电解的基本原理及应用
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§ 5.5
电Hale Waihona Puke Baidu的基本原理及应用
5.5.1 电解的基本原理 5.5.2 电解的应用
5.5.1 电解的基本原理
1.电解与电解池 使电流通过电解质溶液（或熔融电解 质）而引起的氧化还原反应过程称为电解。 这种能通过氧化还原反应将电能转变为 化学能的装置称为电解池（或电解槽）。 要想使电解池正常工作，必须加一定 的外电压，这时电流才能通过电解液使电解 得以顺利进行。能使电解顺利进行所必需的 电压称为分解电压。
3.极化与超电势
电解池在实际工作 (电极上有产物析出) 时，有一定的电流通过。实际的电极电势(析 出电势)与理论电极电势(平衡电势)有偏差。 这种偏差称电极的极化。把某一电流密度下 的实际析出电势与平衡电势之差的绝对值称 为超电势，用表示。
Eir Er
Eir——不可逆电极电势 Er——可逆电极的电极电势
5.阳极氧化 阳极氧化是将作为阳极的金属本身表面 氧化，形成一层氧化膜的加工过程，又称电 化学氧化。这种氧化膜具有耐蚀、耐磨和耐 热的性能。 应用最广的是铝和铝合金的阳极氧化及 其着色。
阳极(铝或铝合金)反应： 2Al + 6OH – Al 2O3 + 6e- + 3H2O (主) 4OH – 2H2O + 4e - + O2 (次) 阴极(铅板上)反应： 2H + + 2e - = H2 由于Al 2O3 膜是微小孔隙结构，具有吸附 作用，可吸附各种染料，从而使氧化膜能着 上各种颜色。 应用：建筑材料，太阳能集热装置，仪 表外壳，装饰品及工艺品等。
电 解 产 物
电解产物析出的定量规律 Faraday电解定律的数学表达式： 式中 m — 在电极上物质溶解或析出的质量，g； I — 通过电解池的电流，A； t — 电流通过电解池的时间，s； z — 电解中转移电子的物质的量，mol； F — Faraday常数， 96485 C· mol-1 ； M — 分子或原子的摩尔质量
（1） 浓差极化
阳极还原型物质被氧化，电极附近还 原型浓度减小，使阳极电极电势增大； 阴极氧化型物质被还原，电极附近氧 化型浓度减小，使阴极电极电势减小。 这种由浓度差别引起的偏差称浓差极 化。 搅拌和升高温度可减少或消除浓差极 化。
（2） 电化学极化 由于电极反应过程中某一步骤迟缓而引 起电极电势偏离平衡电势的现象。 以H+放电为例： 扩散 1、H+(本体溶液) — H+(电极表面） 2、H+( 电极表面)+e- — H(吸附在电极表面) 3、2H — H2 (吸附在电极上的氢分子) 4、H2 — H2(g)(形成氢气离开电极表面) 第三步是最慢的一步，具有较高的活化能， 因此，需要消耗更多的能量。
MIt m zF
5.5.2 电解的应用
1. 电镀 电镀是将一种金属镀到另一种金属表面 上的过程。电镀的目的是提高金属的耐蚀性、 耐磨性、装饰性、强度、硬度等。 被镀工件为阴极，欲镀的金属为阳极， 含有阳极金属离子的溶液为电解液。 电镀时阳极金属不断溶解，而阴极工件 的表面不断沉积上要镀的金属。
2. 电抛光 电抛光是专门用于提高工件表面光洁度 的一种电加工方法。电抛光时，被抛光的工 件作阳极，常用铅、石墨作阴极，由于工件 表面粗糙，通电后表面凸起部分液膜薄，电 流密度大，溶解速率大，而凹入部分液膜厚， 电流密度小，溶解速率小。经过一段时间， 凸起部分溶解，使工件表面达到平滑光亮， 即表面光洁度大大提高。
1 阴极： 2H 1.0mol L 2e H2 100kPa
E
H /H 0.00V
2
电解总反应为：
1 H 2 Ol H 2 g O 2 g 2
要想使电解反应顺利进行，需施加 ≥1.23V的外电压， 1.23V为理论分解电压。 记作： E理分 。 使电解反应得以顺利进行的最低电压称 实际分解电压，用E实分表示。 实验证明：E实分 > E理分
电极
反应物
阴 极 (还原)
