应用电化学课件-电解与电镀

第八节

电解与电镀一电解原理二氯碱工业一、电解饱和食盐水反应原理二、离子交换膜法制烧碱一、电解原理二、铜的电解精炼三、电镀铜四、电解硫酸铜溶液五、电解水三电镀其应用一、电解原理：1、电解氯化铜溶液：电解CuCl2溶液；并检验Cl2结论：①装CuCl2溶液——CuCl2晶体的溶解是电离？溶液中有几种离子？②分别插入碳棒，取出观察；连接后插入溶液，取出观察③接通直流电源后插入，取出观察，并检验气体；铜生成于阴极碳棒，氯气产生于阳极碳棒；装置图（2）电解原理：①通电前：CuCl2=Cu2++2Cl—，

Cu2+、Cl—为自由移动的离子；②通电后：Cu2+移向阴极得到电子，Cl—移向阳极失去电子；③电极反应：阳极：2Cl—

－2e—=Cl2↑（氧化反应）阴极：Cu2+

＋2e—=Cu（还原反应）总反应式：CuCl2Cu+Cl2↑电解如图如图2、电解：

使直流电通过电解质溶液而在阴、阳两极引起氧化还原反应的程，叫做电解。3、构成电解池的条件：是电能转变为化学能的装置！①直流电源；与电源负极相连的电极为阴极与电源正极相连的电极为阳极②阴、阳电极③电解质溶液或熔融电解质；4、电解池的工作原理：电子从电源负极给出电子进入电解池的阴极阳离子得电子（发生还原反应）电子流回电源正极阴离子（或非惰性电极）失电子（发生氧化反应）电子从电解池的阳极流出－＋e阴极阳极阳离子得电子发生还原反应电极材料或阴离子失电子发生氧化反应电解质溶液电解原理工作示意图电解质溶液负极正极e得到电子还原反应失去电子氧化反应电解质溶液－＋e阴极阳极阳离子得电子发生还原反应电极材料或阴离子失电子发生氧化反应原电池与电解池的比较Cu2+oooooooooooooooooooo

－＋－＋阴极阳极CuCl2ooooooooooooooooooooooo电解氯化铜溶液实验装置e-e-单击电子流动－＋阴极阳极Ⅰ通电前Ⅱ通电后通电前后溶液里离子移动示意图粗铜纯铜二、铜的电解精炼：1、电解精炼铜的装置：

e-

－＋纯铜作阴极，粗铜作阳极；

e-

e-AgAu单击电子流动2、电解精炼铜原理：①粗铜的溶解与纯铜的生成：阳极（粗铜）：Cu－2e-=Cu2+阴极（纯铜）：Cu2++2e-=Cu②比铜活泼的金属：Zn.Fe.Ni只溶解，不析出；③比铜不活泼的金属：Au.Pt.不溶解，而以单质沉积形成阳极泥；④电解质溶液中CuSO4的浓度基本不变；三、电镀铜：1、电镀铜的装置：【实验4——2】镀件作阴极，镀层金属作阳极，含镀层金属离子的电解质配成电镀液；2、电镀铜的原理：阳极（镀层金属）：Cu－2e-=Cu2+阴极（镀件）：Cu2++2e-=Cu电镀液浓度不变；待镀铁制品铜片－＋CuSO4溶液四、电解CuSO4溶液：用惰性电极阴极：2Cu2++4e-=2Cu阳极：2H2O－4e-=O2↑+4H+总反应式：2Cu2++2H2O2Cu+O2↑+4H+电解写出电极反应式及电解方程式；分析溶液PH的变化、溶液减少的量是？又如：Cu(NO3)2、AgNO3

二、氯碱工业一、电解饱和食盐水反应原理【实验】电解饱和食盐水现象：阳极——产生Cl2

阴极——产生H2装置电极反应：阳极反应：2Cl－－2e－＝Cl2↑（氧化反应）阴极反应：2H++2e－＝H2↑（还原反应）

总反应：2NaCl+2H2O2NaOH+H2↑+Cl2↑电解阴极区阳极区

总反应离子方程式：

2Cl－

+2H2O2OH－

+H2↑+Cl2↑电解二、离子交换膜法制烧碱1、离子交换膜电解槽的组成：由阳极（金属钛网）、阴极（碳钢网）、离子交换膜、电解槽框和导电铜棒等组成；每个电解槽由若干个单元槽串联或并联组成；装置2、阳离子交换膜的作用：将电解槽隔成阴极室和阳极室，它只允许阳离子（Na+）通过，而阻止阴离子（Cl－、OH－）和气体通过。可防止H2、Cl2混合爆炸，也可防止Cl2与NaOH反应。3、食盐的精制：（1）粗盐的成份：泥沙、Ca2+、Mg2+、Fe3+、SO42－杂质，会与碱性物质反应产生沉淀，损坏离子交换膜；（2）杂质的除去过程：粗盐水

