應(yīng)用電化學(xué)課件-電解與電鍍

第八節(jié)

電解與電鍍一電解原理二氯堿工業(yè)一、電解飽和食鹽水反應(yīng)原理二、離子交換膜法制燒堿一、電解原理二、銅的電解精煉三、電鍍銅四、電解硫酸銅溶液五、電解水三電鍍其應(yīng)用一、電解原理：1、電解氯化銅溶液：電解CuCl2溶液；并檢驗Cl2結(jié)論：①裝CuCl2溶液——CuCl2晶體的溶解是電離？溶液中有幾種離子？②分別插入碳棒，取出觀察；連接后插入溶液，取出觀察③接通直流電源后插入，取出觀察，并檢驗氣體；銅生成于陰極碳棒，氯氣產(chǎn)生于陽極碳棒；裝置圖（2）電解原理：①通電前：CuCl2=Cu2++2Cl—，

Cu2+、Cl—為自由移動的離子；②通電后：Cu2+移向陰極得到電子，Cl—移向陽極失去電子；③電極反應(yīng)：陽極：2Cl—

－2e—=Cl2↑（氧化反應(yīng)）陰極：Cu2+

＋2e—=Cu（還原反應(yīng)）總反應(yīng)式：CuCl2Cu+Cl2↑電解如圖如圖2、電解：

使直流電通過電解質(zhì)溶液而在陰、陽兩極引起氧化還原反應(yīng)的程，叫做電解。3、構(gòu)成電解池的條件：是電能轉(zhuǎn)變?yōu)榛瘜W(xué)能的裝置！①直流電源；與電源負(fù)極相連的電極為陰極與電源正極相連的電極為陽極②陰、陽電極③電解質(zhì)溶液或熔融電解質(zhì)；4、電解池的工作原理：電子從電源負(fù)極給出電子進(jìn)入電解池的陰極陽離子得電子（發(fā)生還原反應(yīng)）電子流回電源正極陰離子（或非惰性電極）失電子（發(fā)生氧化反應(yīng)）電子從電解池的陽極流出－＋e陰極陽極陽離子得電子發(fā)生還原反應(yīng)電極材料或陰離子失電子發(fā)生氧化反應(yīng)電解質(zhì)溶液電解原理工作示意圖電解質(zhì)溶液負(fù)極正極e得到電子還原反應(yīng)失去電子氧化反應(yīng)電解質(zhì)溶液－＋e陰極陽極陽離子得電子發(fā)生還原反應(yīng)電極材料或陰離子失電子發(fā)生氧化反應(yīng)原電池與電解池的比較Cu2+oooooooooooooooooooo

－＋－＋陰極陽極CuCl2ooooooooooooooooooooooo電解氯化銅溶液實驗裝置e-e-單擊電子流動－＋陰極陽極Ⅰ通電前Ⅱ通電后通電前后溶液里離子移動示意圖粗銅純銅二、銅的電解精煉：1、電解精煉銅的裝置：

e-

－＋純銅作陰極，粗銅作陽極；

e-

e-AgAu單擊電子流動2、電解精煉銅原理：①粗銅的溶解與純銅的生成：陽極（粗銅）：Cu－2e-=Cu2+陰極（純銅）：Cu2++2e-=Cu②比銅活潑的金屬：Zn.Fe.Ni只溶解，不析出；③比銅不活潑的金屬：Au.Pt.不溶解，而以單質(zhì)沉積形成陽極泥；④電解質(zhì)溶液中CuSO4的濃度基本不變；三、電鍍銅：1、電鍍銅的裝置：【實驗4——2】鍍件作陰極，鍍層金屬作陽極，含鍍層金屬離子的電解質(zhì)配成電鍍液；2、電鍍銅的原理：陽極（鍍層金屬）：Cu－2e-=Cu2+陰極（鍍件）：Cu2++2e-=Cu電鍍液濃度不變；待鍍鐵制品銅片－＋CuSO4溶液四、電解CuSO4溶液：用惰性電極陰極：2Cu2++4e-=2Cu陽極：2H2O－4e-=O2↑+4H+總反應(yīng)式：2Cu2++2H2O2Cu+O2↑+4H+電解寫出電極反應(yīng)式及電解方程式；分析溶液PH的變化、溶液減少的量是？又如：Cu(NO3)2、AgNO3

二、氯堿工業(yè)一、電解飽和食鹽水反應(yīng)原理【實驗】電解飽和食鹽水現(xiàn)象：陽極——產(chǎn)生Cl2

陰極——產(chǎn)生H2裝置電極反應(yīng)：陽極反應(yīng)：2Cl－－2e－＝Cl2↑（氧化反應(yīng)）陰極反應(yīng)：2H++2e－＝H2↑（還原反應(yīng)）

