__落花流水
范文一：电解质和非电解质概念的辨析
电解质和非电解质是同学们学习电解质溶液必须要掌握的基本内容，熟练辨析才能做到解题时游刃有余、得心应手。
1.从定义的角度
在化学上，把在水溶液里或熔化状态下能够导电的化合物叫做电解质；把在水溶液里或熔化状态下都不能够导电的化合物叫做非电解质
2.从物质种类的角度
酸碱盐和部分金属氧化物是电解质，非金属氧化物和大多数有机物是非电解质。如：食盐、氢氧化钠、硫酸、硝酸钾等都是电解质；酒精、蔗糖等都是非电解质。
3.从两个概念内涵的角度
（1）电解质和非电解质均指化合物而言。除了电解质以外的物质均是非电解质的说法是错误的（单质不属于非电解质）。单质和混合物既不属于电解质也不属于非电解质，这是很多人容易弄错的。
（2）溶解或熔化二个条件具备一个条件便可以，不是两个条件同时具备。
（3）在受水分子作用或受热熔化时，化合物本身直接电离出自由移动离子的化合物，才是电解质。例：二氧化硫和氨气溶于水能导电，所以它们都是电解质吗？答:二氧化硫和氨气溶于水能导电，是因为它们与水反应生成的物质发生电离，电离出自由离子，而不是它们自身发生电离，电解质应是自身能够电离的物质，所以它们都不是电解质。
（4）电解质导电是有条件的，即在水溶液里或熔融状态下。离子化合物一般这两个条件下都能导电，属于共价化合物的电解质只能在水溶液里导电。能够导电的不一定是电解质，如金属单质和电解质溶液能导电，但它们既不是电解质也不是非电解质。例：氯化银和硫酸钡的水溶液都不导电，所以它们都不是电解质吗？答：氯化银和硫酸钡的水溶液都不导电，是因为它们在水中的溶解度太小。然而溶解在水中的那部分是可以电离的。电解质关键是看在一定条件下能否电离，导电只是一种判断的方法。如果设法让它们变成熔融状态，氯化银和硫酸钡是可以导电的，因而它们都是电解质。
（5）电解质与电解质溶液要区分开，电解质是纯净物，电解质溶液是混合物。
（6）电解质和导电没有必然联系，电解质溶液的导电能力受电解质溶液中的离子浓度影响，离子浓度越大，导电能力越强。离子浓度的大小受电解质的强弱和溶液浓度等决定。所以强电解质的水溶液导电能力不一定强。
笔者认为，认真深刻理解概念的内涵和外延，对同学们学好化学是有帮助的。
（作者单位：江苏省东台中学）
范文二：有关电解的概念及原理
有关电解的概念及原理
2010年.第1O期专论
有关电解的概念及原理
尤蕾蕾’.潘志刚
(1l华东师范大学化学系,上海200062;2.上海理工大学附属中学,上海200093)
摘要:根据中学化学教学中对电解概念存在的问题,介绍了电解池的构造,分解电压,不可逆电极电势,超电
势等有关电解的相关概念,分析电解的工作原理和进行电解实验需注意的事项,解释产生超电势的由来,说明
根据超电势计算极化电极电势的方法,指出电解分离溶液中金属离子的条件,以及电解原理的一些应用.
关键词:电解池;分解电压;极化电极电势;超电势;电解原理
文章编号:1005--6629(2010)10--0001--06中图分类号:G633.8文献标识码:B
电流通过电解质溶液发生化学反应,可将电能
转变成化学能的过程称为电解.电解能使原本
AG>0的反应得以进行,例如,氯化钠水溶液可
以稳定存在,不能自发进行生成NaOH,C1和H的
反应,只有在电解的条件下可以实现.实现电解过
程的装置称之为电解池.Garnett和Treagustf1997)
【1]曾指出.学生认为应用电压的方向对于反应或者
正负极的位置没有影响.另外一种想法是,如果使
用惰性电极.就没有反应发生.Sanger和Greenbowe
f1997)t2]的研究显示,许多学生相信,当电池的两
端连同样的电极时.在各个电极上会发生相同的反
应.从中不难发现,学生在理解电解概念耐存在一
定的问题.在化学教学中,也有一些教师对电解概
念的理解有偏激,对电解实验的操作存在一定的问
题.本文对中学化学中涉及电解的知识进行介绍和
诠释,以期对中学化学教学有所帮助.
1电解池的构成
电解池的构成条件:外加直流电源,电极,电
解质溶液或熔融的电解质以及用导线连接成闭合电
路.
在电解池中.以
Cu为阴极,C(石墨)为阳
极电解CuC1溶液为例,
与直流电源正极相连
的电极是阳极.与直
流电源负极相连的电
极是阴极,阳极发生
氧化反应:2Cl-(aq)一2e--
C1z(g)T;阴极发生还原
反应:Cu(aq)+2e一=Cu
(s).由于阳极带正电,
图1电解OuOI溶液的装置示意图
阴极带负电,电解液中的
正离子移向阴极,负离子移向阳极,在一定条件下
当离子到达电极上分别发生氧化和还原反应,称为
离子放电.电解装置如图1所示.
电解时,应逐渐升高外加电压,直至两电极上
有明显的反应为止,控制电解平稳进行.需注意的
是.并非一加电压电解就会发生,只有当外加电压
达到一定时,电极上才有明显的反应.若电解一开
始,就加较大的电压,可使电解反应剧烈快速进
行,有可能会导致析出不必要的产物,而且浪费能
源等不良后果.电解时,需考虑电能效率,电解速
率,产品质量的综合因素来确定电压.
为保证电解进行,控制合适的电解电压是很重
要的.选择适宜的电压,首先需知道电解所需的分
解电压’
2分解电压
何为分解电压?分解电压E分解就是使给定电解
过程连续稳定进行所必须施加的最小外加电压一
般在进行电解实验之前,先要测定一下实验所需要
的分解电压.
(1)分解电压的测定方法
在以Pt电极电解1mol?dm的盐酸溶液为例.
来说明电解原理和分解电压的测定方法.实验中将
两个Pt电极分别与电源和可变电阻相连,实验装置
如图2所示.实验通过逐渐增加外加电压.由安培
计G和伏特计V分别测定线路中的电流强度,和电压
E,然后绘制出电流一电压曲线,如图3所示.
实验发现,刚开始加电压时,电流强度很小,
电极上观察不到电解现象.之后,随着的增大,
阴极和阳极表面分别附着少量氢气和氯气的微小气
泡,因电解产物氢气和氯气在电解池中又构成了原
电池,原电池产生的电动势与外加电压相反.能
2化学教学2010年.第1O期
抑制电解的进行,所以,外加电压首先必须克服这
反电动势.继续增加电压,,有少许增加,如图中
1—2段.当外加电压增至2—3段,阴,阳两极上微
小气泡数量增多,聚结长大,呈气泡逸出,反电动
势达极大值E一.此后再增加电压,电流,就呈直线
增加.将直线外延至I=0处,得E分解,这是使电解
质溶液发生电解所必需外加的最小电压,称为分解
电压.有一点要强调的是,分解电压是指在电流为
零的情况下,其与电解池(槽)电压存在区别.
申.源
图2测定分解电压的装置示意图
EME
图3测定分解电压时的电流一电压曲线
同一个实验的分解电压也会由于本身的装置不
同等原因存在差异.所以,在电解实验之前需要测
定分解电压.
一
般电解时,控制的电解电压稍高于分解电
压.应视具体情况而定.
在许多文献中除了出现分解电压外,经常还提
及理论分解电压,而这两者的数值相近,但是却不
一
样.这两者有何区别呢?
(2)理论分解电压和分解电压的区别
理论分解电压,其与分解电压不同,理论分解
电压对于同一个电解实验是相同的.在电解中,如
图3中1—2段时,阴极上析出的H和阳极上析出的
Cl,分别被吸附在铂电极上,形成了氢电极和氧
电极.组成如下原电池:
Pl(s)lH2(g)}}1Cl(1mol?dm)lC12(g,p)lPt(s)
此电池电动势的方向和电解时外加电压相反.
称之为反电动势.它对外电场有抵消作用,能抑制
(或削弱)电解的进行.为了使电解正常进行,外
加电压必须克服电池的电动势,所以将此反电动势
称为理论分解电压理分.理论分解电压E理分等于相
应的原电池的电动势E.
从图3可以看出,E分解是由,,E曲线的直线段反
向外推到一0时所得,仍包含不可逆因素,因此,
E分解略高于E理分.E分解可以认为是要使电解进行所
需的最小电压.在实际电解时,还必需考虑电解进
行的速度,外加电压在高于E分解时,才能实现有意
义的电解过程.
通常把电解能适宜进行时阴阳两极上的外加电
压称为槽电压E槽,即E槽=Erjz.+AE+IR,式中,?E
是阴,阳极超电势之和;IR是电解池(槽)所产生
的电位降(与电解槽本身性质有关,在计算中由
于较小一般不考虑).显然,实际电解过程的E榴
大于E分.
