电解的基本原理及应用
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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。
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.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
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
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。
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
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。
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
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。
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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。
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
§ 5.5
电解的基本原理及应用
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。
(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。