1、第十二章 電化學(xué)節(jié)能技術(shù),12.1 電化學(xué)簡(jiǎn)介,一、概述 電化學(xué)是研究化學(xué)能與電能相互轉(zhuǎn)化以及與這個(gè)過程有關(guān)的規(guī)律學(xué)科。電化學(xué)多討論的是在消耗電能情況下進(jìn)行的反應(yīng)，或通過反應(yīng)產(chǎn)生電能，這種化學(xué)反應(yīng)稱為電化學(xué)反應(yīng)。 電化學(xué)反應(yīng)的特點(diǎn)是：發(fā)生反應(yīng)時(shí)氧化劑與還原劑并不直接接觸，它們之間電子的轉(zhuǎn)移是通過金屬導(dǎo)體來實(shí)現(xiàn)的。電子通過導(dǎo)體的流動(dòng)就是電流，因此電化學(xué)這一術(shù)語(yǔ)嚴(yán)格地應(yīng)用于那些與電流相聯(lián)系而發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)。 電化學(xué)反應(yīng)的特點(diǎn)是:發(fā)生反應(yīng)時(shí)氧化劑與還原劑并不直接接觸，它們之間電子的轉(zhuǎn)移是通過金屬導(dǎo)體來實(shí)現(xiàn)的。電子通過導(dǎo)體的流動(dòng)就是電流，因此電化學(xué)這一術(shù)語(yǔ)嚴(yán)格地應(yīng)用于那些與電流相聯(lián)系而發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)。

2、,電化學(xué)反應(yīng)可分成兩類:產(chǎn)生電流的反應(yīng)(發(fā)生在電池里的過程)和借助電流而發(fā)生的反應(yīng)(電解)。 第一類反應(yīng)是自發(fā)的，通過電化學(xué)反應(yīng)使化學(xué)能變?yōu)殡娔?，進(jìn)而產(chǎn)生電流的裝置稱為化學(xué)電池或原電池(體系做功)。 第二類反應(yīng)必須依靠外界能量(電能)強(qiáng)迫使之發(fā)生(對(duì)體系做功)，由外加電能引起化學(xué)反應(yīng)，將電能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能的這種裝置稱為電解池，它是一種消耗電能的裝置，而且電能消耗非常大，研究其節(jié)能的規(guī)律與方法有重要的現(xiàn)實(shí)意義。 二、主要應(yīng)用 隨著電化學(xué)科學(xué)的不斷發(fā)展，電化學(xué)理論與電化學(xué)方法也廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)的多個(gè)領(lǐng)域，形成了應(yīng)用電化學(xué)的多個(gè)工業(yè)領(lǐng)域。如化工、冶金、金屬材料的加工等。 （一）原電池,原電池是將化學(xué)

3、能轉(zhuǎn)變成電能的裝置。它是利用兩個(gè)電極之間金屬性的不同，產(chǎn)生電勢(shì)差，從而使電子流動(dòng)產(chǎn)生電流，又稱非蓄電池。其電化學(xué)反應(yīng)不能逆轉(zhuǎn)，即是只能將化學(xué)能轉(zhuǎn)換為電能，簡(jiǎn)單說就是不能重新儲(chǔ)存電力，與蓄電池相對(duì)。所以，根據(jù)定義，普通的干電池、燃料電池都可以稱為原電池。 兩種活潑性不同的金屬電極用導(dǎo)線連接后插入電解質(zhì)溶液中，形成閉合回路就組成了原電池。 原電池是將一個(gè)能自發(fā)進(jìn)行的氧化還原反應(yīng)的氧化反應(yīng)和還原反應(yīng)分別在原電池的負(fù)極和正極上發(fā)生，從而在外電路上產(chǎn)生電流。,（二）電解 1.定義 直流電通過電解液(電解質(zhì)的溶液或熔融液)而在電極上發(fā)生氧化還原反應(yīng)的化學(xué)變化叫做電解。借助于電流引起化學(xué)變化的裝置，也就是將