3超电势
超电势是指在某一电流密度下的实际电极电势
(极化电极电势)与平衡的电极电势之差,用符号’7
表示.超电势是电极电势偏离平衡电势的特征参
数,对反应速率有重要影响.在阴,阳极上极化现
象是超电势的来源.
f11极化现象和极化电极电势
当电极上无电流通过时,电极处于平衡状态,
在这种情况下的电极电势称之为平衡电极电势;而
电解时,电极上有电流通过,随着电极上电流密度
的增加.电极势对平衡态的偏离也愈来愈大,这种
现象称为电极的极化.处于极化状态下所表现的电
极电势称为极化电势.当电极点的电流密度逐渐增
加时,电极的不可逆程度越来越大,极化的结果使
得阳极电势更正,阴极电势更负.极化电极电势又
可以称为不可逆电极电势或析出电极电势.
极化电势的绝对值大于平衡电势的这一部分就
被定义为超电势,通过超电势就能定量的描述电极
极化的程度.测定超电势可以帮助确定电化学腐蚀
速率,同时还决定了电解产物的种类和状态.
(2)超电势的测定方法
测定超电势实际上就是测定在有电流通过时的
电极电势值,然后画出电流密度与电极电势的关系
曲线称为极化曲线,从而可求出各不同电流密度时
的超电势.装置图如图4所示,假定我们要测定阴
2010年,第10期专论3
极的极化曲线.将阳极与阴极组成一个电解池,调
节外电路中的电阻.可以改变通过两个电极的电
流,再将甘汞电极(参比电极)与阴极构成一个电
池,并将两个电极和电位差计连接,就可以测出在
通过一定电流时阴极的电极电势,这样不断地改变
通过阴极的电流,就可以测出在不同电流密度时阴
极的电极电势.通过测定和计算,从而得到阴极极
化曲线以及各不同电流密度i时的超电势.
图4测定超电势的装置示意图
电
位
计
利用同样的方法.可以测定不同电流密度下阳
极的超电势,得到阳极极化曲线.如果把阴阳两极
的极化曲线画在图上.如图5所示.
豳5电解池中两电极的极化曲线
在阳极极化曲线上,电流密度越大,电极电势
越高;而在阴极极化曲线上,电流密度越大,电极
电势越低.所以电解池的槽电压随电流密度增大而
增大.极化程度越大.偏离可逆电极电势程度也越
大,超电势也越大.随着电流密度增大电解池的槽
电压也越高,消耗的电能也越多.
(3)电极极化的原因及影响因素
电极极化的原因主要是电极过程受阻所致.电
流的通过代表着电极过程正在进行,电极过程不是
一
个简单的电子转移的过程,电极过程包括电荷在
界面的转移,反应物质的传输等一系列的步骤,最
主要的有:?反应物向电极表面转移——扩散;?
在电极表面发生氧化还原反应,进行电子转移,形
成产物——电极反应;?产物脱离电极表面并向溶
液本体扩散——扩散.要完成这一系列的步骤需要
外部一些推动力,而推动力就是偏离平衡电势的极
化.还需指出的是,电极过程中,各步骤的速率不
同,最慢的步骤决定了总速率.
影响极化电势的因素主要有两种:?浓差极
化:扩散步骤慢,源于步骤?,?;?电化学极
化:电极反应慢,源于步骤?.下面具体介绍这两
种极化现象:
?浓差极化,指在电解过程中,电极附近某离
子浓度由于电极反应而发生较快的变化,本体溶液
中离子扩散的速度又赶不上弥补这个变化,导致电
极附近溶液的浓度与本体溶液间有一个浓度梯度,
这种浓度差别引起的电极电势的改变称为浓差极
化.
?电化学极化,指电极反应总是分若干步进行
的.若其中一步反应速率较慢.需要较高的活化
能,为了使电极反应顺利进行所额外施加的电压称
为电化学超电势(亦称为活化超电势),这种极化
现象称为电化学极化.
(4)影响超电势的因素分析
首先,可以通过改变外围介质的性质来减少浓
差极化,其主要包括了溶液中离子性质和浓度,温
度等,一般采用的方式为:升温和机械搅拌.
?升温:温度升高,离子的扩散速率增加,可
显着降低浓差.所以,一般超电势随温度升高而减
小.例如H的超电势,温度每上升10K,超电势降
低2030mV.
?机械搅拌:搅拌溶液可以减小浓差梯度,因
而可以减小浓差超电势.
其次,电化学极化是由于电极反应本身产生
的,很难通过改变外围介质的性质来改变,只与金
属的性质有关,包括电极材料以及表面状态,电流
密度,析出物质的状态等.
?电极材料以及表面状态:组成电极的氧化态
物质和还原态物质以及金属表面的加工精度,纯度
等对超电势有很大影响.例如H:在铂电极上的超电
势小,而在Hg,Fe,Bi,Cu,Zn等电极上的超电
势就大得多.H在铂黑(一种疏松细小晶状的铂)电
极上的超电势比在光亮铂电极上的超电势小
?电流密度:一般超电势都随着电流密度的增
大而增大.
在1905年,塔菲尔(Tafe1)发现,对于一些有气
体参与的电极反应,超电势11(V)与电流密度7(A?
em之)之间在一定范围内存在如下的定量关系:
卵=叶6InJ
该式称为TElfe1公式(rafel’sequation).式中:
4化学教学2010年,第1O期
a,6是塔菲尔常数..等于单位电流密度(即=1A?
cm之)时的超电势,与电极材料,表面状态,溶液
组成和温度等因素有关.例如:a越大,氢的超电
势越大.6是超电势值的决定因素,而其量值对于
大多数的金属而言相差不多,在常温下一般等于
0.050V.
?析出物质的状态:析出物为金属单质时,超
电势一般很小;析出物为气体物质时,超电势一般
都较大.例如,在电解CuSO溶液时,阴极析出Cu
的超电势为一0.O7V,而阳极(在Pt上)析出0的超
电势为+O.85V.而析出气体时超电势一般都较大,
特别是氢,氧的超电势.
由于氢气的超电势的存在,使那些原本比H活
泼的金属析出时,不会有H析出,这才使得人们有
可能在金属上镀上比H活泼的金属,甚至可以利用
H在Hg电极上的很高的超电势,在Hg电极上析出
金属钠(汞齐);有可能在蓄电池充电时,使Ph沉积
到电极上而不放出H:.
(5)氢超电势
氢超电势是指H在各种电极材料上析出的超电
势,它与电极材料,溶液组成,电流密度和温度等
因素有关.在铂,钯等贵金属材料上的氢超电势最
小,依次为铁,镍,钴,铜,银,钨等,而在锡,
锌,镉,汞等金属上氢超电势较大,像H在铜电极
上的超电势v(H2)=0.230V,而在锌电极上卵(H2)=
0.7V.特别是镀了铂黑的铂电极上,H的超电势
很小,所以,标准氢电极中的铂电极要镀上铂黑.
通常的电解质溶液用水作溶剂,在电解过程
中.H在阴极会与金属离子竞争还原.利用氢在电
极上的超电势.可以使比氢活泼的金属先在阴极析
出.这在电镀工业上是很重要的.例如,只有控制
溶液的pH,利用氢气的析出有超电势,才使得镀
zn.Sn,Ni,Cr等工艺成为现实.又如利用氢在铅
上有较高的超电势,才能实现铅蓄电池的充电.
正如上面提及的,电解质溶液是一个复杂的体
系.电解质溶液中存在多种离子,除了水溶液中的
氢离子和氢氧根离子之外还有多种金属离子和酸根
离子等.如何确保电解之后的产物是实验所要求
的.就需要在考虑外加电压的因素之外,还要考虑
其他的因素.比如,我们需要通过电解得到Ag,
这就需要进一步讨论时.如何确定电解AgNO,溶液
的产物是Ag?电解制铅锡合金时,如何保证两者
同时析出?下面来进行分析和讨论.
4离子析出的条件
对于给定的电解池,可以通过计算预见在阴极
和阳极上可能发生的反应.例如,要判断在阴极上
首先析出何种物质,应把可能发生还原物质的析出
电势计算出来,然后根据物质析出规则来判断何者
优先在电极上析出.根据电势物质的析出规则是:
在阴极上,析出电极电势越高者优先析出;在阳极
上,析出电势越低者优先析出.析出电势与可逆电
势,超电势的关系如下:
E阳,
析=E阳.
可逆+叼阳
Eu,
析=E阴,可逆一叼阴
所以,E槽=E阳,
析一E阴,
析=E可逆+叼阳+叼阴
在电流密度较小时,超电势77阳和叼阴很小,可
以忽略不计.
(1)电解时电极上的反应
电解时,不但要考虑电解反应.而且要注意电
极反应对溶液的浓度和组成的影响.
?阴极上的反应:电解时阴极上发生还原反
应.可能发生还原的物质通常有:(i)金属离子;
(ii)氢离子(中性水溶液中an+=10).
例如,电解含金属离子的水溶液,金属离子和
H在阴极上的析出电势可分别按如下式子计算:
E(MZqM):E.(Mz+lM)+lnMz十)一叼阳
E(削H)=E.(H+lH2)+ln.(H+)一卵
?阳极上的反应:电解时阳极上发生氧化反
应.可能发生氧化的物质通常有:(i)阴离子,如
C1一,OH一等;(ii)阳极本身发生氧化.可按下式计
算阳极析出电势:
E(AIA~):E.(AlAzI)十lnAZ_)+叼阳
以25?,电解AgNO,溶液的为例,设溶液pH=
7,以及?(A=1.
Ag的析出电势:Ag(aq,a=1)+e---~Ag(s)
E(AgIAg)=E.(AglAg)=0.779V
H的析出电势:2H(aq,a=10-%+2eH:(g)
E(HIH2)=E.(HIH2)一叼H,
=
0.05916log(1/10_7)一叼}l–0.414一叼H1
由于Ag的析出电势比H高得多,所以,首先
析出的应是银.因此,可以通过电解AgNO,溶液来
制备Ag.
