電化學(xué)第十三講

第十三講電化學(xué)應(yīng)用（三）電鍍和電解一、電鍍什么是電鍍？簡單來說，電鍍指借助外界直流電的作用，在溶液中進行電解反應(yīng)，使導(dǎo)電體例如金屬的表面沉積一金屬或合金層。

電鍍原理示意圖電鍍裝置示意圖基本電鍍流程圖產(chǎn)品：工件除油酸浸清洗清洗電解除油清洗電鍍清洗處理/烘干電鍍的用途電鍍層的作用是什么？1、提高金屬零件在使用環(huán)境中的抗蝕性能；2、裝飾零件的外表，使其光亮美觀；3、提高零件的工作性能，如硬度、耐磨性、導(dǎo)電性、電磁性、耐熱性等等。對電鍍層有哪些要求？1、鍍層與基體，包括鍍層與基體之間，應(yīng)有良好的結(jié)合力；2、鍍層在零件的主要表面上，應(yīng)有比較均勻的厚度和細(xì)致的結(jié)構(gòu)；3、鍍層應(yīng)具有規(guī)定的厚度和盡可能少的孔隙；4、鍍層應(yīng)具有規(guī)定的各項指標(biāo)，例如表面粗糙度、硬度、色彩以及鹽霧試驗?zāi)驮囆?。按鍍層用途選擇所需鍍種1、防護性鍍層：主要作用是保護基體金屬免受腐蝕，不規(guī)定對產(chǎn)品的裝飾要求，如鍍鋅、鍍鎘等；2、防護-裝飾性鍍層：除保護基體金屬外，還使零件美觀，如鍍鎳、鍍鎳/鉻、鍍銅/鎳/鉻等；3、功能性鍍層：除具有一定的保護作用外，主要用于特殊的工作目的，如鍍錫、鍍銀、硬鉻等。常見電鍍層的性質(zhì)與用途1、鋅鍍層鋅鍍層在大氣條件下對鋼鐵零件為陽極性鍍層，經(jīng)彩色鈍化后，明顯地提高了鍍層的保護性能并改善了外觀。主要用于防止鋼鐵零件的腐蝕，其鍍層價格低廉，耐腐蝕性能優(yōu)良，應(yīng)用量大面廣。2、鎘鍍層鎘鍍層在海洋和高溫大氣的環(huán)境中，對鋼鐵零件為陽極性鍍層，鍍層比較穩(wěn)定，耐腐蝕性強，潤滑性能好，在航空及電子工業(yè)中應(yīng)用較多。3、錫鍍層錫鍍層對鋼鐵件為陰極性鍍層。因此，只有當(dāng)鍍層無孔隙時才能機械地保護鋼鐵零件不被腐蝕。它具有較高的化學(xué)穩(wěn)定性，與硫及硫化物幾乎不起作用，焊接性能良好，對滲氮有屏蔽作用。4、銅鍍層銅鍍層對鋅、鐵等金屬為陰極性鍍層，常常用于鋼鐵或某些塑料上作為鍍銅/鎳防護-裝飾性鍍層的底層或中間層，也可用于印刷電路、電鑄模等方面。5、鎳鍍層鎳鍍層對鋼鐵零件為陰極性鍍層，它具有較高的硬度，抗蝕性比銅高，能耐堿，也比較能耐酸。常用于鋼鐵零件的鍍銅/鎳/鉻防護-裝飾性鍍層的中間層及酸性鍍銅前的預(yù)鍍。6、鉻鍍層鉻鍍層對鋼鐵零件為陰極性鍍層。它具有較高的耐熱性，常溫下硬度好，耐磨性好，光反射性強，被廣泛用于提高零件的耐磨性、光反射性以及修復(fù)尺寸和裝飾等方面。7、銀鍍層銀鍍層對于常用金屬為陰極鍍層，其導(dǎo)電、焊釬性能優(yōu)良，化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，主要用于電器工業(yè)中的導(dǎo)電部件及其焊接部位，還用于防護-裝飾性鍍層，如樂器、餐具、光學(xué)儀器及工藝品。電鍍產(chǎn)品電鍍行業(yè)的污染狀況令人擔(dān)憂。據(jù)估計，本行業(yè)每年排放大量的污染物，包括4億噸含重金屬廢水、50000噸固體廢物和3000萬立方米酸性氣體。目前70-80％的國有電鍍廠建立了污染控制設(shè)施，然而大部分處理設(shè)施已經(jīng)過期而不能正常運轉(zhuǎn)（城市中只有50％的設(shè)施能運轉(zhuǎn)，農(nóng)村地區(qū)更低，只有25％）。而大多數(shù)鄉(xiāng)鎮(zhèn)電鍍企業(yè)則幾乎沒有采取任何污染控制措施。