4、電能轉(zhuǎn)變?yōu)榛瘜W(xué)能的裝置，叫做電解槽(或電解池)。電解槽中和直流電源的負(fù)極相連接的極叫做陰極，和電源的正極相連接的極叫做陽(yáng)極。電子從陰極進(jìn)入電解槽，從陽(yáng)極離開回到電源。在電解槽內(nèi)由離子導(dǎo)電，并無電子流過。在陰極上電子過剩，在陽(yáng)極上電子缺少。因此，電解槽中的正離子移向陰極，在陰極上和電子結(jié)合進(jìn)行還原反應(yīng)而放電;負(fù)離子移向陽(yáng)極，在陽(yáng)極上給出電子進(jìn)行氧化反應(yīng)而放電(在電解中，得失電子的過程都叫做放電)。這樣，就發(fā)生了電解現(xiàn)象。電解是人們掌握的最強(qiáng)有力的氧化還原方法。,2.電解的應(yīng)用 （1）電鍍。 （2）電解加工。電解加工是一種利用陽(yáng)極溶解的電化學(xué)反應(yīng)時(shí)對(duì)金屬材料進(jìn)行成型加工的方法。 （3）電解磨削，是

5、電解作用與機(jī)械磨削相結(jié)合的加工過程。 （4）電化學(xué)拋光，直接應(yīng)用陽(yáng)極溶解的電化學(xué)反應(yīng)對(duì)機(jī)械加工后的零件進(jìn)行再加工，以提高工件表面的光潔度 （5）電鑄，是一種利用陰極金屬沉積的原理加工零件的方法 。 （6）電泳涂漆法。,12.2 電化學(xué)基礎(chǔ)知識(shí),一、電解質(zhì)溶液 （一）定義 電化學(xué)過程中，電流導(dǎo)電需要導(dǎo)體。導(dǎo)體通常分為兩類:一是電子導(dǎo)體，靠自由電子定向流動(dòng)導(dǎo)電，如大多數(shù)金屬，石墨等;二是離子導(dǎo)體，靠正負(fù)離子的電遷移導(dǎo)電。 在水或其他溶液中，某些物質(zhì)，如HCl， H2S04, NaOH, NH4OH, NaCl, NaNO3,NaCO3等，會(huì)分解成為帶正電荷的陽(yáng)離子和帶負(fù)電荷的陰離子，這種現(xiàn)象叫做電

6、離。能夠電離的物質(zhì)稱為電解質(zhì)。含有電解質(zhì)的溶液稱為電解質(zhì)溶液。某些電解質(zhì)處于熔融狀態(tài)。 在電解質(zhì)溶液中，陽(yáng)離子帶正電荷，陰離子帶負(fù)電荷，它們的總數(shù)是相等的。而且正負(fù)離子在溶液中均勻分布，因此，,溶液本身是電中性的。 將兩塊電極插入電解液中，與直流電源接通。接直流電源正極的電極稱為陽(yáng)極，接負(fù)極的稱為陰極。接通直流電源后，在電場(chǎng)作用下，陽(yáng)離子向陰極遷移，陰極表面得到了電子而發(fā)生還原反應(yīng)；陰離子向陽(yáng)極遷移，陽(yáng)極表面失去電子而發(fā)生氧化反應(yīng)。正負(fù)離子在遷移的過程中完成了導(dǎo)電。 （二）電解質(zhì)溶液的基本性質(zhì) 1.電解質(zhì)溶液離子的電遷移 如果離子是在外電場(chǎng)力作用下發(fā)生的定向移動(dòng)，稱為電遷移。離子的電遷移不但是