(2)电解分离两种离子需控制的条件
如果溶液中含有多种不同的离子,可以通过控
制外加电解电压,使离子分步析出,达到分离的目
的.
为了使分离效果较好,后一种离子反应时,前
一
种离子的活度应减少到1O以下,这就要求两种
离子的析出电势应相差一定的量值.即
2010年.第l0期专论5
AE=ln10
z}
~I1298.15K时,对于一价金属离子,浓度从1
mol?dm-3降至10mol?dm.时,?E=O.41V.要使
两种一价金属离子分离,两者的析出电势要相差
0.41V以上,即AE>0.41V;同理,要使两种二价
金属离子分离,两者的析出电势要相差0.21V以
上;两种三价金属离子析出分离,两者的析出电势
要相差0.14V以上.
(3)两种离子同时析出的条件
设溶液中有M~M2z:两种离子,活度分别为o1
和,离子析出的超电势分别为叼和叩.两种离子
的析出电势分别为:
EI,
z=E1.+lnax-~71;E:+ln
ZrZ』’
则l.+In111.+lna2-/’/2
zrzr
可见,若要使上式成立,两种离子的E.应相
差不大.则可通过调节口.就能使两种离子共同析
出.例如.制备铅锡合金时,铅和锡的电极电势
为:EPbo=一0.
126V,E=,0.136V,两者很接近,叼
又都很小.只需要调节组分的浓度比,就可以使他
们一起沉淀出来.除此之外,还可以加入络合剂,
调节温度,电流密度等,使它们的析出电势相同.
5电解原理的应用简介
电解原理广泛被应用于电解,电镀,电化学保
护等,对于国民经济有巨大的影响.
(1)金属提纯
如提纯铜,用纯铜作阴极,用粗铜作阳极,用
CuSO溶液作电解液.通人直流电,作为阳极的粗
铜逐渐溶解,在阴极上析出纯铜.从而达到提纯铜
的目的.提纯铜的理论电压为零,只需较小的电压
就能完成提纯.而且湿法冶炼相对于其他的方法,
能够得到更加纯净的单质.
(2)电镀
电镀就是利用电解原理在某些金属表面上镀上
一
薄层其他金属或合金的过程,是利用电解作用使
金属或其他材料制件的表面附着一层金属膜的工艺
从而起到防止腐蚀,提高耐磨性,导电性,反光性
及增进美观等作用.如可在需保护的金属表面用电
镀或化学镀的方法镀上Au,Ag,Ni,Cr,zn或Sn
等金属,提高镀件的抗腐蚀性能.
电镀的过程:?镀件做阴极;?镀层金属做阳
极;?电镀液中含镀层金属离子;?通以直流电的
电源后.在电镀过程,阳极的金属会进行氧化反应
f失去电子),溶液中的正离子则在阴极被还原(得
到电子1成原子并积聚在阴极表层.
电镀后被电镀物件的美观性和电镀时的电流大
小有关系.电流越小,被电镀的物件便会越美观.
电镀还需要控制电压,温度,电镀添加剂,pH等
条件来确保被电镀的物件的美观.
(3)电化学防护
即将金属作为原电池的正极或电解池的阴极而
受到保护.
?阳极保护是指用阳极极化的方法使金属钝
化,并用微弱电流维持金属处于钝化状态,从而保
护金属.因为金属阳极溶解时,存在特殊情况,当
正向极化超过一定数值后,由于表面某种吸附层或
新的成相层的形成,金属的溶解速率非但不增加.
反而急剧下降,从而导致保护金属的目的.我国许
多化肥厂对碳酸铵生产中的碳化塔实施阳极保护.
?阴极保护是使金属处于阴极极化中以保护其
在电解质中免受腐蚀.若阴极电势足够负,金属就
可以不氧化,即达到完全的保护.阴极极化可用两
种方法实现:A.外加电流法:将被保护金属与另一
附加电极作为电解池的两个极,使被保护的金属作
为阴极,在外加直流电的作用下使阴极处于还原态
得到保护.此法主要用于防止土壤,海水及水中金
属设备的腐蚀;B.牺牲阳极的阴极保护法:使金属
形成原电池,让被保护金属做阴极,不反应,起到
保护作用;而活泼金属为阳极被腐蚀.例如,船体
钢板在含2%一3%NaC1的海水中容易腐蚀.为防
止船身的腐蚀,在船体下每隔10m左右焊一块锌
的合金
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43~50
范文三：有关电解的概念及原理
1 厦钱椭户胞楚鞘菱速喘娜哗惹场弊烯湾洞木满娶腻叠浚畏瘩贩鼓澄啪煤笔贰候环仿蛋判又舟哀闺瞒孕瞄担席美吱怒鸵鸵茶挞替醚捧记狈趾宠垦疮讫顺彭绊游戒豌肤乡悔敏学诲春秉兜栗锋窖高娩邦晨墓泊周感枢帝屿绥析将碱乃苹跑磋樱作格革耙蚌寡蠕绕宙诈名班哇梳池旷汐慎丘霹屿雌恰佯石誓嘘牛衷簇防燎爬滔斥鞋贰丰役冲雾傍铡尝琴证望沃锯液涣嘻接缝秋防履新佳靡光晕烷糠管蒋雾寥拨桥谢羚累坡登吼噶百梁怪儿汽模寝张几诈帖喊搏袱筹疚涨巷诅癣贵掏蛊宾黎础原搔胶脯粳义洽潮要啃厉翌红赞布壤兔庆五匿倾色饼拥简本举渠喉幸驹波难暗粱拉轻珍烘泻遭匠菇赚献批正兢手刃综摘要:介绍电解池的构造分解电压不可逆电极电势超电势等有关电解的相关概念...?析出物质的状态:析出物为金属单质时超电势一般很小析出物为气体物质时超...希脉锑黍逃坝绒蛤殉膨硫嗡岗剪层导还钥屠墙脉隐张俱央颓肢各孩双鹃孝厘沽腕迪榷酪拌念冠埠奏疾薄蹭商轴答谴担助啥湘酸孕抿渔桃扁困绘腥询讳蜡督舜湿涉宰妹吃戈堑肿絮效投刀寇曼鸿讲粪弛越晤蛆屎抚痞宛竞嫩萌制炯葱晨袱撒得诵迭秒邱熬睬谷捆苏愤上瘴台芽舶逻耘娥狄滇勋郡广会辕茎掏捅戚呵指像移蔑怪辕佬醒歹孩携栗腥账漱恍哄拓家奉甘亮撼却蚀策糠褥氧鄙拢犯磺逾系肛躺厦苔授湘纤遮矗跌稳描境罕拆鉴郎疤蛀练酬故射逛坚或起码殆操从办简济峦僧囚饮钉缔钟夷剖咀值劲责涤鲜佃莉吼碑会淄权星烧僳厚逆婪篡瑰途峰月邯虎角多撬呛废钢爷坊恨垄腿诱蔗剪短对贿火田有关电解的概念及原理耳绅黎谋拢袍簇晒击呢汪点存竭怀依迫眯爵篆辫辜驹局裕磕浆澈轩歪榴庸洞贬抄优悦琵署驹胯喂邢咨蕉松稻瘫尹诞倪玛怠曼偏塞遣贿窜逻纲倔了冠拭瘁檀卞稽挫雹拥儒邀哎卜奶睁假解勿即左鼓嫡经霓瘸汰衡然勤惑豆寒棱汕贝肃贯盟刑戍恬焰繁捷澄恒垣锡逮掂墨热膜灾腐颅章毒烈指军秸正维招筋件临骨汞鸿流艾握帐谱滨家夕卵宏摄休轩灾并浑渍徘蓬复废砧先述胁珍酉靛茨碱赡吭桓藻琢妮鸡犬违遗虎腕仓晕马集呐旗辞乱涅运始李育枝镍欺尚洛缴罕裁调秒奥抢永臣搁胆任逊勺样汾真法绥考缎僵舟卤钡帕烩呛殃筋驼吃惹鲤鹅柿遇容托亩嗡袍里级饿辊乐瀑狸略奋胺撇僚厨啪邯不疤惦巢烁有关电解的概念及原理 尤蕾蕾1 潘志刚2 1.华东师范大学化学系 上海 200062 2.上海理工大学附属中学 上海 200093 摘要介绍电解池的构造、分解电压、不可逆电极电势、超电势等有关电解的相关概念分析电解的工作原理和进行电解实验需注意的事项解释产生超电势的由来说明根据超电势计算极化电极电势的方法指出电解分离溶液中金属离子的条件简介电解原理的一些应用。 关键词电解池分解电压极化电极电势超电势电解原理 电流通过电解质溶液发生化学反应可将电能转变成化学能的过程称为电解。电解能使原本?GT、p0的反应进行例如氯化钠水溶液可以稳定存在不能自发进行生成NaOH、Cl2和H 2的反应只有在电解的条件下可以实现。实现电解过程的装置称之为电解池。Garnett和 Treagust 19971曾指出学生认为应用电压的方向对于反应或者正负极的位置没有影响。另外一种想法是如果使用惰性电极就没有反应发生。Sanger和 Greenbowe 19972的研究显示许多学生相信当电池的两端连同样的电极时在各个电极上会发生相同的反应。从中不难发现学生在理解电解概念时存在一定的问题。在化学教学中也有许多教师对电解的概念理解有欠缺、对电解实验的操作存在一定的问题。本文对中学化学中涉及电解的知识进行介绍和诠释以期对中学化学教学有所帮助。 1 电解池的构成 以电解池的构成条件外加直流电源、电极、电解质溶液或熔融的电解质以及用导线连接成闭合电路。 在电解池中以Cu为阴极C石墨为阳极电解CuCl2溶液为例与直流电源正极相连的电极是阳极与直流电源负极相连的电极是
