高中化学电解与电镀素材选修讲解

5.2 电解与电镀

电解

electrolysis

定义：在电解槽中，直流电通过电极和电解质，在两者接触的界面上发生电化学反应，

以制备所需产品的过程。

电解（Electrolysis）是将电流通过电解质溶液或熔融态物质,（又称电解液），在阴

极和阳极上引起氧化还原反应的过程，电化学电池在外加电压时可发生电解过程。

电解

概念

电流通过物质而引起化学变化的过程。

化学变化是物质失去或获得电子(氧化或还原)的过程。

电解过程是在电解池中进行的。

电解池是由分别浸没在含有正、负离子的溶液中的阴、阳两个电极构成。

电流流进负电极(阴极)，溶液中带正电荷的正离子迁移到阴极，并与电子结合，变成中性的元素或分子；带负电荷的负离子迁移到另一电极(阳极)，给出电子，变成中性元素或分子。

简介

将直流电通过电解质溶液或熔体，使电解质在电极上发生化学反应，以制备所需产品的反应过程。电解过程必须具备电解质、电解槽、直流电供给系统、分析控制系统和对产品的分离回

电解

收装置。电解过程应当尽可能采用较低成本的原料，提高反应的选择性，减少副产物的生成，缩短生产工序，便于产品的回收和净化。电解过程已广泛用于有色金属冶炼、氯碱和无机盐生产以及有机化学工业。

1807年，英国科学家H.戴维将熔融苛性碱进行电解制取钾、钠，从而为获得高纯度物质开拓了新的领域。1833年，英国物理学家M.法拉第提出了电化学当量定律（即法拉第第一、第二定律）。1886年美国工业化学家C.M.霍尔电解制铝成功。1890年，第一个电解氯化钾制取氯气的工厂在德国投产。1893年，开始使用隔膜电解法，用食盐溶液制烧碱。1897年，水银电解法制烧碱实现工业化。至此，电解法成为化学工业和冶金工业中的一种重要生产方法。1937年，阿特拉斯化学工业公司实现了用电解法由葡萄糖生产山梨醇及甘露糖醇的工业化，这是第一个大规模用电解法生产有机化学品的过程。1969年又开发了由丙烯腈电解二聚生产己二腈的工艺。

电解原理介绍

电解原理

电解质中的离子常处于无秩序的运动中，通直流电后,离子作定向运动（图1）。

阳离子向阴极移动，在阴极得到电子，被还原；

阴离子向阳极移动，在阳极失去电子，被氧化。

在水电解过程中，OH在阳极失去电子,被氧化成氧气放出；H在阴极得到电子，被还原成氢气放出。所得到的氧气和氢气，即为水电解过程的产品。电解时，在电极上析出的产物与电解质溶液之间形成电池，其电动势在数值上等于电解质的理论电解电压。此理论电解电压可由能斯特方程计算：

电解原理

式中E0为标准电极电位（R为气体常数，等于8.314J/(K·mol)；T为温度(K)；n为电极反应中得失电子数；F为法拉第常数，等于96500C/mol；α1、α2分别为还原态和氧化态物质的活度。整个电解过程的理论电解电压为两个电极理论电解电压之差。

在水溶液电解时，究竟是电解质电离的正负离子还是水电离的H和OH离子在电极上放电,需视在该电解条件下的实际电解电压的高低而定。实际电解电压为理论电解电压与超电压之和。影响超电压的因素很多，有电极材料和电极间距、电解液温度、浓度、pH等。例如：在氯碱生产过程中,浓的食盐水溶液用碳电极电解时,阴极上放出氢气，同时产生氢氧化钠，阳极放出氯气；稀的食盐水溶液电解时，阴极放出氢气，同时产生氢氧化钠，阳极放出氧气，同时产生盐酸。

电解原理分析

（以cucl2为例）

CuCl2是强电解质且易溶于水，在水溶液中电离生成Cu2+和Cl－。

CuCl2=Cu2++2Cl－

电解

通电前，Cu2+和Cl－在水里自由地移动着；通电后，这些自由移动着的离子，在电场作用下，改作定向移动。溶液中带正电的Cu2+向阴极移动，带负电的氯离子向阳极移动。在阴极，铜离子获得电子而还原成铜原子覆盖在阴极上；在阳极，氯离子失去电子而被氧化成氯原子，并两两结合成氯分子，从阳极放出。

阴极：Cu2++2e－=Cu

阳极：2Cl－－2e－= Cl2↑

电解CuCl2溶液的化学反应方程式：CuCl2=Cu+Cl2↑(电解）

电解质概念

英文：Electrolyte

电解质是指在水溶液中或熔融状态下能够导电的化合物。例如酸、碱和盐等。凡在上述情况下不能导电的化合物叫非电解质，例如蔗糖、酒精等。

（单质，混合物不管在水溶液中或熔融状态下能够导电与否，都不是电解质。）

电解质水溶液电解反应的综合分析

在上面叙述氯化铜电解的过程中，没有提到溶液里的H+和OH－，其实H+和OH－虽少，但的确是存在的，只是他们没有参加电极反应。也就是说在氯化铜溶液中，除Cu2+和Cl－外，还有H+和OH－，电解时，移向阴极的离子有Cu2+和H+，因为在这样的实验条件下Cu2+比H+容易得到电子，所以Cu2+在阴极上得到电子析出金属铜。移向阳极的离子有OH－和Cl－，因为在这样的实验条件下，Cl－比OH－更容易失去电子，所以Cl－在阳极上失去电子，生成氯气。

说明

①阳离子得到电子或阴离子失去电子而使离子所带电荷数目降低的过程又叫做

放电。

②用石墨、金、铂等还原性很弱的材料制做的电极叫做惰性电极，理由是它们在一般的通电条件下不发生化学反应。用铁、锌、铜、银等还原性较强的材料制做的电极又叫做活性电极，它们做电解池的阳极时，先于其他物质发生氧化反应。

③在一般的电解条件下，水溶液中含有多种阳离子时，它们在阴极上放电的先后顺序是：Ag+>Hg2+>Fe3+>Cu2+>H+>Pb2+>Sn2+>Fe2+>Zn2+>Al3+>Mg2+>Na+>Ca2+>K+；水溶液中含有多种阴离子时，它们的惰性阳极上放电的先后顺序是：

S2->I->Br->Cl->OH->含氧酸根n->F-。

分析惰性电极电解反应的一般方法步骤：

①分析电解质水溶液的组成，找全离子并分为阴、阳两组；

②分别对阴、阳离子排出放电顺序，写出两极上的电极反应式；

③合并两个电极反应式得出电解反应的总化学方程式或离子方程式。

类型

电解方式按电解质状态可分为水溶液电解和熔融盐电解两大类。

①水溶液电解：主要有电解水制取氢气和氧气；电解氯化钠（钾）水溶液制氢

氧化钠(钾)和氯气、氢气；电解氧化法制各种氧化剂，如过氧化氢、氯

酸盐、高氯酸盐、高锰酸盐、过硫酸盐等；

电解还原法如丙烯腈电解制己二腈；

湿法电解制金属如锌、镉、铬、锰、镍、钴等；湿法电解精制金属如铜、

银、金、铂等。