含少量Ca2+.Mg2+精制盐水Na+ooooooooooooooooooooooooooooooooooooooooooo电解饱和食盐水实验装置H+OH—－＋阴极H2Fe阳极Cl2Coooooooooooooooooooooooe-e-单击电子流动－+Cl2Cl2Cl—H2Na+H+OH—淡盐水NaOH溶液精制饱和NaCl溶液H2O（含少量NaOH）离子交换膜

阳极金属钛网阴极碳钢网电解质变化，溶剂不变：CuCl2、HCl电解原理应用电解溶质和水：NaCl、CuSO4、AgNO3电解水：Na2SO4、H2SO4

、NaOH电解质和溶剂均不变：电解精炼铜、电镀熔融电解：NaCl、MgCl2

、Al2O3

一.电镀的原理：

电镀是用电解的方法对零件表面进行加工的一种工艺。电镀时零件为负极，镀液中金属离子在直流电的作用下沉积在零件表面形成均匀，致密的金属层。

1.电镀的必须条件:外加的直流电源，镀液，镀件及阳极组成的电解装置。

2.电解的目的：改变零件表面的外观和物理化学性能，达到装饰性，耐腐蚀，耐磨性等各种技术性能。

3.电解的结晶过程：电解液中的金属离子或络离子在阴极还原沉积出金属镀层的过程叫电解晶。

说明：电解晶是一个电化学反应过程，金属离子是否能还原决定于阴极点位。只有在阴极电位偏离于平衡状态，即产生一定的过电位时才能在阴极上沉积出金属金体。

三电镀及其应用

4.金属电沉积是一个复杂的过程，它一般有几个连续的或同时的界面反应步骤：

A.溶液中的金属离子（如水化金属离子或络和离子）通过电迁移，对流，扩散等形式到达阴极表面附近。

B.金属离子在还原之前在阴极附近或表面发生化学转换。

C.金属离子从阴极表面得到电子还原成金属原子。

D.金属原子沿表面扩散到达生长点进行晶格生长，或与其他离子相遇形成经晶核长大成晶体。说明：形成金属晶体的两个步骤：结晶核的生成与成长。

二.影响电镀结晶的因数：

晶核的生成速度快，晶核生长后的成长速度就较慢，则生成的晶核数目较多，则晶粒就较细，反之就较粗。晶核的生长速度愈大于晶核的成长速度，镀层结晶就愈细致，紧密。提高电结晶时的阴极极化作用可以加速晶核的生长速度，便于形成微小的晶体。

提高金属电结晶时的阴极极化方法：

1.提高阴极电流密度：一般情况下，阴极极化作用随阴极电流密度的增大而增大，镀层结晶也随之变得细致紧密。在阴极极化作用随电流密度的提高而增大的情况下，适当提高电流密度的方法提高阴极极化作用。

2.适当降低电解液的温度：降低温度能减慢阴极反应速度或离子扩散速度，提高阴极极化作用。当在实际操作中对于提高温度带来的负面影响可通过增大电流密度而获得弥补。在生产具体操作中，根据实际情况调节电解液的温度。

3.加入络化剂在电镀生产中能够络合主盐中金属离子的物质称络合剂。络离子较简单离子难以在阴极上还原，从而提高阴极极化值。

4.加入添加剂添加剂吸附在电极的表面上阻碍了金属的析出，提高阴极极化作用。

阴极极化作用并非愈大愈好，极化作用超过一定范围，会导致氢气的大量析出，从而使镀层变得多孔，粗糙。在生产中，更具实际情况，采取具体措施适当提高金属结晶时的阴极极化作用。三.影响镀液分散能力和覆盖能力的因素：

镀液的优劣用分散能力和覆盖能力表示。

分散能力指镀液所具有的镀层厚度的均匀分布能力.只说明镀件表面的均匀程度。

覆盖能力指镀液能使零件深孔，凹洼的表面沉积出镀层的能力，也叫深度能力。只说明镀件表面凹入处或深孔处有无镀层沉积。

1.电流分布电流通过电解质溶液时，在阴极上析出物质的量与通过的电量成正比。电流密度愈大，镀层也就愈厚。金属在阴极表面上的沉积取决于电量在阴极上的分布。电解液的阻力与阴极电化学反应的阻力，是影响电流在阴极分布的两个重要因素，其中一个起主导作用。

2.电流效率：镀层金属的分布取决于电流的分布，但并不等于电流的分布。通过一级的电流不单是消耗于金属离子的沉积，而且消耗于析氢和其他副反应。电流效率随电流的密度改变而改变。影响金属在不同部位的分布：