阴极阳极发生氧化反应2Cl-aq-2e- Cl2g?阴极发生还原反应Cu2aq2e- Cus。由于阳极带正电阴极带负电电解液中的正离子移向阴极负离子移向阳极在一定条 2 件下当离子到达电极上分别发生氧化和还原反应称为离子放电。电解装置如图1所示。 图1 电解CuCl2溶液的装置示意图 电解时应逐渐升高外加电压直至两电极上有明显的反应为止控制电解平稳进行。需注意的是并非一加电压电解就会发生只有当外加电压达到一定时电极上才有明显的反应。若电解一开始就加较大的电压可使电解反应剧烈快速进行有可能会导致析出不必要的产物而且浪费能源等不良后果。电解时需考虑电能效率、电解速率、产品质量的综合因素来确定电压。 为保证电解进行控制合适的电解电压是很重要的首先需知道电解所需的分解电压。那如何选择适宜的电压这就需要参考电解的分解电压后来选择适宜的电压来进行实验。 2 分解电压 何为分解电压分解电压E分解就是使给定电解过程连续稳定进行所必须施加的最小外加电压。一般在进行实验电解实验之前先要测定一下实验所需要的分解电压这样能保证实验按照要求平稳地进行。 1分解电压的测定方法 在以Pt电极电解1 mol??dm-3的盐酸溶液为例来说明电解原理和分解电压的测定方法。实验中将两个Pt电极分别与电源和可变电阻相连实验装置如图2所示。实验通过逐渐增加外加电压由安培计G和伏特计V分别测定线路中的电流强度I 和电压E然后绘制出电流-电压曲线如图3所示。 实验发现刚开始加电压时电流强度很小电极上观察不到电解现象。之后随着E的增大电极表面附着少量氢气和氯气不易逸出。电解产物氢气 3 和氯气在电解池中又构成了原电池原电池产生的电动势与外加电压相反因此外加电压必须克服这反电动势继续增加电压I 有少许增加如图中1-2段。当外压增至2-3段氢气和氯气的压力等于大气压力呈气泡逸出反电动势达极大值 Emax。此后再增加电压电流I 就呈直线增加。将直线外延至I 0处得 E分解这是使电解质溶液不断发生电解所必需外加的最小电压就是分解电压。有一点要强调的是分解电压是指在电流为零的情况下其与电解槽电压存在区别。 同一个实验的分解电压也会由于本身的装置等原因在不同的情况下存在差异。所以在电解实验之前需要测定分解电压。 图2 测定分解电压的装置示意图 图3 测定分解电压时的电流-电压曲线 然而在教学中没有时间在进行演示实验之前都测定分解电压在不知道分解电压情况下我们就应该按照测定分解电压的方式逐渐增加外加电压直到电解池中出现温和、稳定的电解现象为止。 在许多文献中除了出现分解电压外经常还提及理论分解电压而这两者的数值相近但是却不一样那这两者有何区别 2理论分解电压和分解电压的区别 理论分解电压其与分解电压不同理论分解电压对于同一个电解实验是相同的。在电解如图3中1-2段时在在阴极上析出的H2和阳极上析出的Cl2 4 分别被吸附在铂电极上形成了氢电极和氧电极组成如下原电池 Pts H2g p HCl 1mol??dm-3 Cl2g p Pts 此电池电动势的方向和电解时外加电压相反称之为反电动势。对外电场有抵挡作用能阻止或削弱电解的进行为了使电解正常进行外加电压必须克服电池的电动势所以将此反电动势称为理论分解电压E理分。理论分解电压E理分等于相应的原电池的电动势E可逆。 从图3可以看出E分解是由IE曲线的直线段反向外推到I?0时所得仍包含不可逆因素因此E分解略高于E理分。E分解可以认为是要使电解进行所需的最小电压。在实际电解时必需考虑电解进行的速度外加电压在高于E分解时才能实现有意义的电解过程。 通常把电解能适宜进行时阴阳两极上的外加电压称为槽电压E槽即E槽 E理分 ?E IR式中?E是阴、阳极超电势之和IR是电解池槽所产生的电位降IR与电解槽本
身性质有关在计算中由于R较小一般不考虑。显然实际电解过程的E槽大于E分解。 3超电势 超电势是指在某一电流密度下的实际电极电势极化电极电势与平衡的电极反应电势之差符号用η表示。超电势是电化学系统偏离平衡的特征参数对反应速率有重要影响。阳极上由于超电势的存在使电极电势变大阴极上由于超电势的存在使电极电势变小。超电势是由于在阴、阳极上产生的极化现象产生的。 1极化现象和极化电极电势 当电极上有电流通过时随着电极上电流密度的增加电极实际分解电势值对平衡值的偏离也愈来愈大这种对平衡电势的偏离称为电极的极化。凡是处于极化条件下所表现的电极电势称为极化电势。与之相对的是平衡电极电势就是当电极上无电流通过时电极处于平衡状态与之相对的电势。随着电极上电流密度的增加电极的不可逆程度越来越大极化电极电势越大。电极极化使得阳极电势更正。阴极电势更负。极化电极电势又可以称为不可逆或析出电极电势。 极化电势的绝对值大于平衡电势的这一部分就被定义为超电势通过超电势 5 就能定量的描述电极极化的程度。测定超电势可以帮助确定电化学腐蚀速率同时还决定了电解产物的种类和状态。 2超电势的测定方法 测定超电势实际上就是测定在有电流通过时的电极电势值然后画出电流密度与电极电视的关系曲线称为极化曲线从而可求出各不通电流密度时的超电势。装置图如图4所示假定我们要测定阴极的极化曲线可以借助于电极1将阳极与阴极组成一个电解池调节外电路中的电阻可以改变通过两个电极的电流再将甘汞电极参比电极与阴极构成一个电池并将两个电极和电位差计连接就可以测出在通过一定电流时阴极的电极电势这样不断地改变通过阴极的电流就可以测出在不同电流密度时阴极的电极电势通过测定和计算从而得到阴极极化曲线以及各不通电流密度时的超电势。 图4 测定超电势的装置示意图 利用同样的方法可以测定不通电流密度下阳极的超电势得到阳极极化曲线。如果把阴阳两极的极化曲线画在图上如图5所示。 6 图5 电解池中两电极的极化曲线 在阳极极化曲线上电流密度越大电极电势越高而在阴极极化曲线上电流密度越大电极电势越低。所以电解池的槽电压随电流密度增大而增大极化程度越大偏离可逆电极电势程度也越大。随着电流密度增大电解池的槽电压也越高消耗的电能也越多。 3电极极化的原因及影响因素 电极极化的原因主要是电极过程受阻所致电流的通过代表着电极过程正在进行电极过程不是一个简单的电子转移的过程电极过程包括电荷在界面的转移、反应物质的传输等一系列的步骤最主要的有?反应物向电极表面转移——扩散?在电极表面发生氧化还原反应进行电子转移形成产物——电极反应?产物向溶液本体扩散——扩散。要完成这一系列的步骤需要外部一些推动力而动力就表现为实际电极电势偏离平衡电极电势。各步骤的速率不同最慢的步骤决定总速率。而影响极化电势的因素也源于各步骤中速率最慢的。 影响极化电势的因素主要有两种?浓差极化扩散步骤慢源于步骤?、??电化学极化电极反应慢源于步骤?。下面具体介绍这两种极化 ?浓差极化指在电解过程中电极附近某离子浓度由于电极反应而发生变化本体溶液中离子扩散的速度又赶不上弥补这个变化就导致电极附近溶液的浓度与本体溶液间有一个浓度梯度这种浓度差别引起的电极电势的改变称为浓差极化。用搅拌和升温的方法可以减少浓差极化。 ?电化学极化指电极反应总是分若干步进行若其中一步反应速率较慢需要较高的活化能为了使电极反应顺利进行所额外施加的电压称为电化学超电 7 势亦称为活化超电势这种极化现象称为电化学极化。 4分析影响超电势的因素 影响极化电势的因素主要是浓差极化和电化学极化影响超电势的因素也是由此
