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第十五章水溶液电解质电解
第十五章水溶液电解质电解
[教学内容]:电解过程概述;阴极过程;阳极过程;电解过程槽电压、电流效率和电能
效率
[教学要求]:了解电解的基本原理,阳极、阴极、电解质的概念;理解水溶液电解过程
的阳极反应和阴极反应;理解电解过程槽电压的概念,掌握电流效率和电能效率的计算方法。
[教学重点和难点]:水溶液电解过程的阳极和阴极上的反应对生产过程的影响;电流效
率和电能效率的计算方法。
概述
电解的实质是电能转化为化学能的过程。有色金属的水溶液电解质电解应用在两个方
面:
(1)从浸出(或经净化)的溶液中提取金属;
(2)从粗金属、合金或其他冶炼中间产物(如锍)中提取金属。
这样,在有色金属的电解生产实践中就有两种电解过程:从浸出(或经净化)的溶液中
提取金属,是采用不溶性阳极电解,叫做电解沉积;从粗金属、合金或其他冶炼中间产物(如
锍)中提取金属,是采用可溶性阳极电解,称为电解精炼。
可见,两种电解是有差别的,但它们的理论基础都遵循电化学规律。
一、电解过程
电解过程是阴、阳两个电极反应的综合。
当直流电通过阴极和阳极导入装有水溶液电解质的电解槽时,水溶液电解质中的正、负
离子便会分别向阴极和阳极迁移,并同时在两个电极与溶液的界面上发生还原与氧化反应,
从而分别产出还原物与氧化物。
在电极与溶液的界面上发生的反应叫做电极反应。
在阴极上,发生的反应是物质得到电子的还原反应,称为阴极反应。水溶液电解质电解
过程的阴极反应,主要是金属阳离子的还原,结果在阴极上沉积出金属,例如;
Cu2+十 2e=Cu
Zn2+十 2e=Zn
在阴极反应的过程中,也有可能发生氢离子还原析出氢的副反应:
+
2H +2e=H2
氢的析出对水溶液电解质的电解是不利的。
在阳极上,发生的反应是物质失去电子的氧化反应,称为阳极反应。如前所述,阳极有
可溶与不可溶两种,反应是不一样的。
可溶性阳极反应,是粗金属等中的金属氧化溶解,即阳极中的金属失去电子,变为离子
进入溶液,例如:
Cu-2e=Cu2+
Ni-2e=Ni2+
不可溶性阳极反应,表现为水溶液电解质中的阴离子在阳极上失去电子的氧化反
应,例如:
一
2OH -2e=H2O 十 1/2O2 ↑
一
2Cl -2e=Cl2 ↑
上面说的是阴、阳反应的主要形式,当然还有其他反应。
二、分解电压
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第十五章水溶液电解质电解
1. 理论分解电压某电解质水溶液,如果认为其欧姆电阻很小而可忽略不计,在可逆
情况下使之分解所必须的最低电压,称为理论分解电压。
电极的平衡电极电位是可以根据电解过程实际发生的电极反应、电解液组成和温度等条
件,按能斯特公式进行计算,这就是说,某一电解质的理论分解电压是可以通过计算而知的。
2. 实际分解电压当电流通过电解槽,电极反应以明显的速度进行时,电极上的反应
电位已偏离平衡状态,而成为不可逆状态,这时的电极电位就不是平衡电极电位,阳极电位
偏正,阴极电位偏负。这样,能使电解质溶液连续不断地发生电解反应所必须的最小电压叫
作电解质的实际分解电压。显然,实际分解电压比理论分解电压大,有时甚至大很多。
阴极过程
在湿法冶金的电解过程中,工业上通常是用固体阴极进行电解,其主要过程是金属阳离
子的中和反应:
Mez++ze→Me (l)
但是,除了主要反应以外,还可能发生氢的析出、由于氧的离子化而形成氢氧化物、杂
质离子的放电以及高价离子还原为低价离子等过程,如以下各反应所示:
+ 1
H3O 十 e→ H2+H2O(在酸性介质中) (2a)
2
1
H2O 十 e→ H2 十 OH-(在碱性介质中) (2b)
2
-
O2 十 2H2O 十 4e→4OH (3)
Mez+十 ze→Me (4)
Mez++(z-h)e→Meh+ (5)
上述电化学过程可以分为三个类型。属于第一类型的过程有:
(l)在阴极析出的产物,呈气泡形态从电极表面移去并在电解液中呈气体分子形态溶解;
(2)中性分子转变为离子状态。
属于第二类型的是在阴极析出形成晶体结构物质的过程。
最后,在阴极上不析出物质而只是离子价降低的过程属于第三类型。
下面分别着重讨论关于氢和金属在阴极析出的基本原理及其有关应用问题。
一、氢在阴极上的析出
按照现代观点,作为物质质点存在于水溶液中的氢离子,是由与水分子化学结合着的阳
离子组合而成的:
HÆH++e
+ +
H