第三篇湿法冶金原理
第三篇 湿法冶金原理
第十五章水溶液电解质电解 [教学内容]:电解过程概述;阴极过程;阳极过程; 电解过程槽电压、电流效率和电能效率 ■[教学要求]:了解电解的基本原理,阳极、阴极、电 解质的概念;理解水溶液电解过程的阳极反应和阴极 反应;理解电解过程槽电压的概念,掌握电流效率和 电能效率的计算方法。 [教学重点和难点]:水溶液电解过程的阳极和阴极上 的反应对生产过程的影响;电流效率和电能效率的计 算方法
第十五章 水溶液电解质电解 ◼ [教学内容]：电解过程概述；阴极过程；阳极过程； 电解过程槽电压、电流效率和电能效率 ◼ [教学要求]：了解电解的基本原理，阳极、阴极、电 解质的概念；理解水溶液电解过程的阳极反应和阴极 反应；理解电解过程槽电压的概念，掌握电流效率和 电能效率的计算方法。 ◼ [教学重点和难点]：水溶液电解过程的阳极和阴极上 的反应对生产过程的影响；电流效率和电能效率的计 算方法
第十五章水溶液电解质电解 ■15.1概述 ■152阴极过程 ■153阳极过程 154电解过程 ■155槽电压、电流效率和电能效率
第十五章 水溶液电解质电解 ◼ 15.1 概述 ◼ 15.2 阴极过程 ◼ 15.3 阳极过程 ◼ 15.4 电解过程 ◼ 15.5 槽电压、电流效率和电能效率
151概述 1基本概念 电解的实质是电能转化为化学能的过程。 ·有色金属的水溶液电解质电解应用在两个方面 (1)从浸出(或经净化)的溶液中提取金属; (2)从粗金属、合金或其他冶炼中间产物(如铳)中提 取金属 电解过程是阴、阳两个电极反应的综合 在阴极上,发生的反应是物质得到电子的还原反应,称为 阴极反应。 在阳极上,发生的反应是物质失去电子的氧化反应,称为 阳极反应,阳极有可溶与不可溶两种
15.1 概述 1 基本概念 • 电解的实质是电能转化为化学能的过程。 • 有色金属的水溶液电解质电解应用在两个方面： （1）从浸出（或经净化）的溶液中提取金属； （2）从粗金属、合金或其他冶炼中间产物（如锍）中提 取金属。 • 电解过程是阴、阳两个电极反应的综合 • 在阴极上，发生的反应是物质得到电子的还原反应，称为 阴极反应。 • 在阳极上，发生的反应是物质失去电子的氧化反应，称为 阳极反应，阳极有可溶与不可溶两种
151概述 2分解电压 理论分解电压某电解质水溶液,如果认为其欧姆电阻很小而 可忽略不计,在可逆情况下使之分解所必须的最低电压,称为理论 分解电压。 实际分解电压能使电解质溶液连续不断地发生电解反应所必 须的最小电压叫作电解质的实际分解电压。显然,实际分解电压比 理论分解电压大,有时甚至大很多
15.1 概述 2 分解电压 ◼ 理论分解电压 某电解质水溶液，如果认为其欧姆电阻很小而 可忽略不计，在可逆情况下使之分解所必须的最低电压，称为理论 分解电压。 ◼ 实际分解电压 能使电解质溶液连续不断地发生电解反应所必 须的最小电压叫作电解质的实际分解电压。显然，实际分解电压比 理论分解电压大，有时甚至大很多
152阴极过程 氢在阴极上的析出 11氢在阴极上的析出过程 第一个过程水化(HO)离子的去水化 I(H3O)XH2O+>(H3O)++XH,O 第二个过程去水化后的(H3O)离子的放电,结果便有为金属 (电极)所吸附的氢原子生成: (H3O+→H2O+H H++e→H (Me) 第三个过程吸附在阴极表面上的氢原子相互结合成氢分子 H+H]H2(Me) 第四个过程氢分子的解吸及其进入溶液,由于溶液过饱和的原因, 以致引起阴极表面上生成氢气泡而析出: xH2NMe+xH2(溶解)XH12(溶解)→xH2(气体)
15.2 阴极过程 1 氢在阴极上的析出 1.1 氢在阴极上的析出过程 ▪ 第一个过程—水化(H3O)+离子的去水化。 [(H3O)·xH2O]+→(H3O)+＋xH2O ▪ 第二个过程—去水化后的(H3O)+离子的放电，结果便有为金属 （电极）所吸附的氢原子生成： (H3O)+→H2O＋H+ H+＋e→H(Me) ▪ 第三个过程—吸附在阴极表面上的氢原子相互结合成氢分子： H＋H→H2(Me) ▪ 第四个过程—氢分子的解吸及其进入溶液，由于溶液过饱和的原因， 以致引起阴极表面上生成氢气泡而析出： xH2(Me)→Me＋xH2（溶解） xH2（溶解）→xH2（气体）