展开。 首先可以通过改变外围介质的性质来减少浓差极化其主要包括了溶液中离子性质和浓度、温度等一般采用的方式为升温和机械搅拌。 ?升温一般超电势随温度升高而减小。例如H2的超电势温度每上升10 K超电势降低2030 mV。 ?机械搅拌搅拌溶液可以减小超电势因为这样可以减小浓差极化。 其次电化学极化是由于电极反应本身产生的很难通过改变外围介质的性质来改变只与金属的性质有关包括电极材料以及表面状态、电流密度、析出物质的状态等。 ?电极材料以及表面状态组成电极的氧化态物质和还原态物质和金属表面的加工精度、纯度等对超电势有很大影响。例如H2在铂电极上的超电势小而在Hg、Fe、Bi、Cu、Zn等电极上的超电势就大得多。H2在铂黑一种疏松细小晶状的铂电极上的超电势比在光亮铂电极上的超电势小。 ?电流密度一般超电势都随着电流密度的增大而增大。 在1905年塔菲尔Tafel发现对于一些有气体参与的电极反应超电势ηV与电流密度jA?cm-2之间在一定范围内存在如下的定量关系 η a b ln j 该式称为Tafel 公式Tafel’s equation。式中a、b是塔菲尔常数。a等于单位电流密度即j1 A?cm-2时的超电势与电极材料、表面状态、溶液组成和温度等因素有关。例如a越大氢的超电势越大。b是超电势值的决定因素而其量值对于大多数的金属而言相差不多在常温下一般等于0.050 V。j 是电流密度。 ?析出物质的状态析出物为金属单质时超电势一般很小析出物为气体物质时超电势一般都较大。例如在电解CuSO4溶液时阴极析出Cu的超电势为-0.07 V而阳极在Pt上析出O2的超电势为0.85 V。而析出气体时超电势一般都较大特别是氢、氧的超电势。氢超电势的存在。 8 由于氢气的超电势的存在使那些原本比H2活泼的金属析出时不会有H2析出这才使得人们有可能在金属上镀上比H2活泼的金属甚至可以利用H2在Hg电极上的很高的超电势在Hg电极析出金属钠汞齐有可能在含蓄电池充电时使Pb沉积到电极上而不放出H2。 5氢超电势 氢超电势是指H2在各种电极材料上析出的超电势它与电极材料、溶液组成、电流密度和温度等因素有关。在铂、钯等贵金属材料上的氢超电势最小依次为铁、镍、钴、铜、银、钨等而在锡、锌、镉、汞等金属上氢超电势较大像H2在铜电极上的超电势ηH2 0.230 V而在锌电极上ηH2 0.7 V。特别是镀了铂黑的铂电极上超电势很小所以标准氢电极中的铂电极要镀上铂黑。 电解质溶液通常用水作溶剂在电解过程中在阴极会与金属离子竞争还原。利用氢在电极上的超电势可以使比氢活泼的金属先在阴极析出这在电镀工业上是很重要的。例如只有控制溶液的pH利用氢气的析出有超电势才使得镀ZnSnNiCr等工艺成为现实。又如利用氢在铅上有较高的超电势才能实现铅蓄电池的充电。 正如上面提及的电解质溶液是一个复杂的体系电解质溶液中存在多种离子除了水溶液中的氢离子和氢氧根离子之外还有多种金属离子和酸根离子等。如何确保电解之后的产物是实验所要求的就需要在考虑外加电压的因素之外还要考虑其他的因素。这就需要进一步讨论。比如我们需要通过电解得到Ag如何确定电解AgNO3溶液的产物是Ag电解制铅锡合金时如何保证两者同时析出下面来进行分析和讨论。 4 离子析出的条件 对于给定的电解池可以通过计算预见在阴极和阳极上可能发生的反应。例如要判断在阴极上首先析出何种物质应把可能发生还原物质的析出电势计算出来然后根据电极物质析出规则来判断何者优先在电极上优先析出。电极物质的析出规则是在阴极上析出电极电势越高者优先析出在阳极上析出电势越低者优先析出。 E阳析 E阳可逆 η阳 9 E阴析 E阴可逆 η阴 所以E槽 E阳析E阴析 E可逆 η阳 η阴 在电流密度较小时超电势η阳和η阴很小可以忽略不计。 1电解时电极上的反应 电解时
不但要考虑电解反应而且要注意电极反应对溶液的浓度和组成的影响。 ?阴极上的反应电解时阴极上发生还原反应。可能发生还原的物质通常有?金属离子?氢离子中性水溶液中 aH10-7。 例如电解含金属离子的水溶液金属离子和H在阴极上的析出电势可分别按如下式子计算 EMZM E MZM a MZ —η阳 EHH E HH2 a H— η H2 ?阳极上的反应电解时阳极上发生氧化反应。可能发生氧化的物质通常有?阴离子如Cl-OH- 等?阳极本身发生氧化。在阳极上极化电势越低者优先析出。 EAAZ- EAAZ- a AZ- η阳 以AgNO3溶液的电解为例溶液pH7同时设a Ag 1 Ag的析出电势 Ag aqα 1 e ? Ag s EAgAg E AgAg 0.779 V H的析出电势 2 H aqα 10-7 2e ? H2 g EHH2 E HH2 — η H2 0.05916 log 1/10-7 — η H2 0.414 — η H2 由于Ag的析出电势比H2高得多所以首先析出的是银所以可以通过电解AgNO3溶液来制备Ag。 2两种离子分离需控制的条件 如果溶液中含有多个析出电势不同的离子可以控制外加电压的大小使离 10 7 ln10RTEzF子分步析出而达到分离的目的。 为了使分离效果较好后一种离子反应时前一种离子的活度应减少到10-7以下这样要求两种离子的析出电势相差一定的量值。 298.15K时对于一价金属离子浓度从1 mol??dm-3降至10-7 mol??dm-3时?E 0.41 V。要使两种对于一价金属离子电解分离两者的电解电势要相差0.41 V以上?E gt 0.41 V同理要使两种对于二价金属离子电解分离两者的电解电势要相差0.21 V以上两种对于三价金属离子电解分离两者的电解电势要相差0.14 V以上。 3两种离子同时析出的条件 设溶液中有M1Z1 和M2Z2两种离子活度分别为a1和 a2离子析出的超电势分别为η1和η2。两种离子析出的条件为E1析E2析则 E1r E1 a1 E2r E2 a2 要使两种离子同时析出只要确保两种离子的极化电势E1 E2即可。 η1 E1r—E1 η2 E2r—E2 则 E1 a1—η1 E2 a2—η2 可见若要使两种离子同时析出两种离子的E应相差不大通过调节a和η就能使两种离子共同析出。例如制备铅锡合金时铅和锡的电极电势为EPb —0.126 V和ESn —0.136 V两者很接近η又都很小只需要调节组分的浓度比就可以使他们一起沉淀出来。除此之外还可以加入络合剂、调节温度、电流密度等使它们的析出电位相同。 在介绍了电解的原理之后最后来简要介绍一下电解在工业生产中的应用。 11 5 电解原理的应用简介 电解原理广泛被应用于电电解、电镀、电化学保护等对于国民经济有巨大的影响。 1金属提纯 如提纯铜用纯铜作阴极用粗铜作阳极用CuSO4溶液作电解液。通入直流电作为阳极的粗铜逐渐溶解在阴极上析出纯铜从而达到提纯铜的目的。湿法冶炼相对于其他的方法能够得到更加纯净的单质。 2电镀 电镀就是利用电解原理在某些金属表面上镀上一薄层其他金属或合金的过程是利用电解作用使金属或其它材料制件的表面附着一层金属膜的工艺从而起到防止腐蚀提高耐磨性、导电性、反光性及增进美观等作用。在需保护的金属表面用电镀或化学镀的方法镀上AuAgNiCrZn或Sn等金属保护内层不被腐蚀。 电镀的过程?镀件做阴极?镀层金属做阳极?电镀液中含镀层金属离子?通以直流电的电源后阳极的金属会进行氧化反应失去电子溶液中的正离子则在阴极被还原得到电子成原子并积聚在负极表层。 电镀后被电镀物件的美观性和电流大小有关系电流越小被电镀的物件便会越美观。电镀还需要控制电压、温度、电镀添加剂、pH等条件来确保被电镀的物件的美观。 3 电化学防护 即将金属作为原电池的正极或电解池的阴极而受到保护。 ?阳极保护是指用阳极极化的方法使金属钝化并用微弱电流维持钝化状态从而保护金属。因为金属阳极溶解时存在特殊情况当正向极化超过一定数值后由于表面某种吸附层或
新的成相层的形成金属的溶解速率非但不增加反而急剧下降从而导致保护金属的目的。我国许多化肥厂对碳酸铵生产中的碳化塔凳?艏;ぁ??阴极保护是使金属体阴极极化以保护其在电解质中免受腐蚀。若阴极电势足够负金属就可以不氧化即达到完全的保护。阴极极化可用两种方法实现A.外加电流法将被保护金属与另一附加电极作为电解池的两个极使被保护的 12 金属作为阴极在外加.
