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电 解 与 电 镀

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电 解 与 电 镀. 第五小组 田潇逸、魏晗栋 姜 天、殷 俊. 电解的概述. 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 ( 氧化或还原 ) 的过程。电解过程是在电解池中进行的。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,并与电子结合,变成中性的元素或分子;带负电荷的负离子迁移到另一电极 ( 阳极 ) ,给出电子,变成中性元素或分子。 使电流通过电解质溶液而在阴阳两极上引起氧化还原的过程。. 电解: 使电流通过电解质溶液而在阴阳两极引

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Presentation Transcript
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电 解 与 电 镀

第五小组

田潇逸、魏晗栋

姜 天、殷 俊

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电解的概述

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(氧化或还原)的过程。电解过程是在电解池中进行的。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,并与电子结合,变成中性的元素或分子;带负电荷的负离子迁移到另一电极(阳极),给出电子,变成中性元素或分子。

使电流通过电解质溶液而在阴阳两极上引起氧化还原的过程。

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电解: 使电流通过电解质溶液而在阴阳两极引

起氧化还原反应的过程。

  • 电解池:借助电流引起氧化还原反应的装置。

即:把电能转化为化学能的装置。

  • 电解质:在水溶液里或熔融状态下能导电的化合

物。

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构成电解池的条件
  • 直流电源
  • 阴阳电极 阴极:与电池负极相连 氧化反应

阳极:与电池正极相连 还原反应

  • 电解质溶液或熔融电解质
  • 形成闭合回路
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电解原理

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。阳离子向阴极移动,在阴极得到电子,被还原;阴离子向阳极移动,在阳极失去电子,被氧化。

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说明
  • 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:Ag+>Hg2+>Fe3+>Cu2+>H+>Pb2+>Sn2+>Fe2+>Zn2+>Al3+>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顺序是:S2->I->Br->Cl->OH->含氧酸根n->F-。
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电解的电解质
  • 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:某些也能在水溶液中导电(如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、氢化物;弱电解质一般有:(水中只能部分电离的化合物)弱酸(可逆电离,分步电离<多元弱酸>,弱碱(如NH3·H2O)。另外,水是极弱电解质。
  • 能导电的不一定是电解质判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结构和化学键的性质等因素。例如,判断硫酸钡、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2.4×10-4 g),溶液中离子浓度很小,其水溶液不导电,似乎为非电解质。但溶于水的那小部分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%)。因此,硫酸钡是电解质。碳酸钙和硫酸钡具有相类似的情况,也是电解质。从结构看,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。
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电解生成物规律   
  • 十六字要诀:
  • 阴得阳失 :电解时,阴极得电子, 发生还原反应,阳极失电子,发生氧化反应;   
  • 阴精阳粗 :精炼铜过程中,阴极使用精铜,阳极使用粗铜,最后阳极逐渐溶解,且产生阳极泥;   
  • 阴碱阳酸 :在电解反应之后,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 :电解反应之后,阴极产生固体及还原性气体,而阳极则生成氧化性强的气体。
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氯碱工业
  • 工业上用电解饱和NaCl溶液的方法来制取NaOH、Cl2和H2,并以它们为原料生产一系列化工产品,称为氯碱工业。氯碱工业是最基本的化学工业之一,它的产品除应用于化学工业本身外,还广泛应用于轻工业、纺织工业、冶金工业、石油化学工业以及公用事业。
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电解饱和食盐水反应原理
  • 阳极反应:2Cl--2e=Cl2↑(氧化反应)   H+比Na+容易得到电子,因而H+不断地从阴极获得电子被还原为氢原子,并结合成氢分子从阴极放出。   
  • 阴极反应:2H++2e=H2↑(还原反应)   
  • 在上述反应中,H+是由水的电离生成的,由于H+在阴极上不断得到电子而生成H2放出,破坏了附近的水的电离平衡,水分子继续电离出H+和OH-,   H+又不断得到电子变成H2,结果在阴极区溶液里OH-的浓度相对地增大,使酚酞试液变红。
  • 因此,电解饱和食盐水的总反应可以表示为:   
  • 总反应   2NaCl+2H2O=2NaOH+Cl2↑+H2↑
  • 工业上利用这一反应原理,制取烧碱、氯气和氢气。   
  • 在上面的电解饱和食盐水的实验中,电解产物之间能够发生化学反应,如NaOH溶液和Cl2能反应生成NaClO、H2和Cl2混合遇火能发生爆炸。在工业生产中,要避免这几种产物混合,常使反应在特殊的电解槽中进行。
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NaOH、Cl2和 H2都是重要的化工生产原料,可以进一步加工成多种化工产品,广泛用于各工业。所以氯碱工业及相关产品几乎涉及国民经济及人民生活的各个领域。
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我国氯碱工业的发展
  •   我国最早的氯碱工厂是1930年投产的上海天原电化厂(现上海天原化工厂的前身),日产烧碱2t。到1949年解放时,全国只有少数几家氯碱厂,烧碱年产量仅1.5万吨,氯产品只有盐酸、液氯、漂白粉等几种。   近年来,我国的氯碱工业在产量、质量、品种、生产技术等方面都得到很大发展。到1990年,烧碱产量达331万吨,仅次于美国和日本,位于世界第三位。1995年,烧碱产量达496万吨,其中用离子交换膜电解法生产的达56.2万吨,占总产量的11.3%。预计到2000年,烧碱年产量将达540万吨,其中用离子膜电解法生产的将达180万吨,占33.3%。
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离子膜电解法
  • 又称膜电槽电解法,是利用阳离子交换膜将单元电解槽分隔为阳极室和阴极室,使电解产品分开的方法。离子膜电解法是在离子交换树脂(见离子交换剂)的基础上发展起来的一项新技术。利用离子交换膜对阴阳离子具有选择透过的特性,容许带一种电荷的离子通过而限制相反电荷的离子通过,以达到浓缩、脱盐、净化、提纯以及电化合成的目的
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电解法生产金属
  • 电解法常用于制取纯度较高的金属。如用电解法制锰铝铜镁钛等金属。
  • 右图为电解钛的装置示意图

