电解原理及分析

1电解原理称电解液)，在阴极和阳极上引起氧化复原反响的过程，电化学电池在外加直流电压时可发生电解过程。概述电流通过物质而引起化学变化的过程。化学变化是物质失去或获得电子(氧化或复原)的过程。电解过程是在电解池中进展的。电解池是由分别浸没在含有正、负离子的溶液中的阴、阳两个电极构成。电流流进负电极(阴极)，溶液中带正电荷的正离子迁移到阴极，并与电极)，给出电子，变成中性元素或分子。简介直流电源、电极(阴阳极)电解质溶液(或熔融电解质)将直流电通过电解质溶液或熔体，使电解质在电极上发生化学反响直流电供给系统、分析掌握系统和对产品的分别回收装置。电解过程应当尽可能承受较低本钱的原料，提高反响的选择性，削减副产物的生成，缩短生产工序，便于产品的回收和净化。电解过程已广泛用于有色金属冶炼、氯碱和无机盐生产以及有机化学工业。1807年，英国科学家H.戴维将熔融苛性碱进展电解制取钾、钠，从而为获得高纯度物质开拓了的领域。1833M.法拉第提出了电化学当量定律(即法拉第第一、其次定律)。1886年美国工业化学家C.M.霍尔电解制铝成功。1890年，第一个电解氯化钾189318971937化学工业公司实现了用电解法由葡萄糖生产山梨醇及甘露糖醇的工业1969年又开发了由丙烯腈电解二聚生产己二腈的工艺。电解原理介绍电解质中的离子常处于无秩序的运动中，通直流电后,离子作定向运动(图1)。阳离子向阴极移动，在阴极得到电子，被复原;阴离子向OH在阳极失去电子,被氧化成氧气放出;H在阴极得到电子，被复原成氢气放出。所得到的氧气和氢气，即为水电解过程的产品。电解时，在电极上析出的产物与电解质溶液之间形成电池，其电动势在数值上等于电解质的理论电解电压。此理论电解电压可由能斯特方程计算:式中E0为标准电极电位(R为气体常数，等于8.314J/(K·mol);T为温度(K);n为电极反响中得失电子数;F为法拉第常数，等于96500C/mol;α1、α2分别为复原态和氧化态物质的活度。整个电解过程的理论电解电压为两个电极理论电解电压之差。在水溶液电解时，到底是电解质电离的正负离子还是水电离的H和OH离子在电极上放电,需视在该电解条件下的实际电解电压的凹凸而定。实际电解电压为理论电解电压与超电压之和。影响超电压的因素很多，有电极材料和电极间距、电解液温度、浓度、pH等。例如:在氯碱生产过程中,浓的食盐水溶液用碳电极电解时,阴极上放出氢气，同时产生氢氧化钠，阳极放出氯气;稀的食盐水溶液电解时，阴极放出氢气，同时产生氢氧化钠，阳极放出氧气，同时产生盐酸。电解原理分析[以氯化铜(CuCl2)溶液的电解为例]CuCl2CuCl。CuCl2===Cu+2ClCl的离子，在电场作用下，改作定向移动。溶液中带正电的Cu向阴极移动，带负电的氯离子向阳极移动。在阴极，铜离子获得电子而复原成铜原子掩盖在阴极上;在阳极，氯离子失去电子而被氧化成氯原子，并两两结合成氯气分子，从阳极放出。阴极:Cu+2e==Cu阳极:2Cl-2e==Cl2↑CuCl2:CuCl2=Cu+Cl2↑(通电)两极放电挨次阴离子:硫离子>碘离子>氯离子>氢氧根离子>氟离子阳离子:银离子>三价铁离子>铜离子>氢离子>铅离子>锡离子>亚铁离子>锌离子>铝离子>镁离子>钠离子>钙离子>钾离子注:铝离子，镁离子，钠离子，钙离子，钾离子得电子力量远远大析出;但在熔融状态下可以放电三价铁离子在阴极上得电子生成亚铁电解质概念碱和大部份盐等。凡在上述状况下不能导电的化合物叫非电解质，例如蔗糖、酒精等。(单质，混合物不管在水溶液中或熔融状态下能够导电与否，都不是电解质。)电解质水溶液电解反响的综合分析HOH-，其实H+和OHClHOH-，电解比H+简洁得到电子，所以Cu2+在阴极上得到电子析出金属铜。移向阳极的离子有OH-和Cl-，由于在这样的试验条件下，Cl-比OH-Cl-在阳极上失去电子，生成氯气。说明①阳离子得到电子或阴离子失去电子而使离子所带电荷数目降低的过程又叫做放电。理由是它们在一般的通电条件下不发生化学反响。用铁、锌、铜、银等复原性较强的材料制做的电极又叫做活性电极，它们做电解池的阳极时，先于其他物质发生氧化反响。③在一般的电解条件下，水溶液中含有多种阳离子时，它们在阴极上放电的先后顺序是l3+>Mg2+>Na+>Ca2+>K+;水溶液中含有多种阴离子时，它们的惰性阳极上放电的先后挨次是:S2->I->Br->Cl->OH->含氧酸根n->F-。分析惰性电极电解反响的一般方法步骤①分析电解质水溶液的组成，找全离子并分为阴、阳两组;②分别对阴、阳离子排出放电挨次，写出两极上的电极反响式;③合并两个电极反响式得出电解反响的总化学方程式或离子方程式。