阳 极 (氧化) 金属或负离子 (1)除Pt、Au、Cr外， 金属做阳极时，金属 失电子发生溶解； (2)简单负离子如Cl-、 Br-、I-、S2-等离子被 氧化得到相应单质； (3)复杂负离子时不能 被氧化，而是OH-被 氧化为O2。
金属离子或H+离子
(1)电极电势位于Al 后的金属离子先被 还原，析出相应金 属； (2)电极电势于Al前 包括Al的金属离子 不能被还原，而是 H+离被还原为H2。
电极极化存在以下规律： 阳极电极电势升高，阴极电极电势降低； E阳,ir= E阳,r+η阳， E阴,ir= E阴,r-η阴。
影响电极超电势的因素： 1. 电解产物不同，超电势不同。金属超电 势较小，气体超电势较大,尤其O2和H2 ； 2.电极材料不同，超电势不同；电极材料 相同，而材料表面不同，超电势也不同； 3.电流密度大，超电势大； 4. 温度越高，超电势越小。
阳极：与电源正极相连，发生氧化反应； 阴极：与电源负极相连，发生还原反应。
2.分解电压 设电解 c(H+)= 1.0 molL-1 水溶液， 阳极： 1 1 H 2 O 2H 1.0mol L O 2 100kPa 2e 2 E O2 /H2O 1.23V
3. 电解加工
电解加工是利用金属做阳极在电解液中 溶解的原理，将工件加工成需要的形状。 如图，阳极为工件，阴极为模具(工具)， 两极间隙为0.1~1 mm,电解液从间 隙高速通过。 工具 阴极 阴极
阳极 加工前
工件
阳极 加工后
4. 金属的电解精炼 金属精炼是指获取高纯度金属的一种生 产工艺。 例如，精炼铜： 阳极（粗铜） Cu Cu2+ +2e – 阴极（纯铜） Cu2+ + 2e– Cu 可得99.98的纯铜。
4.电解产物的判断
阳极发生氧化反应，在阳极上先被氧化 的是E阳,ir代数值小的还原型物质； 阴极发生还原反应，在阴极上先被还原 的是E阴,ir代数值大的氧化型物质。 影响 Eir 的主要因素有： 1. 放电离子的标准电极电势 2. 离子浓度 3. 电解产物在电极上的超电势。
盐类水溶液电解产物的一般规律
电Hale Waihona Puke Baidu的基本原理及应用
5.5.1 电解的基本原理 5.5.2 电解的应用
5.5.1 电解的基本原理
1.电解与电解池 使电流通过电解质溶液（或熔融电解 质）而引起的氧化还原反应过程称为电解。 这种能通过氧化还原反应将电能转变为 化学能的装置称为电解池（或电解槽）。 要想使电解池正常工作，必须加一定 的外电压，这时电流才能通过电解液使电解 得以顺利进行。能使电解顺利进行所必需的 电压称为分解电压。
3.极化与超电势
电解池在实际工作 (电极上有产物析出) 时，有一定的电流通过。实际的电极电势(析 出电势)与理论电极电势(平衡电势)有偏差。 这种偏差称电极的极化。把某一电流密度下 的实际析出电势与平衡电势之差的绝对值称 为超电势，用表示。
Eir Er
Eir——不可逆电极电势 Er——可逆电极的电极电势
5.阳极氧化 阳极氧化是将作为阳极的金属本身表面 氧化，形成一层氧化膜的加工过程，又称电 化学氧化。这种氧化膜具有耐蚀、耐磨和耐 热的性能。 应用最广的是铝和铝合金的阳极氧化及 其着色。
阳极(铝或铝合金)反应： 2Al + 6OH – Al 2O3 + 6e- + 3H2O (主) 4OH – 2H2O + 4e - + O2 (次) 阴极(铅板上)反应： 2H + + 2e - = H2 由于Al 2O3 膜是微小孔隙结构，具有吸附 作用，可吸附各种染料，从而使氧化膜能着 上各种颜色。 应用：建筑材料，太阳能集热装置，仪 表外壳，装饰品及工艺品等。
电 解 产 物
电解产物析出的定量规律 Faraday电解定律的数学表达式： 式中 m — 在电极上物质溶解或析出的质量，g； I — 通过电解池的电流，A； t — 电流通过电解池的时间，s； z — 电解中转移电子的物质的量，mol； F — Faraday常数， 96485 C· mol-1 ； M — 分子或原子的摩尔质量
