最后更新: 2025-10-28 22:12 查看: 77 次纠错评论(0) 课件开VIP

电解池

原电池装置通过自发进行的氧化还原反应实现化学能转化为电能。在人类生产、生活中，有些物质常常需要通过电解反应实现电能转化为化学能。在本节中，我们将介绍电解原理及其在材料加工、化学品生产以及金属表面处理等方面的应用。

## 电解池的工作原理
**实验 电解 $\mathrm{CuCl}_2$ 溶液**
在 U 形管中注入 $0.4 \mathrm{~mol} \cdot \mathrm{~L}^{-1} \mathrm{CuCl}_2$ 溶液，分别插入两根石墨棒电极，按图4．11和图4．12所示连接直流电源，接通电源。用注射器收集产生的气体，并通入盛有淀粉碘化钾溶液的试管中，观察实验现象并做好记录。

![图片](/uploads/2025-10/e29612.jpg)
 
 在外加直流电的作用下，电解质在两个电极上分别发生氧化反应和还原反应的过程叫做电解。在电解过程中，将电能转化为化学能的装置，称为电解池或电解槽。习惯上将电极称为阴极和阳极。在电解池中，与电源负极相连的电极是阴极，阴极上发生的是还原反应；与电源正极相连的电极是阳极，阳极上发生的是氧化反应。上述实验中，通直流电后，阴极石墨棒上覆盖了一层红色的铜，阳极石墨棒上有气泡析出，该气体有刺激性气味且能使淀粉碘化钾溶液变蓝色，可以认为产生了 $\mathrm{Cl}_2$ 。因此， $\mathrm{CuCl}_2$ 溶液电解生成了金属铜和 $\mathrm{Cl}_2$ 。

理论上， $\mathrm{Cu}^{2+}$ 和水电离产生的 $\mathrm{H}^{+}$都有可能在阴极上被还原，但 $\mathrm{Cu}^{2+}$ 比 $\mathrm{H}^{+}$更易得到电子而发生还原反应生成铜。

阴极： $\mathrm{Cu}^{2+}+2 \mathrm{e}^{-}=\mathrm{Cu}$
而在阳极上， $\mathrm{Cl}^{-}$和水电离产生的 $\mathrm{OH}^{-}$都有可能被氧化，但 $\mathrm{Cl}^{-}$更易失去电子而发生氧化反应生成 $\mathrm{Cl}_2$ 。

阳极： $2 \mathrm{Cl}^{-}-2 \mathrm{e}^{-}=\mathrm{Cl}_2$

电解时，电子从电源的负极沿导线流人电解池的阴极，经过正、负离子的定向迁移和反应，再从电解池的阳极流出，沿导线流回电源的正极。
$\mathrm{CuCl}_2$ 溶液电解反应总的化学方程式为：

$$
\mathrm{CuCl}_2 \xlongequal{\text { 通直流电 }} \mathrm{Cu}+\mathrm{Cl}_2 \uparrow
$$

电解不仅可以在溶液中进行，还可以在熔融电解质中进行。

#### 电化学
电化学是有关电与化学变化之间内在联系的一个化学分支学科，主要涉及相界面（固—液，液—液，固—固，气—固，气—液—固，大多数情况为电极—溶液界面）电子转移的研究。电和化学反应之间的相互作用可通过电池来完成，因此电化学往往被称为＂电池的科学＂。

如今电化学已形成了合成电化学、量子电化学、半导体电化学、有机导体电化学、光谱电化学、生物电化学等多个分支，在化工、冶金、机械、电子、航空、航天、轻工、仪表、医学、材料、能源、金属腐蚀与防护、环境科学等领域获得了广泛的应用，内容包括材料保护、物质分离、化学分析、工业生产和能源储存等。当前世界上重点关注的研究课题，如能源、材料、环境保护、生命科学等都直接或间接地与电化学有关

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## 电解原理的应用

1. 电解生产化工产品
我们熟悉的电解饱和食盐水的化工生产，工业上称为氯碱工业，通过电解饱和食盐水可得到烧碱、氯气和氢气等重要化工原料。电解饱和食盐水的反应：

![图片](/uploads/2025-10/0f6452.jpg)
 
 整个反应在电解槽中进行，工业生产时必须阻止$OH^-$移向阳极，以使得NaOH在阴极溶液中富集。目前比较先进的方法是采用离子交换膜将两极溶液分开（图4.14）， 这种离子交换膜是一类高分子膜，可以选择性地让钠离子通过。Na+通过离子交换膜进入阴极区，水电离出的H+可移向阴极，但产生的$OH^-$—不能通过离子交换膜被保留在阴极区，从而得到NaOH浓溶液。
 