總反應(yīng)：2NaCl+2H2O2NaOH+H2↑+Cl2↑電解陰極區(qū)陽極區(qū)

總反應(yīng)離子方程式：

2Cl－

+2H2O2OH－

+H2↑+Cl2↑電解二、離子交換膜法制燒堿1、離子交換膜電解槽的組成：由陽極（金屬鈦網(wǎng)）、陰極（碳鋼網(wǎng)）、離子交換膜、電解槽框和導(dǎo)電銅棒等組成；每個電解槽由若干個單元槽串聯(lián)或并聯(lián)組成；裝置2、陽離子交換膜的作用：將電解槽隔成陰極室和陽極室，它只允許陽離子（Na+）通過，而阻止陰離子（Cl－、OH－）和氣體通過?？煞乐笻2、Cl2混合爆炸，也可防止Cl2與NaOH反應(yīng)。3、食鹽的精制：（1）粗鹽的成份：泥沙、Ca2+、Mg2+、Fe3+、SO42－雜質(zhì)，會與堿性物質(zhì)反應(yīng)產(chǎn)生沉淀，損壞離子交換膜；（2）雜質(zhì)的除去過程：粗鹽水

含少量Ca2+.Mg2+精制鹽水Na+ooooooooooooooooooooooooooooooooooooooooooo電解飽和食鹽水實驗裝置H+OH—－＋陰極H2Fe陽極Cl2Coooooooooooooooooooooooe-e-單擊電子流動－+Cl2Cl2Cl—H2Na+H+OH—淡鹽水NaOH溶液精制飽和NaCl溶液H2O（含少量NaOH）離子交換膜

陽極金屬鈦網(wǎng)陰極碳鋼網(wǎng)電解質(zhì)變化，溶劑不變：CuCl2、HCl電解原理應(yīng)用電解溶質(zhì)和水：NaCl、CuSO4、AgNO3電解水：Na2SO4、H2SO4

、NaOH電解質(zhì)和溶劑均不變：電解精煉銅、電鍍?nèi)廴陔娊猓篘aCl、MgCl2

、Al2O3

一.電鍍的原理：

電鍍是用電解的方法對零件表面進(jìn)行加工的一種工藝。電鍍時零件為負(fù)極，鍍液中金屬離子在直流電的作用下沉積在零件表面形成均勻，致密的金屬層。

1.電鍍的必須條件:外加的直流電源，鍍液，鍍件及陽極組成的電解裝置。

2.電解的目的：改變零件表面的外觀和物理化學(xué)性能，達(dá)到裝飾性，耐腐蝕，耐磨性等各種技術(shù)性能。

3.電解的結(jié)晶過程：電解液中的金屬離子或絡(luò)離子在陰極還原沉積出金屬鍍層的過程叫電解晶。

說明：電解晶是一個電化學(xué)反應(yīng)過程，金屬離子是否能還原決定于陰極點位。只有在陰極電位偏離于平衡狀態(tài)，即產(chǎn)生一定的過電位時才能在陰極上沉積出金屬金體。

三電鍍及其應(yīng)用

4.金屬電沉積是一個復(fù)雜的過程，它一般有幾個連續(xù)的或同時的界面反應(yīng)步驟：

A.溶液中的金屬離子（如水化金屬離子或絡(luò)和離子）通過電遷移，對流，擴(kuò)散等形式到達(dá)陰極表面附近。

B.金屬離子在還原之前在陰極附近或表面發(fā)生化學(xué)轉(zhuǎn)換。

C.金屬離子從陰極表面得到電子還原成金屬原子。

D.金屬原子沿表面擴(kuò)散到達(dá)生長點進(jìn)行晶格生長，或與其他離子相遇形成經(jīng)晶核長大成晶體。說明：形成金屬晶體的兩個步驟：結(jié)晶核的生成與成長。

二.影響電鍍結(jié)晶的因數(shù)：

晶核的生成速度快，晶核生長后的成長速度就較慢，則生成的晶核數(shù)目較多，則晶粒就較細(xì)，反之就較粗。晶核的生長速度愈大于晶核的成長速度，鍍層結(jié)晶就愈細(xì)致，緊密。提高電結(jié)晶時的陰極極化作用可以加速晶核的生長速度，便于形成微小的晶體。

提高金屬電結(jié)晶時的陰極極化方法：

1.提高陰極電流密度：一般情況下，陰極極化作用隨陰極電流密度的增大而增大，鍍層結(jié)晶也隨之變得細(xì)致緊密。在陰極極化作用隨電流密度的提高而增大的情況下，適當(dāng)提高電流密度的方法提高陰極極化作用。