TiCl4+2e→TiCl2 +Cl2↑

TiCl4+e→TiCl3+1/2Cl2 ↑

TiCl4+TiCl2 === 2TiCl3

2TiCl3+Ti === 3TiCl2

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工业的一些电解反应式:

Nacl

阳极2Cl- -2e-==Cl2↑

阴极2H+ +2e-==H2↑

总反应式:2NaCl+2H2O=通电=2NaOH+Cl2↑+H2↑

Na2SO4

阳极:4OH- -4e-=2H2O+O2↑

阴极:2H+ +2e-=H2↑

总反应式:2H2O=通电=2H2↑+O2↑

KBr

阳极:2Br- -2e-==Br↑

阴极:2H+ +2e-==H2↑

总反应式:2KBr+2H2O=通电=Br2↑+H2↑+2KOH

H2So4

阳极:4OH- -4e-=2H2O+O2↑

阴极:2H+ +2e-=H2↑

总反应式:2H2O=通电=2H2↑+O2↑

NaOH

阳极:4OH- - 4e- = 2H2O+ O2↑

阴极:2H+ + 2e- = H2↑

总反应式:2H2O=通电=2H2↑+O2↑

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一、表面处理简介
  • 1.什么是表面处理?
    • 简单来说,表面处理是指改变物件的表面,从而给予表面新的性质。表面处理的对像可以是金属(例如钢铁),也可以是非金属(例如塑胶)。
  • 2.表面处理的种类有哪些?
    • 镀:有电镀、自催化镀(一般称为“化学镀”、“无电镀”等)、浸渍镀等
    • 阳极氧化
    • 化学转化层:如钢铁发蓝(俗称“煲黑”)
    • 热浸镀:如铅水
    • 涂装:如手工涂装、静电涂装、电泳涂装等
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二、电镀的概念
  • 什么是电镀?
    • 定义:利用电解工艺,将金属或合金沉积在镀件表面,形成金属镀层的表面处理技术。
    • 简单来说,电镀指借助外界直流电的作用,在溶液中进行电解反应,使导电体例如金属的表面沉积一金属或合金层。
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三、电镀的目的与作用
  • 电镀的目的是在基材上镀上金属镀层,改变基材表面性质或尺寸。电镀能增强金属的抗腐蚀性、硬度,防止磨耗,提高导电性、润滑性、耐热性、和表面美观
    • 镀镍:打底用或做外观,增进抗蚀能力及耐磨能力,(其中化学镍为现代工艺中耐磨能力超过镀铬)。
    • 镀金:改善导电接触阻抗,增进信号传输。
    • 镀钯镍:改善导电接触阻抗,增进信号传输,耐磨性比金佳。
    • 镀锡铅:增进焊接能力,快被其他替物取代(因含铅现大部分改为镀亮锡及雾锡)。
    • 镀铜:打底用,增进电镀层附着能力,及抗蚀能力。
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四、电镀原理

电镀过程示意图

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在盛有电镀液的镀槽中,经过清理和特殊预处理的待镀件作为阴极,用镀覆金属制成阳极,两极分别与直流电源的负极和正极联接。在盛有电镀液的镀槽中,经过清理和特殊预处理的待镀件作为阴极,用镀覆金属制成阳极,两极分别与直流电源的负极和正极联接。

