“长时间用U型管电解氯化铜溶液产生一定量铜粉”机理的分析及启示
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1 经典电极反应理论
经典的电解理论认为，在电解体系中，电子只能在电极和导线中移动，而离子只能在溶液中迁移，只有在金属和溶液的界面间，离子和电子才能相互作用，发生电化学反应，溶液中不存在单独的电子个体，并且认为电解时离子必须迁移到双电层的紧密部分，然后被吸附在电极上，才能进行反应，例如以碳棒作电极电解氯化铜溶液时，两极发生的反应如下。
2 水合电子与水溶液电解理论
虽然经典的电极反应理论在实际的应用中取得了很大成功，获得了人们的广泛认可，但是人们也发现电解冶金时的一些实验现象并不能用经典的电解理论来解释，比如电解精炼铜时发现电解液中出现一定量的铜粉，这些铜粉的产生则难以用经典的电解理论来解释，进而人们提出水合电子与水溶液电解理论。
2.1 水合电子及其性质
人们进一步研究得出了水合电子的一些性质：电子的水合是一个自发过程，水合电子在一定时间内存在，它是一个活泼的粒子，是一种很强的还原剂，水合电子的具体性质见表1。
2.2 水合电子参与的电解反应机理
在电解体系中水合电子的形成需要一定的条件，一般认为如果阴极材料受到辐射场的影响就可以产生次级电子，经热化后则可以脱离阴极材料而水合形成水合电子；如果阴极材料没有受到辐射场的影响，但是由于溶液中阳离子在溶液中的向阴极迁移速率很慢而阴极反应又快，阴极表面附近的金属阳离子浓度降低就很快，这时就会产生阴极极化，产生极化的阴极上就会出现多余的电子。这些过剩电子只要获得足够的能量就可以脱离阴极进入溶液形成水合电子，由于水合电子具有很高的扩散系数、很大的淌度、良好的导电性能，因此会很快的向阳极迁移，从而在迁移的途径中遇到阳离子而发生反应。这就说明在电解体系中，只有阳极发生氧化反应，而阴极反应和溶液中的任何一个部位由于水合电子引起的反应将为还原反应，所以如果水合电子仅由阴极极化产生，则由于阳极上发生的氧化反应速率应该等于阴极还原反应和溶液中水合电子参加的还原反应总的速率。所以这时阳极的氧化速率必然大于阴极的还原速率，这种阴阳两极反应速率不相等的现象，可以认为是水合电子引起的。
2.3 水合电子形成的途径以及由此产生的一些实验现象
事实上，水合电子在电解体系中形成的途径也是多方面的，进而也从不同的方面影响着电解反应的实验现象。一般认为水合电子形成的途径有如下几种情况。
2.3.1 电解质溶液受到辐射而产生水合电子
如果电解质水溶液受到辐射场辐射的影响，溶液中的水在受到辐射时将产生水合电子，进而在电解质溶液内部任何部位产生析氢现象。
2.3.2 阴极受到辐射而产生水合电子
如果阴极电极材料（如Cu）受到辐射（例如接收高能电子），这时就会产生次级电子，次级电子经过热化，再发生水合就可以生成水合电子，而阴极区内的氢离子就会和水合电子反应产生氢气。
2.3.3 阴极极化而产生水合电子
一般认为电解时，阴极反应的活化能不大，反应比较迅速，而电解质溶液中的阳离子向阴极迁移的速率则比较慢，从而阴极附近阳离子的浓度下降很快，这时阴极的电极电位就会向负方向偏移而发生极化。与此同时，电解时的槽电压迅速升高，从而使阴极聚集过多的电子。这些电子一旦获得足够的能量而热化，就使电子的水化的自发过程有可能发生，进而形成水合电子。如果溶液的酸性很强，这时在阴极区就会有氢气产生。
以U型管电解氯化铜溶液的实验是中学化学课堂重要的演示实验，然而如果对这一实验进行长时间（几天的时间）电解，就会发现电解液中出现一定量的铜沉积于U型管的底部，这部分铜既有颗粒比较大的也有一部分粉状的。实验观察到，颗粒比较大的铜来源于阴极析出的铜经过长时间的积累而增多，在重力作用下从阴极脱落而产生，粉状的铜则难以观察到产生的来源。那么这部分粉末状的铜是如何产生的呢？笔者认为这可能与水合电子参加反应有关，具体分析如下。
4 长时间用U型管电解氯化铜溶液产生一定量铜粉机理的启示
事实证明，在电解氯化铜溶液的实验中，学生会不可避免地观察到一些异常现象，教学过程中对这些问题一概回避，就会影响对学生想象能力以及观察能力的培养，但过多的讲解也会增加学生的负担，教学的导向作用就会出现偏差。因此，研究阴极上的电子参与电极反应方式是搞清楚长时间用U型管电解氯化铜溶液产生一定量铜粉机理的关键，对此我们认为采用下面的方法可以达到较好的教学效果。
（1）在大多数情况下，电子只能在电极和导线中移动，只有在金属和溶液的界面间，阳离子吸附在电极材料上才可以和电子相互作用，发生阴极上的电化学反应。
（2）在特殊情况下，电子可以从阴极上进入电解质溶液中，进入溶液中的电子可以和向阴极迁移的阳离子发生反应。
（3）在特殊的情况下，阳极的氧化反应速率≥阴极的还原反应速率。