“漫談電子紙”系列（四）

我們每天的生活幾乎都離不開電池，即便遠離電網，它也可以讓我們方便地使用各種電器。不過很多人也許并不清楚，隻要将普通的電池稍作改動，我們就可以得到一種電子紙技術，那就是電緻變色式電子紙——電池和電緻變色式電子紙都是電與化學聯姻的産物。要了解它們是如何聯姻的，我們不妨先來看一個小實驗。

将一根銅絲浸入盛有硝酸銀水溶液的燒杯中，用不了多久，原本光滑的銅絲表面就長滿了無數的“白毛”，而原本無色的溶液則逐漸變藍，這是我們很熟悉的“置換反應”。同為金屬，銅比銀要活躍的多，所以當金屬銅與硝酸銀相遇時，銀離子被轉化成金屬銀，那些附着在銅絲表面的白毛就是反應生成的金屬銀；而與此同時，銅則變成硝酸銅。硝酸銀是無色的，而硝酸銅則呈現藍色，因此燒杯中的溶液會逐漸變藍。如果我們不是讓銅絲浸入硝酸銀溶液，而是讓它與燒杯外壁接觸，銅絲表面會不會長出“白毛”？顯然不會，因為參與反應的兩種物質沒有直接的接觸，反應自然不能發生。

銅與硝酸銀的反應過程

現在讓我們把一根銅絲的一端浸入盛有硝酸銅水溶液的燒杯、把一根銀絲的一端浸入另一個盛有硝酸銀水溶液的燒杯，再用一根導線把銅絲和銀絲沒有浸入溶液的那一端連接起來，最後把一小條浸透了硝酸鉀水溶液的濾紙兩頭分别浸入兩個燒杯；我們會發現浸入硝酸銅的銅絲逐漸變細，而浸入硝酸銀的銀絲逐漸變粗。如果我們把電壓表串聯到導線中，還會看到随着銅絲變細，電流表的指針不斷擺動。那麼在這個過程中究竟發生了什麼？仍然是銅把硝酸銀變成了金屬銀。可是銅與硝酸銀并沒有接觸，為什麼還會發生化學反應呢？

我們知道，世界上的所有物質都是由各種元素的原子相互之間發生化學反應而得到的。但原子核内的質子和中子對化學反應毫無興趣，真正積極參與的隻是核外的電子。不同原子的電子相互之間之所以能夠發生反應，是因為這樣可以讓它們達到更為穩定的狀态。例如每個氯原子有17個電子，但它還希望再獲得1個電子。相反，每個鈉原子有11個電子，但把最外面那一個電子丢掉反而讓自己更加穩定。因此當一個氯原子和一個鈉原子相遇時，鈉原子非常痛快地把一個電子送給氯原子，而氯原子也就毫不客氣地收下了，皆大歡喜。本來在每個原子中，原子核内帶正電的質子個數總是與核外帶負電的電子個數相同，因此原子并不帶電。可是經過這樣的電子交換，鈉原子的質子比電子多了一個，于是帶上正電變成了鈉離子；而氯原子的質子則比電子少了一個，于是帶上負電變成了氯離子。鈉離子和氯離子在正負電荷的強烈吸引下結合到一起，就形成了我們熟知的氯化鈉。我們可以看到，在這個反應過程中，有電子從鈉原子轉移到了氯原子。

在另外一些反應中，電子的給出與接受并不總這樣一帆風順。例如1個氧原子有8個電子，但如果再獲得2個電子會更穩定；而1個氫原子隻有1個電子，因此氧原子希望從2個氫原子手中各拿來1個電子，但是氫原子并不願意給出自己的電子。于是，氧原子提出了一個折中的方案：氫原子的那個電子仍然歸氫所有，但是氧原子也可以用。既然是共同使用，那麼大家時刻都要在一起，于是2個氫原子和1個氧原子結合成了水分子。不過，雖說是共用，氧原子仍然會把屬于氫原子的那個電子使勁拽到向自己這一側。因此，在這個反應中，我們仍然可以認為電子從氫原子轉移到了氧原子。

