在数 h时间内，获得制备量可以接受
（一般是数十 g的制备量）的产品，电流也需要数 A甚至数十 A，这
样大的电流，对于电源、连接导线等，都需要认真进行选择，不可马
虎了事，更不是几节电池几根细导线就能解决的问题。
蓄电池的充电就相当于一种典型的电解过程，可以去看看电动车铅蓄
电池的充电器能输出多大电流？接电池的导线有多粗？电池要充电多
长时间才能充满？
二、电解时的副反应——电解制备化学品不可忽视的问题
电解水，氢气氧气体积比接近 2:1，这是初中化学常识，因为理论上
有：
2H2O → 2H2↑ + O2↑
但纯水的导电能力很差，为了提高导电性，往往在水中加入少量硫酸
或者氢氧化钠，但如果加入硫酸增强导电性，氢气氧气体积比往往明
显大于 2:1，也就是氧气析出量明显减少了，其原因主要是阳极发生
了明显的副反应（某些教材认为是氢气氧气在水中溶解度不同造成的，
实际上这只是一个非常次要的因素），硫酸在水中的电离第一步是完
全的：
H2SO4 = H+ + HSO4-
但硫酸氢根离子 HSO4-的电离并不完全，K≈10^(-2)，溶液中存在较
高浓度的 HSO4-，通电后带负电的 HSO4-很容易移向阳极，在阳极上
就可能发生副反应：
2HSO4- - 2e → H2S2O8（过二硫酸）
H2S2O8 在阳极附近溶液中缓慢水解：
H2S2O8 + H2O → H2SO5（过一硫酸） + H2SO4
H2SO5 + H2O → H2SO4 + H2O2
酸性溶液中，H2S2O8 和H2O2 都有相当稳定性，能够长期在溶液中
存在，副反应的发生，导致阳极氧气析出量明显减少。
有读者可能提出一个问题，H2S2O8 是极强的氧化剂（标准电极电势
约2.01V），按道理说阳极上怎么说也应该是OH-或者 H2O 优先放
电得到 O2，怎么会有如此明显的副反应？
摘要：
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双极制氢-果糖制氢
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