電鍍的污染問題無牌無證電鍍廠內(nèi)廢水橫流

污染物直接排放

綠色電鍍的含義：主要體現(xiàn)在以下幾個方面:1.盡量使用低污染、無污染的原料,替代有毒有害的原材料。2.采用清潔高效的生產(chǎn)工藝,使物料能源高效益地轉(zhuǎn)化成產(chǎn)品,減少有害于環(huán)境的廢物量。3.對生產(chǎn)過程中排放的廢物實行再利用,做到變廢為寶,化害為利。4.在商品使用壽命終結(jié)后,能夠便于回收利用,不對環(huán)境造成污染或潛在威脅。向社會提供清潔的產(chǎn)品,這種產(chǎn)品從原材料提煉到產(chǎn)品最終處置的整個生命周期中,要求對人體和環(huán)境不產(chǎn)生污染危害或?qū)⒂泻τ绊憸p少到最低限度。現(xiàn)代化的電鍍生產(chǎn)線Question1.電鍍的基本原理是什么？2.電鍍層有哪些用途？常見有哪些金屬鍍層？二、電解（1）通過發(fā)生在電極表面的電化學(xué)反應(yīng)直接合成產(chǎn)物；如通過陽極氧化制取氟、氯、高錳酸鉀等，通過陰極還原制取氫和提取金屬等；（2）首先通過電化學(xué)反應(yīng)，然后通過次級反應(yīng)，包括溶解、離解、均相氧化或還原等得到產(chǎn)物。如氯酸鹽等。上述制得的無機產(chǎn)物，除電解過程外，還包含著電解前的原料處理，電解液的制備、凈化、電解后產(chǎn)物的分離相加工(蒸發(fā)、結(jié)晶、干燥等)。1.氯堿工業(yè)1.重要地位和作用堿是化學(xué)工業(yè)的基礎(chǔ)原料，堿分為純堿和燒堿兩種，a.純堿分子式為NaCO3，相對分子質(zhì)量為105.99，無水白色粉末，相對密度為2.533，熔點為851℃，易溶于水；b.燒堿分子式為NaOH，相對分子質(zhì)量為40，為白色不透明的羽狀結(jié)晶，相對密度為2.1，熔點為328℃，易溶于水，水溶液呈強堿性，在空氣中易吸收二氧化碳變成碳酸鈉。堿在國民經(jīng)濟中有著重要的地位，純堿主要用于玻璃工業(yè)、化學(xué)工業(yè)、紡織、造紙、軍工及醫(yī)藥等；燒堿主要用于人造絲、合成纖維、石油煉制、皮革、肥皂、有機合成及精細(xì)化工等。2.生產(chǎn)方法①目前純堿的工業(yè)生產(chǎn)方法主要有氨堿法和聯(lián)堿法兩種；②燒堿的工業(yè)生產(chǎn)方法主要是食鹽水溶液電解法，其中包括水銀電解法、隔膜電解法和離子膜電解法三種。燒堿的生產(chǎn)電解反應(yīng)式: 2NaOH(aq)+Cl2(g)=NaCl(aq)+NaOCl(aq)+H2O陽極反應(yīng)陰極反應(yīng)2.電解水制氫氣水電解方法來制取氫和氧氣,出于其耗能大、成本高,常被其他方法所代替。2.金屬的冶煉電化學(xué)在有色金屬的提取和精制方面得到廣泛的應(yīng)用。電解冶煉是濕法冶金的一種，分水溶液電解冶金和熔融鹽電解冶金。優(yōu)點：可獲得純度很高的金屬，如電解鋼的純度可達99.98％。同時電解冶金還可處理低品位的礦和多金屬礦。金屬的提煉方法與它們在周期表中的位置大致關(guān)系A(chǔ).金屬Na的制備陰極反應(yīng) Na++e-Na陽極反應(yīng) 2Cl-Cl2+2e-整個反應(yīng) 2Na++2Cl-