  • 电镀液由含有镀覆金属的化合物、导电的盐类、缓冲剂、pH调节剂和添加剂等的水溶液组成。
  • 通电后,电镀液中的金属离子,在电位差的作用下移动到阴极上形成镀层。阳极的金属形成金属离子进入电镀液,以保持被镀覆的金属离子的浓度。在有些情况下,如镀铬,是采用铅、铅锑合金制成的不溶性阳极,它只起传递电子、导通电流的作用。
  • 电解液中的铬离子浓度,需依靠定期地向镀液中加入铬化合物来维持。电镀时,阳极材料的质量、电镀液的成分、温度、电流密度、通电时间、搅拌强度、析出的杂质、电源波形等都会影响镀层的质量,需要适时进行控制
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五、电镀的要素
  • 阴极:被镀物,指各种接插件端子。
  • 阳极:若是可溶性阳极,则为欲镀金属。若是不可溶性阳极,大部分为贵金属(白金,氧化铱)。
  • 电镀药水:含有欲镀金属离子的电镀药水。
  • 电镀槽:可承受,储存电镀药水的槽体,一般考虑强度,耐蚀,耐温等因素。
  • 整流器:提供直流电源的设备。
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电镀常用金属
  • 电镀大部份在液体中进行,又绝大部份是在水溶液中电镀,约有30种的金属可由水溶液进 行电镀。
  • 1、由水溶液电镀的金属:
  • 铜Cu、镍Ni 、铬Cr、锌、Zn、镉Co、铅Pb、金Au、银Ag、铂Pt、钴Co、锰Mn、锑Sb、铋Bi、汞、Hg 、镓Ga、铟In、铊As等。
  • 2、由非水溶液电镀的金属:
  • 锂、钠、钾、铍、镁、钙、锶、钡、铝、La、Ti、Zo、Ge、Mo等。
  • 3、可由水溶液及非水溶液电镀的金属:
  • 铜、银、锌、镉、锑、铋、锰、钴、镍等金属。
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金属电镀示例:
  • (1)﹒镀锌
  • 镀锌层为防腐性镀层﹐广泛应用于黑色金属的放腐蚀处理﹒其镀层弹性好但硬度较低﹐不适合承受摩擦
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(2)﹒镀锡

  • 利用锡的可焊性好﹐在空气中不易变色的特点﹐常用于铜印线﹑端子的导电部件﹐亦可用于食用器皿﹒
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(3)﹒镀铜

  • 镀铜层为一种重要的预镀层﹐常用于钢铁件的多层电镀的底层﹐能提高与机体金属的结合力﹐亦可提高零件的抗腐蚀性能﹒
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4)﹒镀镍

  • 镍在大气中有很好的钝化能力﹐表面能生成极薄的一层钝化膜﹐使机体与外界隔绝﹐以抵御大气﹑碱等腐蚀﹒
  • 另镀镍层的硬度较高﹐常用于耐磨性表面上﹐但单镀层不能作为防护镀层使用。﹒
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(5)﹒镀铬

  • 铬表面极易生成氧化膜﹑憎水﹑憎油﹐不易被污染﹐不易变色﹐不易失去光泽﹐在空气中相当稳定﹐是极重要的防腐装饰性镀层﹒镀铬层硬度极高﹑耐热。
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(6)镀镉

  • 抗潮湿和海洋环境,镉层比较柔软适应于精密的零组件,镀镉的氢脆倾向比较小,且除氢效果好。
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课外补充:塑料电镀
  • 定义: 在塑料制件上电沉积金属镀层的过程。
  • 将塑料表面披覆上金属,不但增加美观,且补偿塑料的缺点,赋予金属的性质,充分发挥塑料及金属的特性于一体,今日已有大量塑料电镀产品应用在电子、汽车、家庭用品等工业上。
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塑料电镀的过程
  • (1)清洁:去除塑料成型过程中留下的污物及指纹,可用碱剂洗净再用酸浸中和及水洗干净。
  • (2)溶剂处理:使塑料表面能湿润以便与下一步骤的调节剂作用。
  • (3)调节处理:将塑料表面粗化成内锁的凹洞以使镀层密着住不易剥离,也称为化学粗化。
  • (4)敏感化:将还原剂吸附在表面。
  • (5)成核:将具有催化性物质如金、吸附于敏感化(还原性)的表面,经还原作用结核成具有催化性的金属种子然后可以用无电镀上金属。
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塑料的优点:
  • 1.成型容易、成形好。
  • 2.重量轻。
  • 3.耐蚀性佳。
  • 4.耐药性好。
  • 5.电绝缘性优良。
  • 6.价格低廉。
  • 7.可大量生产。
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塑料的缺点:
  • 1.耐候性差、易受光线照射而脆化。
  • 2.耐热性不好。
  • 3.机械强度小。
  • 4.耐磨性很差。
  • 5.吸水率高。
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思 考 题

一、任选5个方面比较电解池与原电池的异同。

二、请分别列举由水溶液及非水溶液电镀的 金属材料各3例(各写1个方程式),并分析差异原因。

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谢 谢!

第五小组

田潇逸、魏晗栋

姜 天、殷 俊