电解及其应用课件.pptx

1、13.4 电解及其应用电解及其应用 3.4.1 电解的基本原理电解的基本原理 3.4.2 分解电压分解电压 3.4.3 超电压超电压 3.4.4 电解产物的判断电解产物的判断 3.4.5 电解原理在工程实际中的应用电解原理在工程实际中的应用 23.4.1 电解的基本原理电解的基本原理 电解装置电解装置水溶液水溶液+-阳极阳极阴极阴极电电 解解 池池直流电源直流电源M+X-3 借助于外加直流电源使氧化还原反应得以借助于外加直流电源使氧化还原反应得以实现的过程称为实现的过程称为电解电解(electrolysis)。进行电。进行电解的装置称解的装置称电解池电解池(electrolytic cell)

2、。电解过程电解过程是将电能转变成化学能。是将电能转变成化学能。在电解池内，阳极在电解池内，阳极(anode)与电源正极相与电源正极相连，发生氧化反应；阴极连，发生氧化反应；阴极(cathode)与电源负极与电源负极相连，发生还原反应。相连，发生还原反应。4如电解如电解CuCl2溶溶液：液：阳极反应阳极反应 ：2Cl =Cl2+2e-氧化反应氧化反应 阴极反应阴极反应 ：Cu2+2e-=Cu 还原反应还原反应 正负离子在电极上得失电子的过程称正负离子在电极上得失电子的过程称 放电放电(discharge)。正负离子在电极上得失电正负离子在电极上得失电子是同时进行的。子是同时进行的。5原电池和电解

3、池比较：原电池和电解池比较：1.原电池是把化学能转成电能的装置；原电池是把化学能转成电能的装置；电解池是把电能转成化学能的装置。电解池是把电能转成化学能的装置。2.氧化反应氧化反应:负极负极(原电池原电池)阳极阳极(电解池电解池)还原反应还原反应:正极正极(原电池原电池)阴极阴极(电解池电解池)3.原电池电子流方向从负极流向正极，原电池电子流方向从负极流向正极，电解池电子流方向：从阳极经电源流向阴电解池电子流方向：从阳极经电源流向阴 极。极。63.4.2 分解电压分解电压AVNaOHPt伏特计电流计R分解电压测定图分解电压测定图电流密度电流密度电压7NaOH溶液溶液+-阳极阳极 e-阴极阴极e

4、-O2H2正极正极负极负极e-e-电电 解解 池池直流电源直流电源8以以Pt为电极电解为电极电解0.1 moldm3 NaOH溶液为例溶液为例 阳极反应：阳极反应：4OH =O2+2H2O+4e-阴极反应：阴极反应：2H+2e-=H2 两极产物两极产物O2和和H2分别吸附在分别吸附在Pt电极上，电极上，组成了氢组成了氢-氧原电池，该原电池的电子流方向氧原电池，该原电池的电子流方向正好与外加电源的电子流方向相反，即形成正好与外加电源的电子流方向相反，即形成了一个与外加电压相反的电动势，称了一个与外加电压相反的电动势，称反向电反向电动势动势(back electromotive force)。9

5、形成的形成的氢氢-氧原电池氧原电池正极反应：正极反应：O2+2H2O+4e-=4OH 负极反应：负极反应：H2 =2H+2e-电动势电动势:E=E(+)-E(-)已知：已知：E(O2/OH)=0.4009V (pO2=100kPa)E(+)=E(O2/OH)=0.4009V+lg =0.46V0.0592V41(0.1)410 E (H+/H2)=0 V (pH2=100kPa)E()=E(H+/H2)=0+lg(1013)2=0.77 V E=E(+)E()=0.46V(0.77V)=1.23 V 0.0592V211 理论计算的反向电动势称理论计算的反向电动势称理论分解电压理论分解电压(t

6、heory decomposition voltage)，用用E理分理分表示。表示。使电解反应得以顺利进行的最低电压称使电解反应得以顺利进行的最低电压称实际分解电压实际分解电压(actual decomposition voltage)，用用E实实分分表示。表示。实验实验证明：证明：E实分实分 E理分理分12E理分理分和和E实实分分的计算的计算：E理分理分=E阳阳 理理 E阴阴 理理E实实分分=E阳阳 实实 E阴阴 实实13 3.4.3 超电压超电压由由 E实分实分 E理分理分 可知：可知：在阴阳极上析出在阴阳极上析出产物时，实际的电极电势产物时，实际的电极电势(或称析出电势或称析出电势)与与