A.阴极电流效率随电流密度的改变而几乎没有变化。阴极不同部位上镀出的金属多少直接取决于该处的电流的大小。

B.阴极的电流效率随电流密度的升高而下降的则能提高分散能力。电流密度大的地方电流效率低，而电流密度小的地方电流效率高。要使各处的电流密度分布均匀，则要改变电解液的分散能力。

C.机体的表面状态金属在不洁净的阴极表面上很难沉积出均匀的镀层，甚至不能沉积。由于氢在粗糙表面上的过电位小于光洁表面，所以在粗糙表面上氢容易析出，镀层就难以沉积。

D.阴极电流效率随电流密度的升高而增大的则会降低分散能力。由于阴极上的电流密度大的地方电流效率高，电流小的地方电流密度低，这样各处的实际电流密度更加不均匀，造成分散能力低下。

E.几何因素电镀槽的几何形状，阴阳极的形状，两个电极在电镀槽中的排布形式等几何因素直接影响镀层的分布。

所有这些与电解液分散能力和覆盖能力有关的因素，彼此不是孤立的，而又作实际的联系。

四.改善电解液分散能力和覆盖能力的途径：

1.阴极极化度对于阴极极化较小的电解液，力求增大阴极极化的因素。直接或间接促成阴极极化度增大的因素，如选择适当的络化剂及添加剂，均能改善镀层的分散能力和覆盖能力。

2.镀液电导率对电阻较大的电解液，可适当加入导电能力较强的电解质。当镀液的阴极极化度较大时，提高电导率能明显地提高分散能力和覆盖能力。如果极化度极小那么对分散能力影响就不大。

3.阴极电流效率改善阴极电流效率，提高电解液的分散能力和覆能盖能力。

4.机体的表面状况提高机体表面光洁度，采用短时间冲击电波，提高氢在机体上的过电位等，可以消除机体对分散能力和覆盖能力的不良影响。

5.几何因素的影响在实际生产中采用辅助阴极和象形阳极，合理调节阴阳极之间的距离等方法尽可能消除对几何因素对电解液分散能力的影响。镀铬电解液是一个特殊，它是一种强氧化性的酸性电解液，在所应用的电解液中分散能力最差的一种，在镀铬时为了提高电解液的分散能力往往从电化学性能以外的角度出发，采用防护阴极，是用辅助阳极和非金属屏蔽以及合理调节电极之间的距离等方法，使其处于最佳的电流分布状态。

五.电镀层的分类和选择：

1.按电化学性质分类分阴极性镀层和阳极性镀层。

2.按用途分类分为防护性镀层，防护-装饰性镀层，修复性镀层，功能性镀层。

3.按镀层的组合形式分类分为简单结构，多层组合结构和符合镀层三类。简单结构指镀单层镀层；多层组合结构可由不同金属组成，如铜-镍-络三层结构；也可由相同金属层组成，如高耐腐蚀性双层镍-高硫镍-光亮镍等。六.镀层的检验项目：

1.附着力镀层与基体，镀层与镀层间的结合强度。

2.表面效果完整覆盖并均匀分布。

3.镀层厚和尽可能少的孔隙率有效阻止外界介质。

4.光亮度

5.硬度

6.色泽

7.耐腐蚀性

8.外观质量不允许有明显的针孔，麻点，划伤等。七.影响镀层质量的主要因素：

1.镀前处理是否良好镀前处理的每一道工序直接影响镀层的质量，生产实践中造成镀层质量事故的多数因素是制品镀前处理不当和欠佳所致。

2.电镀溶液本性镀液的性质，组成各成分的含量以及附加盐，添加剂的含量等都会影响镀层质量。

3.基体的本性

4.电镀过程电流密度，温度，送电方式，移动和搅拌等。

5.析氢反应电镀过程中大多数镀液的阴极反应伴随氢的析出。在不少情况下，氢的析出导致镀层表面上针孔，麻点，鼓泡，氢脆等。消除氢脆的不良影响，在镀厚进行高温除氢处理。

6.镀后处理镀后对制件的清洗，钝化，除氢，抛光，保管方法等。

7.电源除一般采用直流电外，根据实际情况，可采用换向电镀方法，使用周期换向电流。塑胶电镀一.塑胶电镀对塑胶件的技术要求：

1.要求光度高的部位，制件必须表面平滑。

2.零件表面设计符合电镀要求，即较大平面中间应呈突起状，一般突起在0.10-0.15mm；菱角部位到圆，v型槽的宽度应是深度3倍，盲孔深度为直径的1/2-1/3。