类型电解方式按电解质状态可分为水溶液电解和熔融盐电解两大类。①水溶液电解:主要有电解水制取氢气和氧气;电解氯化钠(钾)水溶液氯酸盐、高氯酸盐、高锰酸盐、过硫酸盐等;电解复原法如丙烯腈电解金属如铜、银、金、铂等。此外，电镀、电抛光、阳极氧化等都是通钙、钠、钾、锂、铍等;金属精制,如铝、钍等;此外，还有将熔融氟化钠电解制取元素氟等。电解所用主体设备电解槽的形式，可分为隔膜电解槽和无隔膜电解槽两类。隔膜电解槽又可分为均向膜(石棉绒)、离子膜及固体电解质膜(如β-Al2O3)等形式;无隔膜电解槽又分为水银电解槽和氧化电解槽等。电极上发生的过程，可分简洁电子传递、气体释放、金属腐蚀、金属析出、氧化物生成和有机物二聚等类型用途金)或提纯金属(电解提纯)，以及从溶液中沉积出金属(电镀)。金属钠和氯气是由电解溶融氯化钠生成的;电解氯化钠的水溶液则产生氢氧化钠和氯气。电解水产生氢气和氧气。水的电解就是在外电场作用下将水分解为H2(g)和O2(g)。电解是一种格外强有力的促进氧化复原例如:可将熔融的氟化物在阳极上氧化成单质氟，熔融的锂盐在阴极上复原成金属锂。电解工业在国民经济中具有重要作用，很多有色金属(如钠、钾、镁、铝等)和稀有金属(如锆、铪等)的冶炼及金属(如铜、锌、铅等)的精炼，根本化工产品(如氢、氧、烧碱、氯酸钾、过氧化氢、乙二腈等)的制备，还有电镀、电抛光、阳极氧化等，都是通过电解实现的。电解质在水溶液里或熔融状态下能导电的化合物叫电解质。化合物导电的前提:其内部存在着自由移动的阴阳离子。离子化合物在水溶液中或熔化状态下能导电;共价化合物:某些也HCl，其它为非电解质)强电解质一般有:强酸强碱，大多数盐，活泼金属的氧化物、氢化电离<多元弱酸>，弱碱(如NH3·H2O)。另外，水是极弱电解质。导电的性质与溶解度无关注:能导电的不肯定是电解质推断某化合物是否是电解质，不能只凭它在水溶液中导电与否，还需要进一步考察其晶体构造和化学键的性质等因素。例如，推断硫酸钡、碳酸钙和氢氧化铁是否为电解质。硫酸钡难溶于水(20℃时在水中的溶解度为2.4×10-4g)，溶液中离子浓度很小，其水溶液不导电，似乎为非电解质。但溶于水的那小局部硫酸钡却几乎完全电离(20℃时硫酸钡饱和溶液的电离度为97.5%也是电解质。从构造看，对其他难溶盐，只要是离子型化合物或强极性共价型化合物，尽管难溶，也是电解质。氢氧化铁的状况则比较简单，Fe3+与OH-之间的化学键带有共价性质，它的溶解度比硫酸钡还要小(20℃时在水中的溶解度为9.8电离成离子。但氢氧化铁也是电解质。推断氧化物是否为电解质，也要作具体分析。非金属氧化物，如SO2、SO3、P2O5、CO2等，它们是共价型化合物，液态时不导电，所以不是电解质。有些氧化物在水溶液中即便能导电，但也不是电解质。由于这些氧化物与水反响生成了的能导电的物质，溶液中导电SO2亚硫酸为电解质。金属氧化物，如Na2O，MgO，CaO，Al2O3等意的是，氯化铝(AlCl3)是电解质，但是是共价化合物而不是离子化合物。可见，电解质包括离子型或强极性共价型化合物;非电解质包括弱极性或非极性共价型化合物。电解质水溶液能够导电，是因电解质可由物质构造识别电解质与非电解质是问题的本质。另外，有些能导电的物质，如铜、铝等不是电解质。因它们并不是能导电的化合物，而是单质，不符合电解质的定义。酒精等。十六字要诀:阴得阳失:电解时，阴极得电子，发生复原反响，阳极失电子，发生氧化反响;阴精阳粗:精炼铜过程中,阴极使用精铜，阳极使用粗铜，最终阳极渐渐溶解，且产生阳极泥;阴碱阳酸:在电解反响之后，不活泼金属的含氧酸盐会在阳极处生成酸，而活泼金属的无氧酸盐会在阴极处生成碱;阴固阳气:电解反响之后，阴极产生固体及复原性气体，而阳极则生成氧化性强的气体。影响因素推断电解过程优劣的主要标准是单位产品电耗，其凹凸取决于电解过程的电流效率和电压效率。电流效率单位产品的理论耗电量与实际耗电量之比。理论耗电量可用法拉第定律计算:此式说明，电解时析出的物质量q与析出物质的原子量m、电流强度I及电解时间t成正比，而与电解过程中得失电子数nF电压效率电解时电解质的理论电解电压与实际电解电压之比。后者即是电解槽的槽电压。槽电压是理论电解电压、超电压和输电导体电压损失线与电极之间的接触电压、隔膜材料、电解槽构造、电流密度等。槽电压通常远大于理论电解电压，导致电压效率很低。因此，降低超电压和输电导体的电压损失是提高电压效率的关键。多年来，人们围绕这一问题进展了多方面的争论，不断改善电解槽构造和电