7、理论电极电势理论电极电势(或称平衡电势或称平衡电势)有偏差。这种有偏差。这种偏差称偏差称电极的极化电极的极化(polarization)。把某一电把某一电流密度下的实际析出电势与平衡电势之差的流密度下的实际析出电势与平衡电势之差的绝对值称为绝对值称为超电势超电势(over potential),用用 表示表示。1.浓差极化浓差极化 2.电化学极化电化学极化14 1.浓差极化浓差极化 阳极还原态放电被氧化，电极附近还原态阳极还原态放电被氧化，电极附近还原态浓度减小，使阳极电极电势增大；浓度减小，使阳极电极电势增大；阴极氧化态放电被还原，电极附近氧化态阴极氧化态放电被还原，电极附近氧化态浓度减小，

8、使阴极电极电势减小。浓度减小，使阴极电极电势减小。两极极化的结果使分解电压增加。两极极化的结果使分解电压增加。这种由浓度差别引起的偏差称这种由浓度差别引起的偏差称浓差极化浓差极化。搅拌和升高温度可减少或消除浓差极化搅拌和升高温度可减少或消除浓差极化。152.电化学极化电化学极化 电化学极化电化学极化是由于电极反应过程中某一步是由于电极反应过程中某一步骤骤(如离子的放电、离子结合为分子、气泡的如离子的放电、离子结合为分子、气泡的形成等形成等)迟缓而引起迟缓而引起电极电势偏离平衡电势的电极电势偏离平衡电势的现象。现象。16以以H+放电为例：放电为例：1、H+(本体溶液本体溶液)H+(电极表面电极表

9、面)2、H+(电极表面电极表面)+e-H(吸附在电极表面吸附在电极表面)3、2H H2(吸附在电极上的氢分子吸附在电极上的氢分子)4、H2 H2(g)(形成氢气离开电极表面形成氢气离开电极表面)第第 三步三步 是最慢的一步，具有较高的活化是最慢的一步，具有较高的活化能，因此能，因此,需要消耗更多的能量。需要消耗更多的能量。扩散扩散17极化的结果：极化的结果：E阳实阳实 =E阳理阳理 +阳阳 (1)E阴实阴实 =E阴理阴理 -阴阴 (2)两电极的超电势之和称两电极的超电势之和称电解池的超电压电解池的超电压E超超 (over voltage)。即即 E超超 =阳阳 +阴阴 (3)(1)-(2)得到

10、得到 E实分实分=E理分理分+阳阳+阴阴 即即 E实分实分=E理分理分+E超超 18电势电势 电势电势 E正理正理 E阳实阳实 E正实正实 阳阳 E阳理阳理 E负实负实 E理分理分 E阴理阴理 E负理负理 阴阴 E阴实阴实 电流电流 电流电流 原电池的极化曲线原电池的极化曲线 电解池的极化曲线电解池的极化曲线 19影响电极超电势的因素：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，气体超电势较大势较小，气体超电势较大,尤其尤其O2和和H2 ；2.电极电极材料不同，超电势不同；电极材料材料不同，超电势不同；电极材料相同，而材料表面不同，超电

11、势也不同；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；电流密度大，超电势大；4.温度越高，超电势越小。温度越高，超电势越小。20例题例题:298K下，将下，将Ag插在插在0.1mol dm-3 AgNO3 溶液中，溶液中，Cu插在插在1.0 mol dm-3 CuSO4溶液中，组成原电池。溶液中，组成原电池。(1)写出原电池符号；写出原电池符号；(2)计算原电池电动势计算原电池电动势E；(3)用此原电池做电源，电解用此原电池做电源，电解0.01 mol dm-3 的的NaOH溶液，溶液，Pt为电极，计算说明有无为电极，计算说明有无 H2或或O2生成？生成？所需数据自行查表。所

12、需数据自行查表。(H2在在Pt上的超电势为上的超电势为 0.09V,O2在在Pt上的超电上的超电势为势为 0.45V)21 解解:(1)()Cu|Cu 2+(1.0 mol dm-3)Ag+(0.1 mol dm-3)|Ag(+)(2)正极：正极：E(Ag+/Ag)=E(Ag+/Ag)+0.0592V lg(0.1/1)=0.7991V-0.0592V =0.7399V原电池电动势：原电池电动势：E=E(+)-E(-)=0.7399V-0.339V=0.4009 V 负极负极：E(Cu2+/Cu)=0.339 V22 (3)计算分解电压：计算分解电压：E(H+/H2)=0 V+0.0592 V