7、物質(zhì)的遷移，而且也是電荷的遷移，所以離子的電遷移可以在溶液中形成電流。由于正負(fù)離子沿著相反的方向遷移，所以它們的導(dǎo)電效果是相同的，也就是說正負(fù)離子沿著同一方向?qū)щ姟?離子的電遷移速率除了與離子的本性（離子半徑，所帶電荷），溶液的濃度、黏度及溫度等有關(guān)外，還與電場(chǎng)的電勢(shì)梯度有關(guān)。在其他條件一定時(shí)，離子電遷移的速率與電勢(shì)梯度成正比。 2.電解質(zhì)溶液的導(dǎo)電過程 電解質(zhì)溶液的導(dǎo)電過程，必須既有電解質(zhì)溶液中離子的定向遷移過程，又有電極上物質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的過程，即在電場(chǎng)作用下，陽(yáng)離子向陰極遷移，陰極表面得到了電子而發(fā)生還原反應(yīng)；陰離子向陽(yáng)極遷移，陽(yáng)極表面失去電子而發(fā)生氧化反應(yīng)，兩者缺一不可，否則就不可能形

8、成持續(xù)的電流。 3.電解液的活度及活度系數(shù) 活度即某物質(zhì)的“有效濃度”，或稱為物質(zhì)的“有效摩爾分?jǐn)?shù)”。,二、法拉第定律 在電解質(zhì)導(dǎo)電的過程中，外加一定的電量，在兩個(gè)電極上就會(huì)消耗或析出一定量的物質(zhì)。消耗或析出物質(zhì)的數(shù)量與外加電量成正比，這種數(shù)量關(guān)系符合法拉第定律。即當(dāng)兩個(gè)電極之間有96485C電量（相當(dāng)于1mol電子的電量）通過不同的電解質(zhì)溶液時(shí)，會(huì)有1mol的電解產(chǎn)物生成。 為了使用方便，電化學(xué)中將96485C電量定義為一個(gè)電量單位，稱為一個(gè)法拉第。 即1F=96485C=26.8Ah。 1F電量通過電極時(shí)得到的反應(yīng)物雖然都是1mol,但反應(yīng)物不同，重量不同。因此將單位電量通過電極時(shí)所形成反

9、應(yīng)物的質(zhì)量稱為電化學(xué)當(dāng)量。,三、電流效率 法拉第定律是從大量的實(shí)踐中總結(jié)出來的，是自然界最嚴(yán)格的定律之一(對(duì)原電池也同樣適用)。該定律不受溫度、壓力、電解質(zhì)溶液的組成和濃度、電極的材料和形狀等任何因素的影響，在水溶液中、非水溶液中或熔融鹽中均可使用。但是，在電化學(xué)生產(chǎn)中，卻往往會(huì)出現(xiàn)看起來不符合法拉第定律的現(xiàn)象，例如鍍鋅時(shí)，通過的電量是1F，但得到的鍍鋅層的量卻不到1 mol。這是因?yàn)樵阡\反應(yīng)的同時(shí)，還發(fā)生有其他反應(yīng)，產(chǎn)生了氫，兩種反應(yīng)物加起來的和仍為1 mol。但在這里我們需要的是鍍鋅，而不需要?dú)?。得到的所需產(chǎn)物鍍鋅層的量比根據(jù)電量消耗按法拉第定律計(jì)算出來的鍍鋅層的量要少，為了便于說明這個(gè)問

10、題，提出了電流效率的概念。,（一）電流效率的定義 電流效率的定義可以從以下兩個(gè)方面來表述： 1.對(duì)于一定的電量，實(shí)際獲得所需產(chǎn)物質(zhì)量與根據(jù)法拉第定律計(jì)算應(yīng)得所需產(chǎn)物質(zhì)量的比值，通常以%表示。 2.對(duì)于一定量的物質(zhì)，根據(jù)法拉第定律計(jì)算所需的電量與實(shí)際消耗的電量的比值，通常以%表示。 （二）影響電流效率的因素 1.電極上有副反應(yīng)，消耗了部分電量。 2.所需的產(chǎn)物因一部分發(fā)生次級(jí)反應(yīng)（如分解、氧化、與電極物質(zhì)或溶液中的物質(zhì)反應(yīng)等）而被消耗掉。 因此，要提高電流效率，就需要采取措施，促使主反應(yīng)，抑制副反應(yīng)的進(jìn)行。,四、電解質(zhì)溶液的導(dǎo)電能力 不同的導(dǎo)體具有不同的導(dǎo)電能力。同樣，不同的電解質(zhì)溶液也有不同的