3.零件应有足够的强度，壁厚一般在3mm左右，最薄不应低于1.9mm,最厚不应大于3.8mm.4.有镶嵌件的塑胶制品，应为铝制件。

5.应留有电镀装挂位置。装挂位置应设计在不影响外观部位。应用二.ABS料电镀：

ABS料的组成部分：丙烯腈A,丁二烯B，苯乙烯S三元共聚，丙烯腈和苯乙烯形成树脂相，橡胶状的丁二烯组分以球形分散于丙烯腈和苯乙烯树脂组成的混合物中。在强碱强氧化性的粗化液中，将制品表面的橡胶离子溶去，形成凹陷，使表面粗化。橡胶离子的多少影响镀层附着力，因此电镀产品对ABS料要求丁二烯的含量应控制在18%-23%间。

1.对塑胶成型要求：原料在注塑前应在80-90℃下烘干4h，除去原料中的水分。

2.注塑不使用脱模剂，尤其是有机硅脱模剂（脱模严重困难时可使用滑石粉或肥皂水）。

3.注塑采用较高温度，一般在255-275℃，模具温度一般在45-95℃间，注塑的压力应低，速度应慢。

二.ABS料的电镀工艺：

1.ABS塑胶电镀工艺:

消除应力

化学脱脂热水洗冷水洗粗化冷水洗中和冷水洗敏化冷水洗去离子水洗活化还原冷水洗化学镀冷水洗电镀

2.过程原理与方法：

A.去应力内应力降低镀层的附着能力。

检验方法:

a.冰醋酸浸渍法将制件完全浸入（21-27）℃的冰醋酸溶液中30秒后，取出后立即清洗，晾干后检查制件表面，若有细小致密的裂纹，说明此处有残余不应力，裂纹越大，应力越大。

b.溶剂浸渍法将零件完全浸入（20-22）℃1：1的甲乙酮和丙酮的混合溶液液中15秒，取出后立即甩干，检验裂纹状态。

解决办法：在60-75℃的温度下加热2-4h，或在25%（体积）的丙酮中浸泡30分。

常用塑胶热处理温度：ABS塑胶65-75℃，聚丙烯80-100℃，氯化聚醚80-120℃，聚碳酸酯110-130℃，改性聚苯烯50-60℃，聚苯醚100-120℃；聚酰胺在沸水中处理。

2.脱脂去除制件表面的脱模剂及油污。经常用碱性除油溶液，处理温度在50-70℃。

3.粗化主要目的是提高塑件制品的表面粗糙度和塑胶的亲水性。粗化的好坏对镀层的附着力有很大影响，粗化的方法有机械粗化，化学粗化，有机溶剂胀粗化。

A.机械粗化用滚磨，喷砂，砂纸打磨等方法去除塑胶零件的毛边，分型线条和浇口等。滚磨粗化适用小型零件，大型制件采用喷砂法。

B.有机溶剂粗化

聚乙烯：二氯乙烷，丙酮，二甲苯聚丙烯：汽油，卤代烃

C.化学粗化用化学浸渍剂使非金属材料得到粗化的表面，提高镀层的结合能力。

ABS料化学处理规范

配方成分及工艺参数

高铬型

高硫酸型

磷酸型

纯铬型

12

3

4

5

6

1

2铬酐CrO3重铬酸钾

K2Cr2O7

硫酸

磷酸（85%)g/l400-430330-410250-35060020-30100010-201100-129010960240

30880280≥900≥900

温度/℃

时间/min60-7010-3060-7015-3060-7030-6060-7030-6060-7030-6060-7030-6060-7010-3060-7010-30

高铬酸型粗化溶液应用广，效果好，粗化速度快，粗化温度低于60℃时，粗化速度慢，温度高粗化速度快。粗化的质量要求：塑胶表面全部被水湿润后，从表面状态上看：粗化好的表面呈微暗，平滑；粗化不足的表面平滑有光泽；粗化过渡的的表面显发暗，严重时呈白绒状，裂纹，疏松的表面。

4.中和，还原和浸酸将粗化后残留在制件表面的六价铬清洗干净。在室温条件下处理1-3min.A.10%的氨水进行中和处理；

B.5%-10%NaOH中和处理。

C.1%-5%亚硫酸钠进行还原处理；

D.2-10mL/L水合肼，10-15mL/L盐酸中进行还原处理。

E.100-200mL/L盐酸溶液进行浸酸处理。

5.敏化敏化处理是使制件表面吸附一层具有还原性的金属离子，在活化处理时，将具有催化作用的银或钯离子还原成银或钯原子，活化处理使制件表面形成一层催化活性的金属层。为化学沉积提供必要的条件。常见的敏化剂：氯化亚锡，三氯化钛，及常用的硫酸亚锡。

ABS料常用敏化工艺规范表

成分与工艺参数

配方

1

2氯化亚锡（SnCI2。2H2O）（g/l)10~302~5盐酸（37%HCl)（Ml/L)40~502~5温度/℃

室温

室温时间/min3~53~10

特别说明：配制敏化剂必须使用去离子水和试剂级的化学药品，配制时要把氯化亚锡溶于盐酸溶液中，否则氯化亚锡会水