（1） 浓差极化
阳极还原型物质被氧化，电极附近还 原型浓度减小，使阳极电极电势增大； 阴极氧化型物质被还原，电极附近氧 化型浓度减小，使阴极电极电势减小。 这种由浓度差别引起的偏差称浓差极 化。 搅拌和升高温度可减少或消除浓差极 化。
（2） 电化学极化 由于电极反应过程中某一步骤迟缓而引 起电极电势偏离平衡电势的现象。 以H+放电为例： 扩散 1、H+(本体溶液) — H+(电极表面） 2、H+( 电极表面)+e- — H(吸附在电极表面) 3、2H — H2 (吸附在电极上的氢分子) 4、H2 — H2(g)(形成氢气离开电极表面) 第三步是最慢的一步，具有较高的活化能， 因此，需要消耗更多的能量。
MIt m zF
5.5.2 电解的应用
1. 电镀 电镀是将一种金属镀到另一种金属表面 上的过程。电镀的目的是提高金属的耐蚀性、 耐磨性、装饰性、强度、硬度等。 被镀工件为阴极，欲镀的金属为阳极， 含有阳极金属离子的溶液为电解液。 电镀时阳极金属不断溶解，而阴极工件 的表面不断沉积上要镀的金属。
2. 电抛光 电抛光是专门用于提高工件表面光洁度 的一种电加工方法。电抛光时，被抛光的工 件作阳极，常用铅、石墨作阴极，由于工件 表面粗糙，通电后表面凸起部分液膜薄，电 流密度大，溶解速率大，而凹入部分液膜厚， 电流密度小，溶解速率小。经过一段时间， 凸起部分溶解，使工件表面达到平滑光亮， 即表面光洁度大大提高。
1 阴极： 2H 1.0mol L 2e H2 100kPa
E
H /H 0.00V
2
电解总反应为：
1 H 2 Ol H 2 g O 2 g 2
要想使电解反应顺利进行，需施加 ≥1.23V的外电压， 1.23V为理论分解电压。 记作： E理分 。 使电解反应得以顺利进行的最低电压称 实际分解电压，用E实分表示。 实验证明：E实分 > E理分
电极
反应物
阴 极 (还原)
阳 极 (氧化) 金属或负离子 (1)除Pt、Au、Cr外， 金属做阳极时，金属 失电子发生溶解； (2)简单负离子如Cl-、 Br-、I-、S2-等离子被 氧化得到相应单质； (3)复杂负离子时不能 被氧化，而是OH-被 氧化为O2。
金属离子或H+离子
(1)电极电势位于Al 后的金属离子先被 还原，析出相应金 属； (2)电极电势于Al前 包括Al的金属离子 不能被还原，而是 H+离被还原为H2。
电极极化存在以下规律： 阳极电极电势升高，阴极电极电势降低； E阳,ir= E阳,r+η阳， E阴,ir= E阴,r-η阴。
影响电极超电势的因素： 1. 电解产物不同，超电势不同。金属超电 势较小，气体超电势较大,尤其O2和H2 ； 2.电极材料不同，超电势不同；电极材料 相同，而材料表面不同，超电势也不同； 3.电流密度大，超电势大； 4. 温度越高，超电势越小。
阳极：与电源正极相连，发生氧化反应； 阴极：与电源负极相连，发生还原反应。
2.分解电压 设电解 c(H+)= 1.0 molL-1 水溶液， 阳极： 1 1 H 2 O 2H 1.0mol L O 2 100kPa 2e 2 E O2 /H2O 1.23V
3. 电解加工
电解加工是利用金属做阳极在电解液中 溶解的原理，将工件加工成需要的形状。 如图，阳极为工件，阴极为模具(工具)， 两极间隙为0.1~1 mm,电解液从间 隙高速通过。 工具 阴极 阴极
阳极 加工前
工件
阳极 加工后
4. 金属的电解精炼 金属精炼是指获取高纯度金属的一种生 产工艺。 例如，精炼铜： 阳极（粗铜） Cu Cu2+ +2e – 阴极（纯铜） Cu2+ + 2e– Cu 可得99.98的纯铜。
4.电解产物的判断
阳极发生氧化反应，在阳极上先被氧化 的是E阳,ir代数值小的还原型物质； 阴极发生还原反应，在阴极上先被还原 的是E阴,ir代数值大的氧化型物质。 影响 Eir 的主要因素有： 1. 放电离子的标准电极电势 2. 离子浓度 3. 电解产物在电极上的超电势。
盐类水溶液电解产物的一般规律