11、導(dǎo)電能力。電解質(zhì)溶液的導(dǎo)電能力與離子濃度、離子運(yùn)動(dòng)速度以及電解質(zhì)溶液的溫度有關(guān)。溶液中離子數(shù)量多、電場(chǎng)力強(qiáng)、溶液豁度小，則導(dǎo)電能力強(qiáng);溶液溫度升高使得溶液年黏稠度下降，離子運(yùn)動(dòng)阻力減小，也會(huì)提高溶液的導(dǎo)電能力。由于離子的質(zhì)量遠(yuǎn)大于電子質(zhì)量，使得離子的運(yùn)動(dòng)速度遠(yuǎn)小于電子運(yùn)動(dòng)速度，所以，電解質(zhì)溶液的導(dǎo)電能力遠(yuǎn)小于金屬的導(dǎo)電能力。 我們習(xí)慣上用電導(dǎo)和電導(dǎo)率來表示溶液的導(dǎo)電能力。這是因?yàn)殡娊赓|(zhì)溶液中一般都有幾種離子同時(shí)參與導(dǎo)電，可以看成是由幾條導(dǎo)電支路并聯(lián)而成，因此，使用電導(dǎo)和電導(dǎo)率更為便。,（一）電導(dǎo)的定義 電解液導(dǎo)電能力成為電導(dǎo)（L），是其電阻（R）的倒數(shù)：,S指電解液的導(dǎo)電截面積，單位為平方米；

12、表示電解液的長(zhǎng)度， 指電導(dǎo)率或電導(dǎo)。,（二）影響電解液的電導(dǎo)率的因素 （1）電解質(zhì)的本性。 （2）電解液的濃度。 （3）電解液的溫度。 （4）電解液的充氣率。,（三）電導(dǎo)的特性 了解電導(dǎo)的特性對(duì)于生產(chǎn)及科學(xué)研究中，合理地選用電化學(xué)裝置中的電解質(zhì)是有幫助的。 同溫同濃度下強(qiáng)酸和強(qiáng)堿因能解離出H+和OH-，電導(dǎo)率最大，鹽類次之，弱電解質(zhì)因?yàn)樵谌芤褐胁煌耆怆x，電導(dǎo)率最小。 強(qiáng)電解質(zhì)的電導(dǎo)率隨濃度的變化都是先增大，越過極值后又減小，這是因?yàn)闈舛仍龃髸r(shí)參與導(dǎo)電的離子數(shù)目增多，使導(dǎo)電能力增強(qiáng)，隨著濃度的增大，離子間的相互作用逐漸增強(qiáng)，反而又使導(dǎo)電能力減弱。 弱電解質(zhì)的電導(dǎo)率隨濃度的變化不明顯，是因?yàn)闈舛?/p>

13、增大時(shí)，雖然電解質(zhì)分子數(shù)增加了，但解離度卻隨之減小，溶液中離子數(shù)目變化并不大。,五、電極電位 六、電極極化 七、金屬的陰極過程和陽(yáng)極過程,12.3 電化學(xué)工業(yè)的主要節(jié)能技術(shù),一、合理選擇和設(shè)計(jì)電解槽 電化學(xué)工業(yè)中，發(fā)生電解的電化學(xué)裝置稱為電解槽。不同電化學(xué)行業(yè)中使用不同的電解槽。合理選擇和設(shè)計(jì)電解槽對(duì)電化學(xué)工業(yè)的節(jié)能意義重大。 （一）離子膜電解槽 目前，在氯堿工業(yè)中，主要采用三種電解方法:隔膜法電解、水銀法電解和離子膜法電解，相應(yīng)有毛種電解槽。離子膜法電解是近三十年來發(fā)展起來的新工藝，雖然單槽產(chǎn)率較低，們堿的濃度和純度都比較高，而且，耗電量最小。隨著離子膜性能的不斷改進(jìn)，今后，離子膜法電解將會(huì)