2.適當(dāng)降低電解液的溫度：降低溫度能減慢陰極反應(yīng)速度或離子擴(kuò)散速度，提高陰極極化作用。當(dāng)在實際操作中對于提高溫度帶來的負(fù)面影響可通過增大電流密度而獲得彌補。在生產(chǎn)具體操作中，根據(jù)實際情況調(diào)節(jié)電解液的溫度。

3.加入絡(luò)化劑在電鍍生產(chǎn)中能夠絡(luò)合主鹽中金屬離子的物質(zhì)稱絡(luò)合劑。絡(luò)離子較簡單離子難以在陰極上還原，從而提高陰極極化值。

4.加入添加劑添加劑吸附在電極的表面上阻礙了金屬的析出，提高陰極極化作用。

陰極極化作用并非愈大愈好，極化作用超過一定范圍，會導(dǎo)致氫氣的大量析出，從而使鍍層變得多孔，粗糙。在生產(chǎn)中，更具實際情況，采取具體措施適當(dāng)提高金屬結(jié)晶時的陰極極化作用。三.影響鍍液分散能力和覆蓋能力的因素：

鍍液的優(yōu)劣用分散能力和覆蓋能力表示。

分散能力指鍍液所具有的鍍層厚度的均勻分布能力.只說明鍍件表面的均勻程度。

覆蓋能力指鍍液能使零件深孔，凹洼的表面沉積出鍍層的能力，也叫深度能力。只說明鍍件表面凹入處或深孔處有無鍍層沉積。

1.電流分布電流通過電解質(zhì)溶液時，在陰極上析出物質(zhì)的量與通過的電量成正比。電流密度愈大，鍍層也就愈厚。金屬在陰極表面上的沉積取決于電量在陰極上的分布。電解液的阻力與陰極電化學(xué)反應(yīng)的阻力，是影響電流在陰極分布的兩個重要因素，其中一個起主導(dǎo)作用。

2.電流效率：鍍層金屬的分布取決于電流的分布，但并不等于電流的分布。通過一級的電流不單是消耗于金屬離子的沉積，而且消耗于析氫和其他副反應(yīng)。電流效率隨電流的密度改變而改變。影響金屬在不同部位的分布：

A.陰極電流效率隨電流密度的改變而幾乎沒有變化。陰極不同部位上鍍出的金屬多少直接取決于該處的電流的大小。

B.陰極的電流效率隨電流密度的升高而下降的則能提高分散能力。電流密度大的地方電流效率低，而電流密度小的地方電流效率高。要使各處的電流密度分布均勻，則要改變電解液的分散能力。

C.機體的表面狀態(tài)金屬在不潔凈的陰極表面上很難沉積出均勻的鍍層，甚至不能沉積。由于氫在粗糙表面上的過電位小于光潔表面，所以在粗糙表面上氫容易析出，鍍層就難以沉積。

D.陰極電流效率隨電流密度的升高而增大的則會降低分散能力。由于陰極上的電流密度大的地方電流效率高，電流小的地方電流密度低，這樣各處的實際電流密度更加不均勻，造成分散能力低下。

E.幾何因素電鍍槽的幾何形狀，陰陽極的形狀，兩個電極在電鍍槽中的排布形式等幾何因素直接影響鍍層的分布。

所有這些與電解液分散能力和覆蓋能力有關(guān)的因素，彼此不是孤立的，而又作實際的聯(lián)系。

四.改善電解液分散能力和覆蓋能力的途徑：

1.陰極極化度對于陰極極化較小的電解液，力求增大陰極極化的因素。直接或間接促成陰極極化度增大的因素，如選擇適當(dāng)?shù)慕j(luò)化劑及添加劑，均能改善鍍層的分散能力和覆蓋能力。

2.鍍液電導(dǎo)率對電阻較大的電解液，可適當(dāng)加入導(dǎo)電能力較強的電解質(zhì)。當(dāng)鍍液的陰極極化度較大時，提高電導(dǎo)率能明顯地提高分散能力和覆蓋能力。如果極化度極小那么對分散能力影響就不大。