13、 lg(10-12/1)=-0.7104VE(O2/OH-)=0.4009V+lg1/(10-2)4 =0.5193 V 理论分解电压：理论分解电压：E理分理分=E阳理阳理-E阴理阴理=E(O2/OH-)E(H+/H2)=0.5193V-(-0.7104)V=1.23V0.0592 V423 实际分解电压：实际分解电压：E实分实分=E理分理分+E超超 =1.23+0.45+0.09 =1.77V 因为原电池电动势为因为原电池电动势为 0.4009 V，小于实，小于实际分解电压际分解电压1.77V，故，故不能用作电解电源不能用作电解电源。24 3.4.4 电解产物的判断电解产物的判断 对熔融液，

14、电解时只有组成电解质的正、对熔融液，电解时只有组成电解质的正、负离子分别在两极上放电。负离子分别在两极上放电。对水溶液，除了有电解质的正、负离子对水溶液，除了有电解质的正、负离子外，还有水中的外，还有水中的OH 和和 H+离子离子，因此电解，因此电解时，电极上究竟哪种离子放电呢？时，电极上究竟哪种离子放电呢？25 主要影响因素有：主要影响因素有：1.放电离子的标准电极电势放电离子的标准电极电势 2.离子浓度离子浓度 3.电解产物在电极上的超电势。电解产物在电极上的超电势。综合三者后，在综合三者后，在阳极上放电的是析出阳极上放电的是析出电势代数值小的还原态物质；在阴极放电的电势代数值小的还原态物

15、质；在阴极放电的是析出电势代数值大的氧化态物质。是析出电势代数值大的氧化态物质。26盐类水溶液电解产物的一般规律盐类水溶液电解产物的一般规律电极电极阴阴 极极(还原还原)阳阳 极极(氧化氧化)反应物质反应物质金属离子或金属离子或H+离子离子 金属或负离子金属或负离子 1.电动序位于电动序位于Al后后的金属离子放电，析出的金属离子放电，析出相应金属相应金属;2.电动序位于电动序位于Al前前包括包括Al的金属离子不的金属离子不能放电能放电,放电的是放电的是H+离离子子,得到得到H2。1.除除Pt、Au、Cr外，外，金属做阳极时，金属失电金属做阳极时，金属失电子发生溶解；子发生溶解；2.简单负离子如

16、简单负离子如Cl-、Br-、I-、S2-等离子放电得等离子放电得到相应单质；到相应单质；3.复杂负离子时不能放复杂负离子时不能放电电,是是OH-放电放电,得到得到O2。电电 解解 产产 物物27用石墨做电极电解用石墨做电极电解CuCl2溶液溶液阳极有：阳极有：OH、Cl E(O2/OH)c(OH)有有利于利于Cl-放电放电 Cl2 E(H+/H2)c(Cu2+)c(H+)H2 Cu 三三者均者均有利于有利于Cu2+放放电电 阴极反应式：阴极反应式：Cu2+2e-=Cu 28用石墨做电极电解用石墨做电极电解Na2SO4溶液溶液 阴极：阴极：H+、Na+考虑三种因素后考虑三种因素后 阴极反应式：阴

17、极反应式：2H+2e-=H2结论：电解含氧酸盐，一般来说，电解结论：电解含氧酸盐，一般来说，电解 的是的是H2O。阳极：阳极：OH-、SO42-考虑三种因素后考虑三种因素后 阳极反应式：阳极反应式：4OH-=2H2O+O2+4e-29用金属镍做电极电解用金属镍做电极电解NiSO4溶液溶液 阳极：阳极：Ni、OH-、SO42-考虑三种因素后考虑三种因素后 阳极反应式：阳极反应式：Ni=Ni2+2e-阴极阴极:Ni2+、H+考虑三种因素后考虑三种因素后 阴极反应式：阴极反应式：Ni2+2e-=Ni结论：阳极为金属时，一般阳极溶解。结论：阳极为金属时，一般阳极溶解。301.制取强氧化剂和强还原剂制取