14、在提高生產(chǎn)率，降低能耗方面發(fā)揮更大的作用。,1.離子膜電解基本概念 2.離子膜電解法的特點(diǎn) （1）離子膜電解綜合能耗低，比隔膜電解噸產(chǎn)品綜合能耗低40%左右，具有明顯的節(jié)能效果； （2）離子膜成品堿中氯化鈉含量大大低于隔膜堿，燒堿純度50 %的氫氧化鈉堿液，含氯化鈉5060ppm; （3）無水銀或石棉污染環(huán)境的問題； （4）操作、控制都比較容易； （5）使用符合變化的能力較大； （6）要求用高質(zhì)量的鹽水； （7）離子膜的價(jià)格比較昂貴。,3.離子膜電解節(jié)能效果 4.離子膜電解技術(shù)的發(fā)展 （二）預(yù)焙電解槽 1.預(yù)焙陽(yáng)極電解槽 2.預(yù)焙鋁電解槽電流強(qiáng)化與高效節(jié)能技術(shù) 3.鋁電解槽新型陰極及焙燒啟動(dòng)與

15、控制技術(shù) （三）電鍍槽 二、改進(jìn)生產(chǎn)工藝 在電化學(xué)生產(chǎn)過程中，許多因素影響反應(yīng)過程的速度和質(zhì)量。比如電解液中各種成分的比例，電解液的溫度，添加劑的多少以及兩個(gè)電極的極距、陰極沉淀物的多少等。,（一）溶液的控制 （二）溫度控制 （三）以低毒、無毒工藝代替毒性較強(qiáng)的工藝 （四）采用電流效率高的工藝 三、改進(jìn)電極 電極是電解槽必不可少的組成部分。工作時(shí)，電極一方面將直流電壓加到電解槽上，通過大電流。另一方面陽(yáng)極和陰極往往也參與整個(gè)反應(yīng)過程。因此，電極性能的好壞對(duì)電化學(xué)過程有舉足輕重的影響。 （一）改進(jìn)陽(yáng)極 （二）陰極的改進(jìn) （三）惰性陽(yáng)極的開發(fā),四、使用添加劑 電化學(xué)工業(yè)中的電解液往往是由多種成分組成，除了主要的電解液成分外，還有各種添加劑。添加劑對(duì)于加速電化學(xué)反應(yīng)過程，提高反應(yīng)質(zhì)量和效率，有著明顯的作用。 五、采用高效電流整流電源 高頻脈沖電鍍電源是一項(xiàng)在我國(guó)被列為重點(diǎn)推廣的新技術(shù)。它與直流電鍍比較，可使電鍍層更加均勻，致密性好，光潔度高，增強(qiáng)了被鍍件的耐磨性。還可提高生產(chǎn)效率，縮短受鍍時(shí)間30%50%，節(jié)電效果明顯，同時(shí)可節(jié)約原材料10%25%，對(duì)貴金屬電鍍具有重大的經(jīng)濟(jì)意義。,六、降低電解、電鍍?cè)O(shè)備直流網(wǎng)絡(luò)的壓降損耗 工業(yè)電解槽通過的電流一般很大，降低直流大電流回路的線路損耗具有很大意義。 在安裝電力整流設(shè)備時(shí)，應(yīng)使整流電源的位置盡量靠近電解槽，縮短供電路徑。降低供電