3.陰極電流效率改善陰極電流效率，提高電解液的分散能力和覆能蓋能力。

4.機體的表面狀況提高機體表面光潔度，采用短時間沖擊電波，提高氫在機體上的過電位等，可以消除機體對分散能力和覆蓋能力的不良影響。

5.幾何因素的影響在實際生產(chǎn)中采用輔助陰極和象形陽極，合理調(diào)節(jié)陰陽極之間的距離等方法盡可能消除對幾何因素對電解液分散能力的影響。鍍鉻電解液是一個特殊，它是一種強氧化性的酸性電解液，在所應(yīng)用的電解液中分散能力最差的一種，在鍍鉻時為了提高電解液的分散能力往往從電化學(xué)性能以外的角度出發(fā)，采用防護(hù)陰極，是用輔助陽極和非金屬屏蔽以及合理調(diào)節(jié)電極之間的距離等方法，使其處于最佳的電流分布狀態(tài)。

五.電鍍層的分類和選擇：

1.按電化學(xué)性質(zhì)分類分陰極性鍍層和陽極性鍍層。

2.按用途分類分為防護(hù)性鍍層，防護(hù)-裝飾性鍍層，修復(fù)性鍍層，功能性鍍層。

3.按鍍層的組合形式分類分為簡單結(jié)構(gòu)，多層組合結(jié)構(gòu)和符合鍍層三類。簡單結(jié)構(gòu)指鍍單層鍍層；多層組合結(jié)構(gòu)可由不同金屬組成，如銅-鎳-絡(luò)三層結(jié)構(gòu)；也可由相同金屬層組成，如高耐腐蝕性雙層鎳-高硫鎳-光亮鎳等。六.鍍層的檢驗項目：

1.附著力鍍層與基體，鍍層與鍍層間的結(jié)合強度。

2.表面效果完整覆蓋并均勻分布。

3.鍍層厚和盡可能少的孔隙率有效阻止外界介質(zhì)。

4.光亮度

5.硬度

6.色澤

7.耐腐蝕性

8.外觀質(zhì)量不允許有明顯的針孔，麻點，劃傷等。七.影響鍍層質(zhì)量的主要因素：

1.鍍前處理是否良好鍍前處理的每一道工序直接影響鍍層的質(zhì)量，生產(chǎn)實踐中造成鍍層質(zhì)量事故的多數(shù)因素是制品鍍前處理不當(dāng)和欠佳所致。

2.電鍍?nèi)芤罕拘藻円旱男再|(zhì)，組成各成分的含量以及附加鹽，添加劑的含量等都會影響鍍層質(zhì)量。

3.基體的本性

4.電鍍過程電流密度，溫度，送電方式，移動和攪拌等。

5.析氫反應(yīng)電鍍過程中大多數(shù)鍍液的陰極反應(yīng)伴隨氫的析出。在不少情況下，氫的析出導(dǎo)致鍍層表面上針孔，麻點，鼓泡，氫脆等。消除氫脆的不良影響，在鍍厚進(jìn)行高溫除氫處理。

6.鍍后處理鍍后對制件的清洗，鈍化，除氫，拋光，保管方法等。

7.電源除一般采用直流電外，根據(jù)實際情況，可采用換向電鍍方法，使用周期換向電流。塑膠電鍍一.塑膠電鍍對塑膠件的技術(shù)要求：

1.要求光度高的部位，制件必須表面平滑。

2.零件表面設(shè)計符合電鍍要求，即較大平面中間應(yīng)呈突起狀，一般突起在0.10-0.15mm；菱角部位到圓，v型槽的寬度應(yīng)是深度3倍，盲孔深度為直徑的1/2-1/3。

3.零件應(yīng)有足夠的強度，壁厚一般在3mm左右，最薄不應(yīng)低于1.9mm,最厚不應(yīng)大于3.8mm.4.有鑲嵌件的塑膠制品，應(yīng)為鋁制件。

5.應(yīng)留有電鍍裝掛位置。裝掛位置應(yīng)設(shè)計在不影響外觀部位。應(yīng)用二.ABS料電鍍：

ABS料的組成部分：丙烯腈A,丁二烯B，苯乙烯S三元共聚，丙烯腈和苯乙烯形成樹脂相，橡膠狀的丁二烯組分以球形分散于丙烯腈和苯乙烯樹脂組成的混合物中。在強堿強氧化性的粗化液中，將制品表面的橡膠離子溶去，形成凹陷，使表面粗化。橡膠離子的多少影響鍍層附著力，因此電鍍產(chǎn)品對ABS料要求丁二烯的含量應(yīng)控制在18%-23%間。

1.對塑膠成型要求：原料在注塑前應(yīng)在80-90℃下烘干4h，除去原料中的水分。

2.注塑不使用脫模劑，尤其是有機硅脫模劑（脫模嚴(yán)重困難時可使用滑石粉或肥皂水）。

3.注塑采用較高溫度，一般在255-275℃，模具溫度一般在45-95℃間，注塑的壓力應(yīng)低，速度應(yīng)慢。

二.ABS料的電鍍工藝：

1.ABS塑膠電鍍工藝:

消除應(yīng)力

化學(xué)脫脂熱水洗冷水洗粗化冷水洗中和冷水洗敏化冷水洗去離子水洗活化還原冷水洗化學(xué)鍍冷水洗電鍍

2.過程原理與方法：

A.去應(yīng)力內(nèi)應(yīng)力降低鍍層的附著能力。

檢驗方法:

a.冰醋酸浸漬法將制件完全浸入（21-27）℃的冰醋酸溶液中30秒后，取出后立即清洗，晾干后檢查制件表面，若有細(xì)小致密的裂紋，說明此處有殘余不應(yīng)力，裂紋越大，應(yīng)力越大。

b.溶劑浸漬法將零件完全浸入（20-22）℃1：1的甲乙酮和丙酮的混合溶液液中15秒，取出后立即甩干，檢驗裂紋狀態(tài)。

解決辦法：在60-75℃的溫度下加熱2-4h，或在25%（體積）的丙酮中浸泡30分。

常用塑膠熱處理溫度：ABS塑膠65-75℃，聚丙烯80-100℃，氯化聚醚80-120℃，聚碳酸酯110-130℃，改性聚苯烯50-60℃，聚苯醚100-120℃；聚酰胺在沸水中處理。

2.脫脂去除制件表面的脫模劑及油污。經(jīng)常用堿性除油溶液，處理溫度在50-70℃。

3.粗化主要目的是提高塑件制品的表面粗糙度和塑膠的親水性。粗化的好壞對鍍層的附著力有很大影響，粗化的方法有機械粗化，化學(xué)粗化，有機溶劑脹粗化。

A.機械粗化用滾磨，噴砂，砂紙打磨等方法去除塑膠零件的毛邊，分型線條和澆口等。滾磨粗化適用小型零件，大型制件采用噴砂法。

B.有機溶劑粗化

聚乙烯：二氯乙烷，丙酮，二甲苯聚丙烯：汽油，鹵代烴

C.化學(xué)粗化用化學(xué)浸漬劑使非金屬材料得到粗化的表面，提高鍍層的結(jié)合能力。

ABS料化學(xué)處理規(guī)范

配方成分及工藝參數(shù)

高鉻型

高硫酸型

磷酸型

純鉻型

12

3

4

5

6

1

2鉻酐CrO3重鉻酸鉀

K2Cr2O7

硫酸

磷酸（85%)g/l400-430330-410250-35060020-30100010-201100-129010960240

30880280≥900≥900

溫度/℃

時間/min60-7010-3060-7015-3060-7030-6060-7030-6060-7030-6060-7030-6060-7010-3060-7010-30

高鉻酸型粗化溶液應(yīng)用廣，效果好，粗化速度快，粗化溫度低于60℃時，粗化速度慢，溫度高粗化速度快。粗化的質(zhì)量要求：塑膠表面全部被水濕潤后，從表面狀態(tài)上看：粗化好的表面呈微暗，平滑；粗化不足的表面平滑有光澤；粗化過渡的的表面顯發(fā)暗，嚴(yán)重時呈白絨狀，裂紋，疏松的表面。

4.中和，還原和浸酸將粗化后殘留在制件表面的六價鉻清洗干凈。在室溫條件下處理1-3min.A.10%的氨水進(jìn)行中和處理；

B.5%-10%NaOH中和處理。

C.1%-5%亞硫酸鈉進(jìn)行還原處理；

D.2-10mL/L水合肼，10-15mL/L鹽酸中進(jìn)行還原處理。

E.100-200mL/L鹽酸溶液進(jìn)行浸酸處理。

5.敏化敏化處理是使制件表面吸附一層具有還原性的金屬離子，在活化處理時，將具有催化作用的銀或鈀離子還原成銀或鈀原子，活化處理使制件表面形成一層催化活性的金屬層。為化學(xué)沉積提供必要的條件。常見的敏化劑：氯化亞錫，三氯化鈦，及常用的硫酸亞錫。

ABS料常用敏化工藝規(guī)范表

成分與工藝參數(shù)

配方

1

2氯化亞錫（SnCI2。2H2O）（g/l)10~302~5鹽酸（37%HCl)（Ml/L)40~502~5溫度/℃

室溫

室溫時間/min3~53~10

特別說明：配制敏化劑必須使用去離子水和試劑級的化學(xué)藥品，配制時要把氯化亞錫溶于鹽酸溶液中，否則氯化亞錫會水