 2. 电镀
电镀是应用电解原理在某些金属或非金属制品表面镀上其他金属或合金薄层的方法。电镀的主要目的是增强金属的抗腐蚀能力，同时也可以增加美观和表面硬度等。因此，镀层金属通常是一些在空气或溶液中比较稳定、抗腐蚀能力强的金属或合金，如铬、镍、银、黄铜等。电镀时，通常把待镀的金属制品作为阴极，把镀层金属作为阳极，用含有镀层金属离子的溶液作为电解质溶液。通直流电时，阳极上镀层金属失去电子形成正离子，进入溶液中；阴极区，镀层金属正离子得到电子在待镀的金属表面被还原，形成一层均匀、光洁而致密的镀层

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**实验 电镀锌**
根据电镀锌的简易实验装置图（图4.15），将表面清洁处理过的待镀铜钥匙作为阴极，锌片作为阳极，以0.3 mol·L—1 硫酸锌溶液作为电镀液，直流电压为1 ～ 2 V。通直流电后，观察实验现象。

类似电镀的方法也可用于铜的精炼，粗铜中含有锌、镍、铁、银、金、铂等微量杂质，这些杂质会影响铜的导电性。电解精炼铜时，粗铜作为阳极，精铜作为阴极，硫酸酸化的硫酸铜溶液作为电解质溶液（图4.16）。通直流电时，粗铜不断溶解，$Cu^{2+}$在精铜阴极上优先得到电子还原析出，使粗铜变成了精铜：

![图片](/uploads/2025-10/1fb9df.jpg){WIDTH=300PX}
 
 而粗铜中的杂质金属主要有两类：一类是比铜活泼的金属，它们会失去电子，以正离子的形式进入溶液（如锌、铁）；另一类是不如铜活泼的金属，它们会沉积在电解池阳极的底部（如金、银），称为阳极泥。这种方法可得到纯度高达99.95% ～ 99.98%的铜，完全满足铜作为导线的要求。其他如粗银、粗铅、粗镍等也可以用类似的方法精炼。但是电镀行业是高污染行业，低污染化仍然是科技工作者面临的重要课题
 
 ![图片](/uploads/2025-10/d73eaa.jpg){WIDTH=300PX}
 
 3. 电冶金
大多数金属以化合态存在于矿石中，金属的冶炼就是将化合态的金属元素还原为单质。钠、钙、镁、铝等活泼金属正离子的氧化性很弱，无法用还原剂将它们从化合物中还原出来，故一般采用电解法来冶炼。电解法是工业冶炼金属的一种重要方法，例如，电解熔融氯化钠可以得到金属钠。

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通电后， $\mathrm{Na}^{+}$在阴极得到电子，被还原成金属钠：
阴极： $\mathrm{Na}^{+}+\mathrm{e}^{-}=\mathrm{Na}$

$\mathrm{Cl}^{-}$在阳极失去电子，被氧化成氯气：
阳极： $2 \mathrm{Cl}^{-}-2 \mathrm{e}^{-}=\mathrm{Cl}_2 \uparrow$
总反应： 2 NaCl （熔融）$\xlongequal{\text { 通直流电 }} 2 \mathrm{Na}+\mathrm{Cl}_2 \uparrow$

`例` 某电镀厂塑料模型镀镍的配方为： $\mathrm{NiSO}_4 、 \mathrm{NiCl}_2 、 \mathrm{H}_3 \mathrm{BO}_3 、 \mathrm{Na}_2 \mathrm{SO}_4$ 。电镀时，先在塑料上覆盖铜，然后再镀上镍。回答下列问题。
（1）为什么在镀镍前要先在塑料模型上覆盖一层铜？写出电镀时在阴极上发生的电极反应。
（2）指出配方中 $\mathrm{H}_3 \mathrm{BO}_3 、 \mathrm{Na}_2 \mathrm{SO}_4$ 所起的作用。如果电镀液的 pH太低或太高，会发生什么情况？

解（1）塑料是不导电的，覆盖一层铜可使塑料模型在镀镍过程中导电。

$$
\mathrm{Ni}^{2+}+2 \mathrm{e}^{-}=\mathrm{Ni}_{\circ}
$$

（2）加入 $\mathrm{H}_3 \mathrm{BO}_3$ 是为了使电镀液的 pH 保持在适当范围内。加入 $\mathrm{Na}_2 \mathrm{SO}_4$ 可增加电镀液的导电性。 pH 太低时， $\mathrm{H}^{+}$可能取代 $\mathrm{Ni}^{2+}$ 优先在阴极放电； pH 太高时， $\mathrm{Ni}^{2+}$ 可能会形成 $\mathrm{Ni}(\mathrm{OH})_2$沉淀。

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