18、强氧化剂和强还原剂强氧化剂如强氧化剂如F2、KMnO4、H2O2等和强还等和强还原剂如金属锂、钠、钾、镁、铝等都是通过原剂如金属锂、钠、钾、镁、铝等都是通过电解的方法制取的。电解的方法制取的。2.金属精炼金属精炼 金属精炼是指获取高纯度金属的一种生金属精炼是指获取高纯度金属的一种生产工艺。如精炼铜：产工艺。如精炼铜：阳极（粗铜）阳极（粗铜）Cu =Cu2+2e 阴极（纯铜）阴极（纯铜）Cu2+2e=Cu可得可得99.98的纯铜的纯铜 3.4.5 电解原理在工程实际中的应用电解原理在工程实际中的应用31 3.电镀电镀 电镀电镀(electroplate)是将一种金属镀到是将一种金属镀到另一种金属

19、表面上的过程。电镀的目的是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提高金属的耐蚀性、耐磨性、装饰性、强、耐磨性、装饰性、强度、硬度等。度、硬度等。被镀工件为阴极，欲镀的金属为阳极，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。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。件的表面不断沉积上要镀的金属。32电镀生产线电镀生产线33 电镀产品电镀产品34 4.电铸电铸电铸电铸(electroform)与电镀原理类似，电与电镀原理类似，电铸是为了获得表面复杂且无法机械加工的工铸是为了获得表

20、面复杂且无法机械加工的工件，如复制模具、铸造唱片模、塑料模、工件，如复制模具、铸造唱片模、塑料模、工艺品等。艺品等。电铸层比电镀层厚得多，通常电镀层电铸层比电镀层厚得多，通常电镀层厚度为微米级，电铸层则以毫米级计。具有厚度为微米级，电铸层则以毫米级计。具有一定的强度。一定的强度。35 5.电抛光电抛光电抛光电抛光(electrolytic polishing)是专门用是专门用于提高工件表面光洁度的一种电加工方法。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，通电铅、石墨作阴极，由于工件表面粗糙，通电后

21、表面凸起部分液膜薄，电流密度大，溶解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，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，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，即表面光洁度大使工件表面达到平滑光亮，即表面光洁度大大提高。大提高。36 如钢铁工件抛光如钢铁工件抛光 电解液由电解液由H2SO4 、H3PO4、CrO3等等组成组成(阳极工件阳极工件)：Fe 2e-=Fe2+6Fe2+Cr2O72+14H+=6Fe3+2Cr3+7H2OFe2(HPO4)3 、Fe2(SO4)3 浓度大时，在金属浓度大时，在金

22、属表面形成液膜表面形成液膜(阴极铅板阴极铅板)：2H+2e-=H2 Cr2O72+14H+6e-=2Cr3+7H2O 使工件表面凹凸部分得以平滑。使工件表面凹凸部分得以平滑。37 6.电解加工电解加工 电解加工电解加工(electrolysis proceeding)是利用金是利用金属做阳极在电解液中溶解的原理，将工件加工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。成需要的形状。如图，阳极为工件，阴极为模具如图，阳极为工件，阴极为模具(工具工具)，两极间隙为两极间隙为0.11mm,电解液从间电解液从间隙高速通过。隙高速通过。阴极阴极阴极阴极阳极阳极阳极阳极工具工具工件工件加工前加工前

23、加工后加工后加工不锈钢过滤网、筛网，网眼细小，均匀。加工不锈钢过滤网、筛网，网眼细小，均匀。38 7.阳极氧化阳极氧化 阳极氧化阳极氧化(anode oxidation)是将作为阳极是将作为阳极的金属本身表面氧化，形成一层氧化膜的加的金属本身表面氧化，形成一层氧化膜的加工过程，又称工过程，又称电化学氧化电化学氧化。这种氧化膜具有。这种氧化膜具有耐蚀、耐磨和耐热的性能。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应用最广的是铝和铝合金的阳极氧化及其着色。其着色。39 阳极阳极(铝或铝合金铝或铝合金)反应：反应：2Al+6OH =Al 2O3+6e-+3H2O(主主)4OH =2H2O+4e-+O2 (次次)阴极阴极(铅板上铅板上)反应：反应：2H+2e-=H2 由于由于Al 2O3 膜膜是微小孔隙结构，具有吸附是微小孔隙结构，具有吸附作用，可吸附各种染料，从而使氧化膜能着作用，可吸附各种染料，从而使氧化膜能着上各种颜色。上各种颜色。应用：建筑材料，太阳能集热装置，仪表外应用：建筑材料，太阳能集热装置，仪表外壳，装饰品及工艺品等。壳，装饰品及工艺品等。