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电解过程及其工业应用

(2016-11-28 05:14:22)
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杂谈

    电解electrolysis是直流电流通过流经一个包含离子的(原子得到或是失掉一个电子,而带电)流体和导致流体击穿的过程。在流体中通过离子运动而传导电流。而化合物沉积在电流进入或离开这个流体哪一点。电解有许多工业应用。

    电解质electrolyte,是当它熔化或溶解在水中时,导电的化合物。所有由离子构成或分解成离子的化合物,当它们溶解(离化)时,都是电解质。电解质中离子的浓度决定导电的好坏。离子化合物氯化钠和硫酸铜都是电解质。不能离化的化合物,不是电解质。部分离化的电解质是弱电解质。完全离化的电解质是强电解质。

     电极是放置在电解质中的一个金属或碳素板,在电解时电流通过它们进入或离开。电极有两个,即阳极和阴极。电极按其化学活性分为惰性电极inert electrode和活性电极active electrode。惰性电极在电解中不发生变化,如白金。某些惰性电极可与释放的物质反应。活性电极通常为金属电极,在电解中经受化学变化。

     电解池是一个发生电解的容器,它包含电解质,熔融电解质或水溶液。而电极的阳极带正电荷,电子由这里离开电解池。阴极带负电荷,电子由这里进入电解池。

     电解离化理论,是试图解释在电解中电解质和电极上发生了什么。它指出正离子趋向阴极,负离子趋向阳极。那里它们相应地得到或失去电子,形成原子。假如有两个或多个不同的阴离子,那么它们一个优于另一个先放电。这叫优先放电。

     以硫酸铜水溶液电解为例,用碳素作为电极,将直流电正负极分别接于碳素电极,一端为正极,另一端为负极。则阴离子趋向正极,阳离子趋向负极。电解时,氢氧根离子比硫酸根离子优先放电,到达正极,失去电子,形成水并在阳极形成氧气泡。而在阴极,铜离子优先放电,铜沉积在阴极上。总的反应方程式为:

                2CuSO4+2H2O---2H2SO4+2Cu+O2

    熔融氯化钠的电解,氯离子到达阳极,失去电子,形成氯气泡,而钠离子到达阴极,得到电子,形成钠原子,沉积于阴极。其反应方程式为:

                2NaCl(熔融)---2Na+Cl2

它用于制取金属钠和氯气。

    电解过程遵守法拉第定律,它描述电极上通过的电量与电极反应物重量之间的关系,又称电解定律,它包括法拉第第一定律,在电解过程中,阴极上氧化物质析出的量与所通过的电流强度和通电时间成正比。法拉第第二定律为,物质的电化当量跟它的化学当量成正比,所谓化学当量是指该物质的摩尔质量跟它的化合价的比值。

    下面以铜电极硫酸铜溶液电解为例,用电流表测量电流,在阳极铜原子得到两个电子,变为铜离子进入溶液,而在阴极,随着电流和时间增加,铜在阴极的沉积量增加,证实了法拉第第一定律。同离子吸附在阴极和沉积,每个离子沉积需要两个电子。证实了法拉第第二定律。

    电解在工业上有广泛的应用,电解提纯electro-refining,它是用电解提纯金属的方法。在电解中唯有金属离子参与。如铜的提纯,以纯铜做阴极,杂质铜做阳极,电解质为硫酸铜。直流通电后,阳极铜原子失掉电子形成铜离子在溶液中,而被阴极吸附。而杂质形成淤泥,沉积到电解槽下面。

    金属提取是用电解从熔融矿石中生产金属的过程。非常活泼的金属,如钠和铝可用这种方法得到。用电解从铝土矿bauxite Al2O3 2H2O中提取铝。它用钢做电解槽,碳素做阳极和阴极电解槽衬料,纯净的铝土矿熔点高约摄氏2045度,很难融化,所以工业上都用冰晶石做溶剂,使氧化铝在摄氏1000度左右溶解到液体的冰晶石cryolite Na3ALF6中,直流通电后,熔融金属铝沉积于阴极碳素衬料上,通过管口流出。

    阳极电镀anodizing是在金属物体表面镀上这种金属氧化物薄层。在稀硫酸电解质金属阳极上氧化的氢氧化物离子,形成水和氧,氧使金属氧化。用这种方法将装水野营铝壶镀上氧化铝薄膜,以防腐蚀。

    电镀electroplating,利用电解,将一个金属物体镀上另一金属薄膜。利用这种金属做阴极,在电解中,金属离子沉积在阴极上。如钢钉镀锌以抗腐蚀。

     电解过程是将直流电能转化为化学能,而通常电池则与此相反,是将化学能转为电能。常用的干电池,负极是锌做的圆筒,内有氯化铵作为电解质的黏糊状物质。正极为四周裹以掺有二氧化锰的糊状电解质的一根炭棒。电极反应是:负极处锌原子成为锌离子,释出电子。正极处铵离子得到电子而成为氨气和氢气。这种电池提供1,5伏电动势。干电池由于自放电,会慢慢变坏。但仍有几个月的寿命。

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