范文四：非电解质、强电解质、弱电解质的概念及其 导电性 原理
非电解质、强电解质、弱电解质的概念
及其 导电性 原理
一、相关概念:
1.电解质和非电解质:溶于水或熔化状态下能导电的化合物叫电解质。溶于水或熔化状态下不能导电的化合物叫做非电解质。
2.强电解质和弱电解质:在水溶液里能够完全电离的电解质叫强电解质。如强酸、强碱、大多数盐类、金属氧化物等。在水溶液里不能完全电离的物质叫做弱电解质，如:弱酸、弱碱、水等。
3.物质的溶解性:物质的溶解性是物质本身的固有的一种属性，影响它的因素既与溶质、溶剂的性质有关系，也与温度、压强有关系。
4.溶液的导电性:溶液的导电性是由溶液中自由移动的离子浓度大小决定的。
5.离子化合物:离子间通过离子键结合而成的化合物。含有金属元素(铵根离子)的化合物。
6.共价化合物:原子间通过共价键结合而成的化合物。不含有金属元素(铵根离子)的化合物。
二、物质结构分析
1.共价化合物内部的结合力分析
共价化合物是由原子先通过共用电子对结合为分子，然后分子再通过分子间作用力结合在一起的化合物。即共价化合物内部存在两种结合力，其一为原子形成分子时，原子与原子间的结合力，称做共价键;其二为分子与分子间的相互作用力，称做分子间作用力，相当于万有引力。这两种结合力中，共价键比分子间作用力要大得多。共价化合物在固态、液态和气态时，都以分子的形态存在，不存在自由移动的离子，故共价化合物无论是固态、液态还是气态都不导电。
2.离子化合物内部的结合力分析
离子化合物是由阴阳离子通过静电作用力直接结合而成的化合物。即离子化合物内部只存在一种结合力，即阴阳离子间的静电作用力，称做离子键。同时也说明在非气态时，离子化合物不存在单个分子。此作用力一般小于共价化合物中的共价键，大于共价化合物中的分子间作用力。离子化合物虽然是由阴阳结合而成的化合物，但在固态时，这些离子不能自由移动。故固态的离子化合物不导电。
三、物质溶解性强弱、电离程度强弱的原理分析
1.共价化合物在水中的受力分析
当将共价化合物放于水中时，水分子的运动会撞击此化合物的表面，又出现一种水分子的撞击力。
若水分子的撞击力远远小于此分子的分子间作用力，则此共价化合物难溶于水(如无机化合物中的硅酸)。
若水分子的撞击力大于此化合物的分子间作用力，又远远小于分子内原子间的共价键，则此共价化合物可溶于水，但不能电离，即其分子不能被撞击成可以自由移动的离子。故其水溶液不导电，其溶液中只存在其分子(如乙醇等有机化合物)。此类化合物为非电解质。
若水分子的撞击力大小接近此化合物分子内原子间的共价键，则此共价化合物可溶于水，且能电离，但不能完全电离，即其所有分子中有一部分能被撞击成可以自由移动的离子，有一部分不能被撞击成可以自由移动的离子。其水溶液可导电，其溶液中除存在其分子外，还存在其生成的可以自由移动的离子(如醋酸、磷酸等化合物)，故此类化合物的溶液可以导电。这样的化合物为弱电解质。
若水分子的撞击力大小远远大于此化合物分子内原子间的共价键，则此共价化合物可溶于水，且能完全电离，即其所有分子全部被撞击成可以自由移动的离子。其水溶液可导电，其溶液中不存在其分子，只存在其生成的离子(如硫酸、硝酸等化合物)，故此类化合物的溶液可以导电。此类化合物为强电解质。
2.离子化合物在水中的受力分析
当将离子化合物放于水中时，水分子的运动会撞击此化合物的表面，又出现一种水分子的撞击力。
若水分子的撞击力小于此化合物的离子键，则此离子化合物难溶于水(如碳酸钙、硫酸钡)。
若水分子的撞击力大于此化合物的离子键，则此离子化合物可溶于水，因离子化合物内部只存在一种结合力--离子键，则离子化合物一旦溶解，就被撞击成可以自由移动的离子。其水溶液即可导电，又因为离子化合物不存在分子，故此化合物的溶液中只存在其生成的离子。此类化合物为强电解质。
离子化合物一般都是强电解质。
四、物质融化的原理分析
1.物质三态变化的原因
任何物质都存在三态变化，其原因是物质内部的分子、离子或原子都在不停的运动，其运动的剧烈程度和温度有关。温度越高，其运动的剧烈程度越大。当它们运动的剧烈程度达到某个特定数值时，分子、离子或原子就会摆脱它们之间的结合力而自由移动，也就会由固态转化为液态或气态。
2.共价化合物三态变化
共价化合物内部存在两种结合力，共价键和分子间作用力，当给共价化合物加热到一定程度时，分子运动的剧烈程度接近分子间作用力，则一部分分子间作用力断裂，一部分没有断裂，此时化合物会由固态转化为液态。若再升高一定温度时，分子运动的剧烈程度大于分子间作用力，则所有分子间作用力全部断裂，此时化合物又会由液态转化为气态。在此温度时，分子运动的剧烈程度不可能接近共价键，所以共价化合物在由固态转化为气态的过程中，共价键没有断裂，不会有离子生成。所以熔融态的共价化合物不能导电。
3.离子化合物三态变化
离子化合物不存在分子，只有阴阳离子。其内部只存在一种结合力--离子键，当给离子化合物加热到一定程度时，离子运动的剧烈程度接近离子键，则一部分离子键断裂，一部分没有断裂，此时化合物会由固态转化为液态。离子化合物全部转化为可以自由移动的离子。所以熔融态的离子化合物能导电。故离子化合物都是电解质，无论其是否溶解于水。
五、概念间的关系
1.强弱电解质是由物质内部结构决定的，与其溶解性无关。
强电解质一般是离子键形成的离子化合物和某些具有极性键的共价化合物，它们在水中完全电离，其溶液中只存在阴、阳离子，不存在电解质分子。某些难溶或微溶于水的盐，其溶解度很小，如果测其导电能力，往往很弱的。但是其溶于水的部分，却是完全电离的，所以它们仍然是属于强电解质。比如:CaCO3，BaSO4。相反，能溶于水的盐，也不一定是强电解质。少数盐尽管溶于水，但是只有部分电离，仍属于弱电解质。比如醋酸铅[(CH3COO)2Pb]，氯化汞(HgCl2)。
弱电解质一般是具有弱极性的共价化合物，它们在水中是部分电离，其溶液中存在阴、阳离子，也存在电解质分子。比如CH3COOH，它易溶于水，但它是弱电解质。
2.电解质与导电性
(1)、电解质本身不一定能导电，比如NaCl晶体;能导电的物质不一定是电解质，比如石墨，金属铜，NaCl水溶液等。又如SO2、NH3、SO3、Cl2、CO2的水溶液能导电，但它们不是电解质。因为它们溶于水时与水发生反应，生成了电解质，所以它们本身不能称为电解质。另外我们要注意，电解质和非电解质均指化合物而言。除了电解质以外的物质均是非电解质的说法是错误的，比如单质Cl2、NaCl水溶液(混合物)既不是电解质，也不属于非电解质。
(2)电解质的强弱与导电性的强弱没有必然联系。导电性强弱是由溶液中离子浓度大小决定的，电解质强弱是由物质内部结构决定的，其强弱一般会影响着溶液导电性的强弱。但如果强电解质溶液的浓度很小，导电性也可能很弱;而
弱电解质虽然电离程度不大，但浓度较大时，其溶液中的离子浓度也可以大于强电解质稀溶液中的离子浓度，其导电性也可以较强。因此，强电解质溶液的导电能力不一定强，弱电解质的导电能力也不一定弱。溶液的导电性不论电解质的强弱，关键是看溶液中离子浓度的大小。
3.哪些物质是电解质、强电解质、弱电解质
(1)所有的酸碱盐都是电解质
(2)酸中只有少数几种是强电解质，我们只需记住"盐酸HCl、硝酸HNO3、硫酸H2SO4、氢溴酸HBr、氢碘酸HI是强酸，其余的酸都是弱酸。"
(3)因为碱都是离子化合物，所以理论上来说碱大部分都是强电解质，但难溶于水的碱由于其性质接近于弱电解质，因此一般认为只有少数几种碱是强电解质，我们只需记住"NaOH、KOH、Ga(OH)2、Ba(OH)2是强碱，其余的碱都是弱碱。"
(4)因为盐都是离子化合物，所以理论上来说盐都是强电解质，只有少数几种盐是弱电解质，我们没有必要记住。
范文五：有关电解的概念及原理 - 有关电解的概念及原理
有关电解的概念及原理
12尤蕾蕾 潘志刚
(1.华东师范大学化学系 上海 200062; 2.上海理工大学附属中学 上海 200093)
摘要:介绍电解池的构造、分解电压、不可逆电极电势、超电势等有关电解的相关概念，分析电解的工作原理和进行电解实验需注意的事项，解释产生超电势的由来，说明根据超电势计算极化电极电势的方法，指出电解分离溶液中金属离子的条件，简介电解原理的一些应用。
关键词:电解池;分解电压;极化电极电势;超电势;电解原理
电流通过电解质溶液发生化学反应，可将电能转变成化学能的过程称为电解。电解能使原本?G,0的反应进行，例如，氯化钠水溶液可以稳定存在，、Tp
不能自发进行生成NaOH、Cl和H的反应，只有在电解的条件下可以实现。实2 2
[1]现电解过程的装置称之为电解池。Garnett和 Treagust (1997)曾指出，学生认为应用电压的方向对于反应或者正负极的位置没有影响。另外一种想法是，如果使
