电解精炼9.ppt

電解精煉 許翰棕 吳國瑋 ;電解精煉 電解 電解是將電流通過電解質溶液或熔融態物質，而在陰極和陽極上引起氧化還原反應的過程叫電解的一種方法，電化學電池在外加電壓時可發生電解過程。 在外電流作用下﹐使直流電通過電解槽﹐在電極界面引起化學反應的過程﹐即電能直接轉變為化學能的過程。電解是在電解槽中進行的。用兩塊電子導體(如金屬﹑石墨等)作為電極(陽極和陰極)﹐在兩極保持一定距離的情況下分別與離子導體(例如電解質溶液﹑熔融電解質等)直接接觸﹐即構成最簡單的電解槽。為防止陰極與陽極區的電解產物相混合﹐通常要在兩極間加上可使離子透過的隔膜。 ;以水的電解為例﹐電解槽中的陰極是鐵板﹐陽極是鎳板﹐以氫氧化鈉水溶液為電解液。兩電極與直流電源接通後﹐電流流入陽極﹐然後由陰極流回到直流電源中。實際的電子流動方向與電流的方向相反﹐即電子自外電源流入鐵陰極﹐隨後轉變為溶液中的離子輸送電荷﹐接著又轉變為鎳陽極中的電子導電﹐最後將電子送回直流電源中。 舉例以下為電解水的例子。 陽極(Pt): 2O2- ? 4e- + O2 陰極(Pt): 4H+ + 4e- ? 2H2 總反應式 2H2O ? 2H2 + O2 在這個反應中，陽極產生放出電子的反應（氧化），陰極產生取得電子的反應（還原）。 ; 電流通過電解槽時﹐不可避免地要在陰極發生還原反應和在陽極發生氧化反應。儘管電解液的成分相同﹐如果使用不同材料的電極﹐或在不同溫度和電極電勢下電解﹐則電極反應的速率甚至電解產物也都會不一樣。  電解是一種非常強有力的氧化還原手段﹐可以把電子當作氧化劑或還原劑來看待。許多在一般情況下很難發生的氧化還原反應﹐常常可以通過電解來實現。例如﹐只有用電解的方法﹐才能將熔融的氟化物在陽極上氧化成單質氟。又如電解熔融的鋰鹽時﹐可在陰極上將很難還原的Li 還原為金屬鋰。許多已經實現大規模生產的電解過程﹐例如電解食鹽水溶液製取氯氣和燒鹼﹐電解熔融的氧化鋁與冰晶石製取金屬鋁﹐電解精煉含雜質較多的銅等﹐經濟上非常合算﹐在國民經濟中具有重大意義。 ;與一般有機合成相比﹐有機化合物的電合成的最大特點是無需向體系中引入額外的氧化劑與還原劑﹐例如在陰極上將葡萄糖還原為山梨醇和甘露醇。這不但可以減少貴重化學藥品的消耗﹐而且還可消除某些對環境污染的危害。電合成可以使某些穩定性差﹐不宜於在高溫高壓下進行的反應﹐得以在常溫常壓下進行。此外﹐在電合成中通過對電極材料的選擇和溫度與電極電勢的控制﹐可以大大降低副反應的反應速率﹐簡化生產中分離與提純的操作。 為了解決環境污染和回收污水中的金屬材料﹐電解也是處理污水的一種方法。由於污水中金屬離子含量相當低﹐同樣也需要在電解槽設計上作出新的改進﹐以增大電極表面積和促使電解液的流動。當前﹐除通常使用的箱式電解槽外﹐許多新型的電解槽﹐如板框壓濾式電解槽﹑旋轉圓柱或多層圓盤電解槽﹑兩極間距離小至0.3～1毫米的雙極性電解槽﹑陰陽極與隔膜疊在一起的卷筒式電解槽等﹐已陸續用於生產。 ;為了大量節約電能和提高自然資源的利用率﹐最近20年來﹐電解在工藝上的發展很快。例如﹐使用對電極反應催化性能好的新材料製備電極﹔在多孔圓柱中裝入顆粒狀電子導體材料﹐電解液自下部流入﹐形成流化床﹔由普通隔膜電解發展為離子交換膜電解﹐並將這種工藝進一步發展到兩電極間的離子交換膜中幾乎不存在夾帶氣泡的液體電解質等。 電解可用來進行各種電化學的製備和生產，是重要的工業過程。 氯鹼工業：電解食鹽水，陽極產生氯氣，陰極產生氫和燒鹼溶液。 熔鹽電解：電負性高的氟和電負性低的鈉、鉀、鈣等鹼金屬和鹼土金屬以及各種難熔的金屬只能通過相應的 熔鹽電解才能制得。 電冶金：銅、鋅等金屬可通過電解法從礦石提取液中分離。 電解精煉：通過電解精煉可以獲得高純度的金屬。 電鍍、電拋光是重要的金屬表面精飾工藝。 ;電解精煉 直流電通過電解質水溶液﹐在電極上發生化學反應的過程。電解反應為原電池反應的逆過程﹐也就是將電能轉變成化學能的過程。為了討論上的統一﹐規定電解槽中從外電路輸入電子(e)的電極為陰極﹐在此電極上進行還原反應﹔向外電路輸出電子的電極為陽極﹐在該電極上進行氧化反應。在冶金中廣泛應用水溶液電解作為金屬精煉和從浸取液回收金屬的重要手段。前者稱為電解精煉或可溶陽極電解﹔後者稱為電解提取或不溶陽極電解﹐也稱電沉積(或電積)。 ???????? 電解精煉 銅﹑鎳﹑鈷﹑金﹑銀等金屬大都用電解精煉製取﹔而鉛﹑錫等金屬既可用火法也可用電解進行精煉。此時以粗金屬作陽極﹐純金屬薄片作陰極(始極片)﹐在適當的電解液中完成電解精煉作業﹐表1 幾種金屬的電解精煉 。現以銅的電解精煉為例﹐說明此種電解的一般規律。電解體系可表示如下﹕直流電通過時﹐陽極中電極電勢比銅負的金屬﹐如鋅﹑鐵﹑鈷﹑鎳﹑砷等﹐優先失去電子而成為離子進入電解