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電解原理的應(yīng)用(電鍍、電拋光、陽極氧化)


實驗室k / 2018-07-12

    使電流通過電解質(zhì)溶液(或熔融電解質(zhì))而引起的氧化還原反應(yīng)過程稱為電解,這種通過氧化還原反應(yīng)將電能轉(zhuǎn)變?yōu)榛瘜W(xué)能的裝置稱為電解池(或電解槽)。
    在電解池中,和直流電源的負(fù)極相連的一極稱為陰極,和直流電源的正極相連的一極稱為陽極。電子一方面從電源的負(fù)極沿導(dǎo)線進入電解池的陰極,另一方面,電子又離開電解池的陽極沿導(dǎo)線流回電源的正極。這樣陰極上電子過剩,陽極上電子缺少。電解液(或熔融液)中的正離子移向陰極,在陰極上得到電子進行還原反應(yīng);負(fù)離子移向陽極,在陽極上給出電子進行氧化反應(yīng)。在電解池的兩極反應(yīng)中,正離子得到電子及負(fù)離子給出電子的過程都稱為放電。
    例如,氯堿工業(yè)中電解飽和食鹽水,以鐵絲網(wǎng)為陰極,石墨為陽極,在陽極放電的是Cl-離子,在陰極放電的是H+離子(H+來自水的電離)
    陽極反應(yīng)             2Cl-(aq) = Cl2(g)+2e
    陰極反應(yīng)            2H2O(aq)+2e = H2+2OH-(g)

電鍍
    電鍍是應(yīng)用電解原理在某些金屬表面鍍上一薄層其他金屬或合金的過程。在電鍍時,將需要鍍層的金屬零件作為陰極,而用作鍍層的金屬(如Cu、Zn、Ni等)作為陽極,兩極置于欲鍍金屬的鹽溶液中,外接直流電源。
    如用金屬鎳作陽極,陰極為一需要鍍鎳的零件,對NiSO4溶液進行電解。在陽極上,由于Ni比OH-和SO42-容易氧化,因而OH-和SO42-離子并不放電,而是Ni溶解成為Ni2+離子。在陰極,雖然φθ(Ni2+/Ni)=-0.23V,比標(biāo)準(zhǔn)氫電極略低,但由于溶液中Ni2+離子的濃度遠(yuǎn)超過H+離子,并且氫的過電壓較大,所以析出的是金屬鎳,而不是氫氣。析出的金屬鎳鎳即鍍在零件上。

    陽極反應(yīng)            Ni(s) = Ni2+(aq)+2e

    陰極反應(yīng)            Ni2+(aq)+2e = Ni(s)

 

電拋光
    電化學(xué)拋光是金屬表面精加工方法之一,工業(yè)上用于增加金屬表面的亮度。
    電拋光時,將待拋光金屬(如鋼鐵)作陽極,以鉛板作陰極。在含有
磷酸硫酸鉻酐(CrO3的電解液中進行電解,鋼鐵表面被氧化而溶解,生成的Fe2+離子被溶液中的Cr2O72-離子進一步氧化為Fe3+,并與溶液中的HPO42-和SO42-離子生成Fe2(HPO43和Fe2(SO43等鹽。隨著這種鹽的濃度在陽極附近不斷地增加,在金屬表面就會形成有黏性的液膜。
    工件的表面本來是粗糙的,凸出的部分由于電流比較集中,溶解得快些形成黏性的液膜以后,液膜在不平的表面上分布是不均勻的,凸起部分液膜較薄。凹陷部分液膜較厚,這使凸起部分的電阻較小,電流更集中,溶解就更快些,終于使表面逐漸得以平整。
    電化學(xué)拋光主要用于形狀不復(fù)雜的鋁、不銹鋼制品的表面裝飾。與機械拋光相比,電化學(xué)拋光有許多優(yōu)點,如加工過程中不會發(fā)生制件變形,且勞動強度低。電化學(xué)拋光的缺點是拋光不同金屬需不同的溶液,例如用于低碳鋼拋光的溶液就不能用于高碳鋼的拋光,造成很大浪費。


陽極氧化
    陽極氧化是用電化學(xué)的方法使金屬表面形成氧化膜以達到防腐蝕目的的一種工藝。有的金屬暴露在空氣中就能形成氧化膜,但這種自然形成的氧化膜很薄,耐腐蝕性不強。用化學(xué)氧化劑處理金屬形成的氧化膜,耐腐蝕性較天然氧化膜提高很大,但也僅限于溫和條件下能起保護作用。用電化學(xué)氧化處理金屬屬(陽極氧化)得到的氧化膜,不僅膜厚而且能與金屬結(jié)合得很牢固,因而可提高金屬的耐腐蝕性和耐磨性,并可提高金屬表面的電絕緣性。
    例如,鋁在空氣中形成的天然氧化膜很?。s4nm),不能有效地防止腐蝕的發(fā)生。通過陽極氧化,鋁或鋁合金表面形成氧化膜的厚度可達幾十至幾百微米,使鋁的耐腐蝕性大大提高。而且氧化膜具有很高的電絕緣性和耐磨性,還可以用染料染成各種顏色。由于陽極氧化使鋁及鋁的合金具有一些優(yōu)良性能,在工程技術(shù)中得到廣泛應(yīng)用。
    鋁的陽極氧化在H2SO4溶液中進行,鉛為陰極,以鋁加工件為陽極。
    陰極反應(yīng)            2H+(aq)+2e = H2(g)
    陽極反應(yīng)            Al(s) = Al3+(aq)+ 3e
                        Al3+(aq)+ 3H2O(l) = Al(OH)3 (s)+3H+(aq)
                        2Al(OH)3(s) = Al2O3(s)+3H2O(l)
    在電解過程中,H2SO4又可以使形成的Al2O3膜部分溶解。要得到一定厚度的氧化膜,必須控制氧化條件,使氧化膜形成速度大于溶解速度。
    陽極氧化形成的氧化膜具有高的孔隙率和吸附性,容易被腐蝕和污染,所以要進行封閉處理。處理方法是將氧化后的工件放人沸水中,氧化膜表面和孔壁的Al2O3發(fā)生水合作用、使氧化物體積增大,將孔隙封閉。


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