雖然有一些例外[2]，但是大部分的化學反應都和剛才提到的這兩個反應一樣，反應的過程伴随着電子從某個原子轉移到另一個原子。銅與硝酸銀的反應也是如此，銅原子傾向于貢獻出自己的電子，而銀離子則願意接受銅給出的電子，因此當它們相遇時，電子從銅移動到了銀，化學反應也就随之發生。但如果不讓銅原子直接把電子交給銀離子，而是先把電子交給第三方，這個第三方再把電子送到銀離子的手上，那麼雙方雖然沒有直接接觸，仍然能達到各自的目的，反應仍然得以進行。在剛才這個小實驗中，導線就充當了這個第三方，保證了電子的傳遞。從這個例子我們可以看到，隻要能夠讓參與化學反應的物質之間以适當的途徑轉移電子，即便它們沒有直接接觸，反應照樣可以進行。

銅與硝酸銀雖然不發生直接接觸，但可以通過導體來轉移電子，因此反應仍然可以進行。

圖中充滿硝酸鉀水溶液的濾紙（或者凝膠）稱為鹽橋(salt bridge)，當金屬銅轉化為帶正電的銅離子時，它像一座橋梁一樣讓帶負電的硝酸根離子移動過來保證整個體系電中性[3]。（cathode:陰極，anode：陽極；voltmeter：電壓表；flow of electrons：電子的流動）

點燃氫氣和氧氣的混合物，我們會看到明亮的火焰；将酸和堿倒在一起，我們會發現溶液變得燙手，這說明許多化學反應的發生伴随着能量的釋放。當參與化學反應的各種物質直接接觸時，能量通常會以光和熱的形式放出，而如果像剛才的例子彼此之間不發生直接接觸，能量就會以電的形式放出。這就是為什麼銅絲變細、銀絲變粗的過程中電壓表的表針會擺動。如果把電壓表換成一隻小燈泡，我們會看到燈泡持續發光。在這個例子中，我們實際上搭建了一個最簡單的電池，利用化學反應來為我們供電。

既然化學反應能産生電，那麼反過來，電能不能促進化學反應的進行呢？當然可以。一個典型的例子是鎳镉電池，電池放電的過程就是化學反應中釋放出的能量轉化成電能。但一塊電池中能容納的化學物質總歸有限，當反應進行完全，一塊電池也就壽終正寝了，鎳镉電池也不例外。構成鎳镉電池的主要材料是羟基氧化鎳與金屬镉。電池使用過程中，電子從镉轉移到羟基氧化鎳，雙方分别變成氫氧化镉和氫氧化鎳。當金屬镉與羟基氧化鎳消耗殆盡，電池也就不能夠再提供電能了。

但是，如果我們讓氫氧化镉和氫氧化鎳分别與電源的負極和正極相連，電路連通後，電源的正極會竭力從氫氧化鎳那裡奪取多餘的電子，而負極又很熱情地把電子送給氫氧化镉。當電壓大到一定程度，之前放電時發生的化學反應掉了個兒，電子不斷地從氫氧化鎳流向氫氧化镉，雙方重新變成金屬镉和羟基氧化鎳。如果我們把外加的電源撤去，新生成的镉和羟基氧化鎳又可以發生化學反應并釋放電能。也就是說，電池又“起死回生”了。

鎳镉電池在放電和充電時發生的化學反應，紅色箭頭表示反應發生時電子的流向

現在，我們把一塊電量放光的鎳镉電池中的氫氧化镉換成另一種叫做三氧化鎢的物質，讓它與電源負極相連。一旦接通電路，我們會發現原本無色的三氧化鎢逐漸變成藍紫色。這個時候如果把電源的正負極調換方向，藍紫色又會逐漸褪去。如果把三氧化鎢換成其他材料，例如某些有機染料[4]，我們也會觀察到随着電路的接通，材料逐漸從無色變成有色，或者從一種顔色變成另一種顔色；而一旦電源撤除或者反向，它們又能回到原先的顔色。由于這樣的顔色變化是在電的作用下産生的，因此被稱為電緻變色。

那麼電緻變色現象為什麼會發生呢？且待下文。

一種具有電緻變色現象的有機染料，施加電壓時變成藍紫色，電壓撤去後則基本為無色(red.和ox.分别表示有機染料發生了還原和氧化反應

參考文獻和注釋：

[2] 例如酸堿中和反應就不涉及電子的轉移

[4] 當然與正極相連的物質也需要随之更換，而不再是氫氧化鎳

[5] Hong Chul Moon, Timothy P. Lodge, and C. Daniel Frisbie, “Solution Processable, Electrochromic Ion Gels for Sub-1 V, Flexible Displays on Plastic”, Chemistry of Materials, 2015, 27, 1420

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