2Na+Cl2B.金屬Al的制備陰極:Al+3+3e-

Al(l)陽極:2O-2+C(s)CO2(g)+4e-4Al+3+6O-2+3C(s)4Al(l)+3CO2(g)整個反應(yīng)碳鋼陰極CO2

氣泡Al(l)-+電源Al+3O-2O-2Al+3O-2石墨陽極

e-e-

From:/~ssinex/E_cells.ppt.C.電解精煉銅陽極（粗銅）：Cu－2e－＝Cu2＋陰極（純銅）：Cu2＋＋2e－＝Cu說明：

a.以銅為材料做的電極屬于活性電極。在一般的電解條件下，活性陽極先于電解質(zhì)溶液中的成分發(fā)生氧化反應(yīng)。b.粗銅中往往含有鋅、鐵、鎳、銀、金等多種雜質(zhì)，當(dāng)含雜質(zhì)的銅在陽極不斷溶解時，位于金屬活動性順序銅以前的金屬雜質(zhì)如Zn、Fe、Ni等，也會同時失去電子，如：Zn－2e－＝Zn2＋Ni－2e－＝Ni2＋但是它們的陽離子比銅離子難以還原，所以它們并不在陰極獲得電子析出，而只是留在電解液里。而位于金屬活動性順序銅之后的銀、金等雜質(zhì)，因為給出電子的能量比銅弱，難以在陽極失去電子變成陽離子溶解下來，當(dāng)陽極上的銅失去電子變成離子溶解之后，它們以金屬單質(zhì)的形式沉積在電解槽底，形成陽極泥（陽極泥可作為提煉金、銀等貴重金屬的原料）c.用電解精煉法所得到的銅叫做電解銅，它的純度可達到99.95%～99.98%Question：例1：用惰性電極分別電解下列各物質(zhì)的水溶液一段時間后，向剩余溶液中加入適量水能使溶液恢復(fù)到電解前濃度的是（）A.AgNO3B.Na2SO4C.CuCl2D.H2SO43.有機電合成有機電化學(xué)基本過程：電極表面有電子參加的氧化還原反應(yīng)。分為直接電有機合成和間接電有機合成兩大類。直接電有機合成：指有機合成反應(yīng)直接在電極表面上完成，這一類反應(yīng)居多數(shù)，包括氧化、還原反應(yīng)、裂解、偶聯(lián)、縮合、鹵代等；間接電解合成：指有機物的氧化還原反應(yīng)仍采用氧化劑或還原劑，使用化學(xué)方法進行，反應(yīng)后的氧化劑或還原劑通過電解氧化或還原方法使之再生，反復(fù)使用。特點：合成反應(yīng)和氧化還原劑的再生可以分別在反應(yīng)器和電解槽中完成，也可以在一個電解槽中完成，顯得復(fù)雜、麻煩。有機電解合成與化學(xué)合成相比，其優(yōu)點是：①可以通過電極電位控制反應(yīng)歷程，提高主反應(yīng)的選擇性；②在常溫常壓下合成，反應(yīng)條件溫和，提高反應(yīng)安全性；③反應(yīng)過程是由輸入電流提供電子，—般不產(chǎn)生有害的廢棄物，有于環(huán)境衛(wèi)生。電化學(xué)反應(yīng)：指在電極和溶液界面上進行電能與化學(xué)能之間的轉(zhuǎn)變反應(yīng)。從化學(xué)能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔苁且环N能自發(fā)進行的反應(yīng)，而電能轉(zhuǎn)變?yōu)榛瘜W(xué)能則是個強制過程。電化學(xué)反應(yīng)的特征：在陰極和陽極表面進行有電子參加的氧化還原反應(yīng)。電化學(xué)法與化學(xué)法比較：

a.通過改變槽電壓、電極材料、電解液組成及濃度來調(diào)節(jié)所需的電化學(xué)反應(yīng)速率和選擇性；在這方面電化學(xué)法有時比化學(xué)法更優(yōu)越，許多化學(xué)法不能完成或很困難的反應(yīng)，電化學(xué)法則很容易實現(xiàn)，且成本低、環(huán)境污染少；

b.電化學(xué)生產(chǎn)是能耗高