1、濕法冶金原理第三章水溶液電解質(zhì)電解教學(xué)內(nèi)容:電解工藝概述；陰極工藝；陽極工藝；電解工藝槽電壓、電流效率和電能效率教育要求:了解電解的基本原理、陽極、陰極、電解質(zhì)的概念；了解水溶液電解過程的陽極反應(yīng)和陰極反應(yīng)。了解電解過程中槽電壓的概念，掌握電流效率和電源效率的計算方法。教學(xué)重點和難點:水溶液電解過程的正負(fù)反應(yīng)對生產(chǎn)過程的影響；電流效率和電源效率計算方法。第15章水溶液電解，15.1概述15.2陰極工藝15.3陽極工藝15.4電解工藝15.5槽電壓，電流效率和電能效率，15.1概述，1基本概念電解的本質(zhì)是將電能轉(zhuǎn)換為化學(xué)能的過程。有色金屬水溶液電解質(zhì)電解適用于(1)從浸出(或凈化)的溶液中提取金

2、屬的兩個方面。(2)從粗糙金屬、合金或其他冶煉中間產(chǎn)品(如墊子)中提取金屬。電解過程將陰陽兩電極反應(yīng)合成陰極，產(chǎn)生的反應(yīng)是物質(zhì)得到電子后稱為陰極反應(yīng)的還原反應(yīng)。兩極發(fā)生的反應(yīng)是物質(zhì)失去電子的氧化反應(yīng)，稱為陽極反應(yīng)，兩極有溶解和不溶性兩種。15.1概述，2分解電壓理論分解電壓電解質(zhì)水溶液，歐姆電阻小，認(rèn)為可以忽略的話，可逆情況下分解所需的最小電壓稱為理論分解電壓。實際分解電壓是電解質(zhì)溶液中持續(xù)發(fā)生電解反應(yīng)所需的最低電壓，稱為電解質(zhì)的實際分解電壓。顯然，實際分解電壓大于理論分解電壓，有時大得多。15.2陰極工藝，陰極中1氫的沉淀1.1氫的沉淀過程第一過程-水合(H3O)離子的脫水化。(H3O) x

3、h2o (h3o) xh2o的第二過程脫水化(H3O)離子的放電，結(jié)果產(chǎn)生金屬(電極)吸附的氫原子。(h3o) H2O h eh (me)的第三過程陰極表面吸附的氫原子由于溶液過飽和而結(jié)合成氫分子。h hh2 (me)的第四個過程-氫分子的解吸和溶液進(jìn)入，可以在陰極表面生成氫氣泡進(jìn)行析出：xH2 (me) me xh2(溶解)xH2(溶解)xh2(氣體)，15.2陰極過程，氫離子在陰極上放電析出的超電勢具有很大的實際意義。在電解水中制造氫的情況下，氫的超電勢高是不可取的，因為電力消耗太多。但是對于有色金屬冶金中鋅、銅等水溶液的電解，氫的超電勢有利于金屬析出。氫的超電勢主要基于陰極材料、電流密度

4、、電解質(zhì)溫度、溶液成分等的塔佩爾方程：(15-1)，15.2陰極工藝，影響氫的超電勢的元素電流密度的電解質(zhì)成分影響陰極表面狀態(tài)的電解質(zhì)成分，15.2陰極工藝，2金屬離子的陰極還原周期表中左側(cè)金屬元素的特性越活躍，水溶液的性質(zhì)就越大越接近右側(cè)的金屬元素，將電沉積還原到陰極的可能性就越大。水溶液中，簡單金屬離子通常以鉻系列元素為邊界。鉻系左邊的金屬元素不能將電沉積還原到水溶液中的陰極。鉻族元素除了鉻在水溶液中更容易還原陰極中的電沉積外，鎢和鉬的電沉積是很困難的。鉻系右側(cè)的金屬元素在水溶液中陰極上還原電沉積更容易。通過還原過程產(chǎn)生非純金屬合金時，由于產(chǎn)物的活動減少，有利于還原反應(yīng)的實現(xiàn)。溶液中金屬離

5、子以比水合離子穩(wěn)定的絡(luò)合離子形式存在，析出電位變?yōu)樨?fù)值，不利于電解。在非水溶液的情況下，金屬離子的溶劑能量與水合化能量可能有很大差異，15.2陰極工藝，3陽離子的陰極上的共同放電3.1金屬陽離子的同時放電陽離子的共同放電條件是，(15-2)，因此兩種離子的共同放電與4個因素有關(guān)。也就是說，與金屬標(biāo)準(zhǔn)電位、溶液的放電離子活性、電極上放電時的超電位有關(guān)。15.2陰極工藝，3正離子在陰極上同時放電3.2金屬離子和氫離子，金屬的析出電位比氫的析出電位要暗得多。與氫的析出電位相比，金屬的析出電位得到了很大的修正。金屬的析出電位類似于氫的析出電位，但金屬的析出電位仍然更像氫的析出電位。但是氫是負(fù)的，而15