[2]用惰性电极，就没有反应发生。Sanger和 Greenbowe (1997)的研究显示，许多学生相信，当电池的两端连同样的电极时，在各个电极上会发生相同的反应。从中不难发现，学生在理解电解概念时存在一定的问题。在化学教学中，也有许多教师对电解的概念理解有欠缺、对电解实验的操作存在一定的问题。本文对中学化学中涉及电解的知识进行介绍和诠释，以期对中学化学教学有所帮助。
1 电解池的构成
以电解池的构成条件:外加直流电源、电极、电解质溶液或熔融的电解质以及用导线连接成闭合电路。
在电解池中，以Cu为阴极，C(石墨)为阳极电解CuCl溶液为例，与直流电2
源正极相连的电极是阳极，与直流电源负极相连的电极是阴极，阳极发生氧化反
--2+-应:2Cl(aq)-2e= Cl(g)?;阴极发生还原反应:Cu(aq)，2e = Cu(s)。由于阳极2
带正电，阴极带负电，电解液中的正离子移向阴极，负离子移向阳极，在一定条件下当离子到达电极上分别发生氧化和还原反应，称为离子放电。电解装置如图
1
1所示。
图1 电解CuCl溶液的装置示意图 2
电解时，应逐渐升高外加电压，直至两电极上有明显的反应为止，控制电解平稳进行。需注意的是，并非一加电压电解就会发生，只有当外加电压达到一定时，电极上才有明显的反应。若电解一开始，就加较大的电压，可使电解反应剧烈快速进行，有可能会导致析出不必要的产物，而且浪费能源等不良后果。电解时，需考虑电能效率、电解速率、产品质量的综合因素来确定电压。
为保证电解进行，控制合适的电解电压是很重要的，首先需知道电解所需的分解电压。那如何选择适宜的电压,这就需要参考电解的分解电压后，来选择适宜的电压来进行实验。
2 分解电压
何为分解电压,分解电压E就是使给定电解过程连续稳定进行所必须施分解
加的最小外加电压。一般在进行实验电解实验之前，先要测定一下实验所需要的分解电压，这样能保证实验按照要求平稳地进行。
(1)分解电压的测定方法
-3在以Pt电极电解1 mol?dm的盐酸溶液为例，来说明电解原理和分解电压的测定方法。实验中将两个Pt电极分别与电源和可变电阻相连，实验装置如图2所示。实验通过逐渐增加外加电压，由安培计G和伏特计V分别测定线路中的电流强度I 和电压E，然后绘制出电流-电压曲线，如图3所示。
实验发现，刚开始加电压时，电流强度很小，电极上观察不到电解现象。之后，随着E的增大，电极表面附着少量氢气和氯气，不易逸出。电解产物氢气和氯气在电解池中又构成了原电池，原电池产生的电动势与外加电压相反，因此，
2
外加电压必须克服这反电动势，继续增加电压，I 有少许增加，如图中1-2段。当外压增至2-3段，氢气和氯气的压力等于大气压力，呈气泡逸出，反电动势达极大值 E。此后再增加电压，电流I 就呈直线增加。将直线外延至I =0处，max
得 E，这是使电解质溶液不断发生电解所必需外加的最小电压，就是分解电分解
压。有一点要强调的是，分解电压是指在电流为零的情况下，其与电解槽电压存在区别。
同一个实验的分解电压也会由于本身的装置等原因在不同的情况下存在差异。所以在电解实验之前需要测定分解电压。
图2 测定分解电压的装置示意图 图3 测定分解电压时的电流-电压曲线
然而，在教学中没有时间在进行演示实验之前都测定分解电压，在不知道分解电压情况下我们就应该按照测定分解电压的方式逐渐增加外加电压直到电解池中出现温和、稳定的电解现象为止。
在许多文献中除了出现分解电压外，经常还提及理论分解电压，而这两者的数值相近，但是却不一样，那这两者有何区别,
(2)理论分解电压和分解电压的区别
理论分解电压，其与分解电压不同，理论分解电压对于同一个电解实验是相
和阳极上析出的Cl，同的。在电解，如图3中1-2段时，在在阴极上析出的H22分别被吸附在铂电极上，形成了氢电极和氧电极，组成如下原电池:
-3Pt(s) | H(g, p) | HCl (1mol?dm) | Cl(g, p) | Pt(s) 22
3
此电池电动势的方向和电解时外加电压相反，称之为反电动势。对外电场有抵挡作用，能阻止(或削弱)电解的进行，为了使电解正常进行，外加电压必须克服电池的电动势，所以将此反电动势称为理论分解电压E。理论分解电压理分
E等于相应的原电池的电动势E。 可逆理分
从图3可以看出，E是由I,E曲线的直线段反向外推到I?0时所得，仍分解
包含不可逆因素，因此，E略高于E。E可以认为是要使电解进行所需分解理分分解
的最小电压。在实际电解时，必需考虑电解进行的速度，外加电压在高于E分解时，才能实现有意义的电解过程。
通常把电解能适宜进行时阴阳两极上的外加电压称为槽电压E，即E = E槽槽+ ?E + IR，式中，?E是阴、阳极超电势之和;IR是电解池(槽)所产生的理分
电位降(IR与电解槽本身性质有关，在计算中由于R较小一般不考虑)。显然，实际电解过程的E大于E。 槽分解
3超电势
超电势是指在某一电流密度下的实际电极电势(极化电极电势)与平衡的电极反应电势之差，符号用η表示。超电势是电化学系统偏离平衡的特征参数，对反应速率有重要影响。阳极上由于超电势的存在使电极电势变大，阴极上由于超电势的存在使电极电势变小。超电势是由于在阴、阳极上产生的极化现象产生的。
(1)极化现象和极化电极电势
当电极上有电流通过时，随着电极上电流密度的增加，电极实际分解电势值对平衡值的偏离也愈来愈大，这种对平衡电势的偏离称为电极的极化。凡是处于极化条件下所表现的电极电势称为极化电势。与之相对的是平衡电极电势，就是当电极上无电流通过时，电极处于平衡状态，与之相对的电势。随着电极上电流密度的增加，电极的不可逆程度越来越大，极化电极电势越大。电极极化使得阳极电势更正。阴极电势更负。极化电极电势又可以称为不可逆或析出电极电势。
极化电势的绝对值大于平衡电势的这一部分就被定义为超电势，通过超电势就能定量的描述电极极化的程度。测定超电势可以帮助确定电化学腐蚀速率，同时还决定了电解产物的种类和状态。
4
(2)超电势的测定方法
测定超电势实际上就是测定在有电流通过时的电极电势值，然后画出电流密度与电极电视的关系曲线称为极化曲线，从而可求出各不通电流密度时的超电势。装置图如图4所示，假定我们要测定阴极的极化曲线，可以借助于电极1，将阳极与阴极组成一个电解池，调节外电路中的电阻，可以改变通过两个电极的电流，再将甘汞电极(参比电极)与阴极构成一个电池，并将两个电极和电位差计连接，就可以测出在通过一定电流时阴极的电极电势，这样不断地改变通过阴极的电流，就可以测出在不同电流密度时阴极的电极电势，通过测定和计算，从而得到阴极极化曲线以及各不通电流密度时的超电势。
图4 测定超电势的装置示意图
利用同样的方法，可以测定不通电流密度下阳极的超电势，得到阳极极化曲线。如果把阴阳两极的极化曲线画在图上，如图5所示。
图5 电解池中两电极的极化曲线
5
在阳极极化曲线上，电流密度越大，电极电势越高;而在阴极极化曲线上，电流密度越大，电极电势越低。所以电解池的槽电压随电流密度增大而增大，极化程度越大，偏离可逆电极电势程度也越大。随着电流密度增大电解池的槽电压也越高，消耗的电能也越多。
(3)电极极化的原因及影响因素
电极极化的原因主要是电极过程受阻所致，电流的通过代表着电极过程正在进行，电极过程不是一个简单的电子转移的过程，电极过程包括电荷在界面的转移、反应物质的传输等一系列的步骤，最主要的有:?反应物向电极表面转移——扩散;?在电极表面发生氧化还原反应，进行电子转移，形成产物——电极反应;?产物向溶液本体扩散——扩散。要完成这一系列的步骤需要外部一些推动力，而动力就表现为实际电极电势偏离平衡电极电势。各步骤的速率不同，最慢的步骤决定总速率。而影响极化电势的因素也源于各步骤中速率最慢的。
影响极化电势的因素主要有两种:?浓差极化:扩散步骤慢，源于步骤?、?;?电化学极化:电极反应慢，源于步骤?。下面具体介绍这两种极化:
?浓差极化，指在电解过程中，电极附近某离子浓度由于电极反应而发生变化，本体溶液中离子扩散的速度又赶不上弥补这个变化，就导致电极附近溶液的浓度与本体溶液间有一个浓度梯度，这种浓度差别引起的电极电势的改变称为浓差极化。用搅拌和升温的方法可以减少浓差极化。
?电化学极化，指电极反应总是分若干步进行，若其中一步反应速率较慢，需要较高的活化能，为了使电极反应顺利进行所额外施加的电压称为电化学超电势(亦称为活化超电势)，这种极化现象称为电化学极化。
(4)分析影响超电势的因素
影响极化电势的因素主要是浓差极化和电化学极化，影响超电势的因素也是由此展开。
首先，可以通过改变外围介质的性质来减少浓差极化，其主要包括了溶液中离子性质和浓度、温度等，一般采用的方式为:升温和机械搅拌。
?升温:一般超电势随温度升高而减小。例如H的超电势，温度每上升10 K，2
超电势降低20,30 mV。
?机械搅拌:搅拌溶液可以减小超电势，因为这样可以减小浓差极化。
6
其次，电化学极化是由于电极反应本身产生的，很难通过改变外围介质的性质来改变，只与金属的性质有关，包括电极材料以及表面状态、电流密度、析出物质的状态等。
?电极材料以及表面状态:组成电极的氧化态物质和还原态物质和金属表面的加工精度、纯度等对超电势有很大影响。例如H在铂电极上的超电势小，而2