152阴极过程 12氢的析出超电位 现代认为氢在金属阴极上析出时产生超电位的原因,在于氢离 子放电阶段缓慢 氢离子在阴极上放电析出的超电位具有很大的实际意义。就电解水 制取氢而言,氢的超电位高是不利的,因为它会消耗过多的电能。 但是对于有色金属冶金,诸如锌、铜等的水溶液电解,较高的氢的 超电位对金属的析出是有利的。 氢的超电位与许多因素有关,主要的是:阴极材料、电流密度、电 解液温度、溶液的成分等等,它服从于塔费尔方程式: nH =a+bhn Dk (15-1)
15.2 阴极过程 1.2 氢的析出超电位 ▪ 现代认为氢在金属阴极上析出时产生超电位的原因，在于氢离 子放电阶段缓慢。 ▪氢离子在阴极上放电析出的超电位具有很大的实际意义。就电解水 制取氢而言，氢的超电位高是不利的，因为它会消耗过多的电能。 但是对于有色金属冶金，诸如锌、铜等的水溶液电解，较高的氢的 超电位对金属的析出是有利的。 ▪氢的超电位与许多因素有关，主要的是：阴极材料、电流密度、电 解液温度、溶液的成分等等，它服从于塔费尔方程式： K ln 2 H = a + b D （15-1）
152阴极过程 影响氢的超电位的因素 电流密度的影响 电解液温度的影响 电解液组成的影响 阴极表面状态的影响
15.2 阴极过程 • 影响氢的超电位的因素 • 电流密度的影响 • 电解液温度的影响 • 电解液组成的影响 • 阴极表面状态的影响
152阴极过程 2金属离子的阴极还原 周期表中愈靠近左边的金属元素的性质愈活泼,在水溶液中的 阴极上还原电沉积的可能性也愈小,甚至不可能;愈靠近右边的 金属元素,阴极上还原电沉积的可能性也愈大。 在水溶液中,对简单金属离子而言,大致以铬分族元素为界线; 位于铬分族左方的金属元素不能在水溶液中的阴极上还原电沉积; 铬分族诸元素除铬能较容易地自水溶液中在阴极上还原电沉积外, 钨钼的电沉积就极困难;位于铬分族右方的金属元素都能较容易 地自水溶液中在阴极上还原电沉积出来。 ■若通过还原过程生成的不是纯金属而是合金,则由于生成物的 活度减小而有利于还原反应的实现。 ■若溶液中金属离子以比水合离子更稳定的络合离子形态存在, 则由于析出电位变负而不利电解。 在非水溶液中,金属离子的溶剂化能与水化能相差很大
15.2 阴极过程 2 金属离子的阴极还原 ◼ 周期表中愈靠近左边的金属元素的性质愈活泼，在水溶液中的 阴极上还原电沉积的可能性也愈小，甚至不可能；愈靠近右边的 金属元素，阴极上还原电沉积的可能性也愈大。 ◼ 在水溶液中，对简单金属离子而言，大致以铬分族元素为界线； 位于铬分族左方的金属元素不能在水溶液中的阴极上还原电沉积； 铬分族诸元素除铬能较容易地自水溶液中在阴极上还原电沉积外， 钨钼的电沉积就极困难；位于铬分族右方的金属元素都能较容易 地自水溶液中在阴极上还原电沉积出来。 ◼ 若通过还原过程生成的不是纯金属而是合金，则由于生成物的 活度减小而有利于还原反应的实现。 ◼ 若溶液中金属离子以比水合离子更稳定的络合离子形态存在， 则由于析出电位变负而不利电解。 ◼ 在非水溶液中，金属离子的溶剂化能与水化能相差很大
152阴极过程 3阳离子在阴极上的共同放电 3.1金属阳离子同时放电 阳离子共同放电的条件是: RT a Me RT ln 7 =E In Me Me,(k) 2 aM2--1w(k) (15-2) 因此,两种离子共同放电与四个因素有关.即与金属标准电位、 放电离子在溶液中的活度及其析出于电极上的活度、放电时的超电 位有关
15.2 阴极过程 3 阳离子在阴极上的共同放电 3.1 金属阳离子同时放电 阳离子共同放电的条件是： Me1 Me2 = ( ) 0 ( ) 0 2 2 2 1 2 1 1 1 ln ln Me k Me Me Me k Me Me Me Me z zF z RT zF RT − − = − − + + （15-2） 因此，两种离子共同放电与四个因素有关．即与金属标准电位、 放电离子在溶液中的活度及其析出于电极上的活度、放电时的超电 位有关