6、.2陰極工藝，4電結(jié)晶工藝要求在有色金屬的水溶液電解過程中有致密平坦的陰極沉積表面。陰極沉積物形成過程有兩個并行的過程：原子核的形成和晶體的生長。影響陰極沉積物結(jié)構(gòu)的主要因素(1)電流密度(2)溫升(3)攪拌速度(4)氫離子濃度(5)添加劑，水溶液電解質(zhì)電解過程中可能發(fā)生的陽極反應(yīng)，可以分為以下幾種基本類型：(1)金屬的溶解：Me ze A5;其溶解電位如下。金屬溶解電位的大小不僅與金屬性質(zhì)有關(guān)，還與溶液中那種金屬離子的活性、可溶性陽極中金屬的活性、那種金屬的氧化超電位等有關(guān)。(15-3)，15.3陽極工藝，2陽極鈍化2.1鈍化現(xiàn)象陽極極化時，如果陽極電極電位偏離平衡電位，則發(fā)生陽極金屬的氧化

7、溶解。隨著電流密度的增加，極化程度的增加，偏差越大，金屬的溶解速度也越大。電流密度增加到一定值，極化達(dá)到一定水平時金屬的溶解速度不會提高，而是急劇降低。此時，金屬表面將從“激活”狀態(tài)過渡到“鈍化”狀態(tài)。從激活狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)殁g化狀態(tài)的這種現(xiàn)象稱為陽極鈍化現(xiàn)象。圖15-1是陽極鈍化曲線的示意圖。15.3陽極工藝，圖15-1陽極鈍化曲線圖，15.3陽極工藝，2.2鈍化理論鈍化原因，目前有星形膜理論和吸附理論兩種共存理論。星形膜理論認(rèn)為金屬陽極鈍化的原因是陽極表面產(chǎn)生了將金屬和溶液分開單獨階段的致密、復(fù)蓋良好的固體物質(zhì)。吸附理論認(rèn)為，金屬鈍化不必形成新的固體產(chǎn)物膜，特定粒子吸附在金屬表面或部分表面形成吸附

8、層，金屬和溶液之間的界面發(fā)生變化，陽極反應(yīng)激活能量提高，金屬表面的反應(yīng)性降低，防止鈍化發(fā)生，或重新激活鈍化的金屬，經(jīng)常采取加熱、還原的氣氛，陰極極化，改變?nèi)芤旱膒H值，或添加特定活性負(fù)離子等措施。15.3陽極工藝，3合金陽極的溶解電解生產(chǎn)中使用的陽極不是單一金屬，往往比主要金屬包含正負(fù)電元素，構(gòu)成合金陽極。合金陽極多種多樣，二元合金可分為三大類：(1)兩種金屬晶體形成機(jī)械混合物的合金；(2)形成連續(xù)固溶體的合金；(3)形成金屬相互化合物的合金。，15.3陽極工藝，4不溶性陽極及其工藝，不溶性陽極一般使用(1)電子電導(dǎo)率和不氧化石墨(碳)的部分材料。(2)電位是在電解條件下位于水的穩(wěn)定度的氧氣線

9、上的各種金屬，其中首先是鉑；(3)電解條件下發(fā)生鈍化的各種金屬，如硫酸溶液中的鉛；堿性溶液的鎳和鐵。在硫酸溶液中，鉛或鉛使用合金作為陽極。鉛陽極穩(wěn)定性差，含0.0l9mol分?jǐn)?shù)銀的鉛合金比較穩(wěn)定。在被二氧化鉛覆蓋的陽極上，氧的超電勢很大。鉛在陽極上氧的超電勢較低。以15.4電解工藝、在硫酸水溶液中使用兩個銅電極的電解(圖15-4)為例，討論電解工藝的歷程。圖15-4 CuSO4水溶液中，使用兩個銅電極的電解圖，15.4電解過程，如果沒有在未連接電源之前制造平衡斷裂元件的因素，則兩個銅電極的平衡電位必須相同。如果將電極連接到電源，電極電位就會改變，電路中的電流就會流動。電源的陰極使電極電位沿負(fù)方

10、向移動，朝向連接的陰極輸入電子。陽極從連接的陽極中抽出電子，使電極電位正向移動。硫酸銅溶液電解的極化曲線如圖15-5所示。電解槽電路連接之前，電流不通，兩個電極的電勢都等于e。連接電路后，設(shè)置陰極電位值K，設(shè)置陽極電位值A(chǔ)。此時，反應(yīng)開始在電極上進(jìn)行，其速度由陰極電流強度IK和陽極電流強度IA確定。15.4電解工藝，圖15-5表明，CuSO4水溶液電分解為兩個銅電極的極化曲線圖，15.4電解工藝，此或其原因?qū)е玛枠O電位達(dá)到足夠高的正數(shù)時，金屬離子的轉(zhuǎn)移溶液可能非常慢或完全停止。在這種情況下，離子氧化開始，陽極轉(zhuǎn)子進(jìn)入鈍化狀態(tài)。如果陽極發(fā)生鈍化，則電流強度降低，陰極電流強度降低。必須指出，陽極的鈍化往往給金屬精煉的可用性陽極電解過程帶來困難。但是在將鉛作為不溶性陽極用于金屬硫酸鹽溶液的電解過程中，由于陽極鈍化而形成在鉛表面的二氧化鉛薄膜有利于工藝進(jìn)展。對15.5插槽電壓、電流效率和電源效率、1插槽電壓一個電解槽，電解反應(yīng)所需的電壓稱為槽電壓。et=ef e er，(15-4)，(15-5)，(15-6)，15.