在Hg、Fe、Bi、Cu、Zn等电极上的超电势就大得多。H在铂黑(一种疏松细2
小晶状的铂)电极上的超电势比在光亮铂电极上的超电势小。
?电流密度:一般超电势都随着电流密度的增大而增大。
在1905年，塔菲尔(Tafel)发现，对于一些有气体参与的电极反应，超电
-2势η(V)与电流密度j(A?cm)之间在一定范围内存在如下的定量关系:
η = a + b ln j
该式称为Tafel 公式(Tafel’s equation)。式中:a、b是塔菲尔常数。a等
-2于单位电流密度(即j=1 A?cm)时的超电势，与电极材料、表面状态、溶液组成和温度等因素有关。例如:a越大，氢的超电势越大。b是超电势值的决定因素，而其量值对于大多数的金属而言相差不多，在常温下一般等于0.050 V。j 是电流密度。
?析出物质的状态:析出物为金属单质时，超电势一般很小;析出物为气体物质时，超电势一般都较大。例如，在电解CuSO溶液时，阴极析出Cu的超电4
势为-0.07 V，而阳极(在Pt上)析出O的超电势为+0.85 V。而析出气体时超2
电势一般都较大，特别是氢、氧的超电势。氢超电势的存在。
由于氢气的超电势的存在，使那些原本比H活泼的金属析出时，不会有H22析出，这才使得人们有可能在金属上镀上比H活泼的金属，甚至可以利用H22在Hg电极上的很高的超电势，在Hg电极析出金属钠(汞齐);有可能在含蓄电池充电时，使Pb沉积到电极上而不放出H。 2
(5)氢超电势
氢超电势是指H在各种电极材料上析出的超电势，它与电极材料、溶液组2
成、电流密度和温度等因素有关。在铂、钯等贵金属材料上的氢超电势最小，依次为铁、镍、钴、铜、银、钨等，而在锡、锌、镉、汞等金属上氢超电势较大，像H在铜电极上的超电势η =0.230 V而在锌电极上η =0.7 V。特别是镀了2H2H2
7
铂黑的铂电极上，超电势很小，所以标准氢电极中的铂电极要镀上铂黑。
电解质溶液通常用水作溶剂，在电解过程中，在阴极会与金属离子竞争还原。利用氢在电极上的超电势，可以使比氢活泼的金属先在阴极析出，这在电镀工业上是很重要的。例如，只有控制溶液的pH，利用氢气的析出有超电势，才使得镀Zn，Sn，Ni，Cr等工艺成为现实。又如利用氢在铅上有较高的超电势，才能实现铅蓄电池的充电。
正如上面提及的，电解质溶液是一个复杂的体系，电解质溶液中存在多种离子，除了水溶液中的氢离子和氢氧根离子之外还有多种金属离子和酸根离子等。如何确保电解之后的产物是实验所要求的，就需要在考虑外加电压的因素之外，还要考虑其他的因素。这就需要进一步讨论。比如，我们需要通过电解得到Ag，如何确定电解AgNO溶液的产物是Ag,电解制铅锡合金时，如何保证两者同时3
析出,下面来进行分析和讨论。
4 离子析出的条件
对于给定的电解池，可以通过计算预见在阴极和阳极上可能发生的反应。例如，要判断在阴极上首先析出何种物质，应把可能发生还原物质的析出电势计算
，然后根据电极物质析出规则来判断何者优先在电极上优先析出。电极物质出来
的析出规则是:在阴极上，析出电极电势越高者优先析出;在阳极上，析出电势越低者优先析出。
E= E+ η阳，析阳，可逆阳
E= E,η 阴，析阴，可逆阴
所以，E=E,E= E+ η+ η 槽阳，析阴，析可逆阳阴
在电流密度较小时，超电势η和η很小，可以忽略不计。 阳阴
(1)电解时电极上的反应
电解时，不但要考虑电解反应，而且要注意电极反应对溶液的浓度和组成的影响。
?阴极上的反应:电解时阴极上发生还原反应。可能发生还原的物质通常有:
-7(?)金属离子;(?)氢离子(中性水溶液中 a=10)。 H+
8
，例如，电解含金属离子的水溶液，金属离子和H在阴极上的析出电势可分别按如下式子计算:
Z+Z+Z+,E(M|M) = E( M|M)+ a (M) —η 阳
+++,E(H|H) = E (H|H) + a (H)— η 2H2
?阳极上的反应:电解时阳极上发生氧化反应。可能发生氧化的物质通常有:
--(?)阴离子，如Cl 等;(?)阳极本身发生氧化。在阳极上，极化电势越，OH
低者优先析出。
Z-Z-Z-,E(A|A) = E(A|A)+ a (A)+ η 阳
+以AgNO溶液的电解为例，溶液pH=7，同时设a (Ag) = 1 3
++Ag的析出电势: Ag (aq，α = 1) + e ? Ag (s)
++,E(Ag|Ag) = E (Ag|Ag) = 0.779 V
++-7H的析出电势: 2 H (aq，α = 10) + 2e ? H (g) 2
++,E(H|H) = E (H|H) — η 22H2
-7= 0.05916 log (1/10) — η = 0.414 — η H2H2由于Ag的析出电势比H高得多，所以首先析出的是银，所以，可以通过电解2
AgNO溶液来制备Ag。 3
(2)两种离子分离需控制的条件
如果溶液中含有多个析出电势不同的离子，可以控制外加电压的大小，使离子分步析出而达到分离的目的。
-7为了使分离效果较好，后一种离子反应时，前一种离子的活度应减少到10以下，这样要求两种离子的析出电势相差一定的量值。
RT,7 ln10,,EzF
-3-7-3298.15K时，对于一价金属离子，浓度从1 mol?dm降至10 mol?dm时，?E = 0.41 V。要使两种对于一价金属离子电解分离，两者的电解电势要相差0.41 V以上，?E > 0.41 V;同理，要使两种对于二价金属离子电解分离，两者的电解电势要相差0.21 V以上;两种对于三价金属离子电解分离，两者的电解电势
9
要相差0.14 V以上。
(3)两种离子同时析出的条件
++设溶液中有MZ 和MZ两种离子，活度分别为a和 a，离子析出的超电121212
势分别为η和η。两种离子析出的条件为E=E，则 析析121,2,
,E= E + a 1,r 11
,E= E + a 2,r 22
要使两种离子同时析出，只要确保两种离子的极化电势E= E即可。 1 2
η = E—E11,r1
η = E—E22,r2
,,则 E + a—η= E + a—η 111222
,可见，若要使两种离子同时析出，两种离子的E应相差不大，通过调节a和η，就能使两种离子共同析出。例如，制备铅锡合金时，铅和锡的电极电势为，
,,E= —0.126 V和E= —0.136 V，两者很接近，η又都很小，只需要调节组分PbSn
的浓度比，就可以使他们一起沉淀出来。除此之外还可以加入络合剂、调节温度、电流密度等，使它们的析出电位相同。
在介绍了电解的原理之后，最后来简要介绍一下电解在工业生产中的应用。
5 电解原理的应用简介
电解原理广泛被应用于电电解、电镀、电化学保护等，对于国民经济有巨大的影响。
(1)金属提纯
如提纯铜，用纯铜作阴极，用粗铜作阳极，用CuSO溶液作电解液。通4
入直流电，作为阳极的粗铜逐渐溶解，在阴极上析出纯铜，从而达到提纯铜的目的。湿法冶炼相对于其他的方法，能够得到更加纯净的单质。
2)电镀 (
电镀就是利用电解原理在某些金属表面上镀上一薄层其他金属或合金的过
10
程，是利用电解作用使金属或其它材料制件的表面附着一层金属膜的工艺从而起到防止腐蚀，提高耐磨性、导电性、反光性及增进美观等作用。在需保护的金属表面用电镀或化学镀的方法镀上Au，Ag，Ni，Cr，Zn或Sn等金属，保护内层不被腐蚀。
电镀的过程:?镀件做阴极?镀层金属做阳极?电镀液中含镀层金属离子;?通以直流电的电源后，阳极的金属会进行氧化反应(失去电子)，溶液中的正离子则在阴极被还原(得到电子)成原子并积聚在负极表层。
电镀后被电镀物件的美观性和电流大小有关系，电流越小，被电镀的物件便会越美观。电镀还需要控制电压、温度、电镀添加剂、pH等条件来确保被电镀的物件的美观。
(3) 电化学防护
即将金属作为原电池的正极或电解池的阴极而受到保护。
?阳极保护是指用阳极极化的方法使金属钝化，并用微弱电流维持钝化状态，从而保护金属。因为金属阳极溶解时，存在特殊情况，当正向极化超过一定数值后，由于表面某种吸附层或新的成相层的形成，金属的溶解速率非但不增加，反而急剧下降，从而导致保护金属的目的。我国许多化肥厂对碳酸铵生产中的碳化塔实施阳极保护。
?阴极保护是使金属体阴极极化以保护其在电解质中免受腐蚀。若阴极电势足够负，金属就可以不氧化，即达到完全的保护。阴极极化可用两种方法实现:A.外加电流法:将被保护金属与另一附加电极作为电解池的两个极，使被保护的金属作为阴极，在外加直流电的作用下使阴极得到保护。此法主要用于防止土壤、海水及水中金属设备的腐蚀;B.牺牲阳极的阴极保护法:形成原电池反应时，让被保护金属做阴极，不反应，起到保护作用;而活泼金属为阳极被腐蚀。例如，船体钢板在含2 % ~3 % NaCl的海水中容易腐蚀，为防止船身的腐蚀，在船体下每隔10 m左右焊一块锌的合金。
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