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电解原理的应用(电镀、电抛光、阳极氧化)


实验室k / 2018-07-12

    使电流通过电解质溶液(或熔融电解质)而引起的氧化还原反应过程称为电解,这种通过氧化还原反应将电能转变为化学能的装置称为电解池(或电解槽)。
    在电解池中,和直流电源的负极相连的一极称为阴极,和直流电源的正极相连的一极称为阳极。电子一方面从电源的负极沿导线进入电解池的阴极,另一方面,电子又离开电解池的阳极沿导线流回电源的正极。这样阴极上电子过剩,阳极上电子缺少。电解液(或熔融液)中的正离子移向阴极,在阴极上得到电子进行还原反应;负离子移向阳极,在阳极上给出电子进行氧化反应。在电解池的两极反应中,正离子得到电子及负离子给出电子的过程都称为放电。
    例如,氯碱工业中电解饱和食盐水,以铁丝网为阴极,石墨为阳极,在阳极放电的是Cl-离子,在阴极放电的是H+离子(H+来自水的电离)
    阳极反应             2Cl-(aq) = Cl2(g)+2e
    阴极反应            2H2O(aq)+2e = H2+2OH-(g)

电镀
    电镀是应用电解原理在某些金属表面镀上一薄层其他金属或合金的过程。在电镀时,将需要镀层的金属零件作为阴极,而用作镀层的金属(如Cu、Zn、Ni等)作为阳极,两极置于欲镀金属的盐溶液中,外接直流电源。
    如用金属镍作阳极,阴极为一需要镀镍的零件,对NiSO4溶液进行电解。在阳极上,由于Ni比OH-和SO42-容易氧化,因而OH-和SO42-离子并不放电,而是Ni溶解成为Ni2+离子。在阴极,虽然φθ(Ni2+/Ni)=-0.23V,比标准氢电极略低,但由于溶液中Ni2+离子的浓度远超过H+离子,并且氢的过电压较大,所以析出的是金属镍,而不是氢气。析出的金属镍镍即镀在零件上。

    阳极反应            Ni(s) = Ni2+(aq)+2e

    阴极反应            Ni2+(aq)+2e = Ni(s)

 

电抛光
    电化学抛光是金属表面精加工方法之一,工业上用于增加金属表面的亮度。
    电抛光时,将待抛光金属(如钢铁)作阳极,以铅板作阴极。在含有
磷酸硫酸铬酐(CrO3的电解液中进行电解,钢铁表面被氧化而溶解,生成的Fe2+离子被溶液中的Cr2O72-离子进一步氧化为Fe3+,并与溶液中的HPO42-和SO42-离子生成Fe2(HPO43和Fe2(SO43等盐。随着这种盐的浓度在阳极附近不断地增加,在金属表面就会形成有黏性的液膜。
    工件的表面本来是粗糙的,凸出的部分由于电流比较集中,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匀的,凸起部分液膜较薄。凹陷部分液膜较厚,这使凸起部分的电阻较小,电流更集中,溶解就更快些,终于使表面逐渐得以平整。
    电化学抛光主要用于形状不复杂的铝、不锈钢制品的表面装饰。与机械抛光相比,电化学抛光有许多优点,如加工过程中不会发生制件变形,且劳动强度低。电化学抛光的缺点是抛光不同金属需不同的溶液,例如用于低碳钢抛光的溶液就不能用于高碳钢的抛光,造成很大浪费。


阳极氧化
    阳极氧化是用电化学的方法使金属表面形成氧化膜以达到防腐蚀目的的一种工艺。有的金属暴露在空气中就能形成氧化膜,但这种自然形成的氧化膜很薄,耐腐蚀性不强。用化学氧化剂处理金属形成的氧化膜,耐腐蚀性较天然氧化膜提高很大,但也仅限于温和条件下能起保护作用。用电化学氧化处理金属属(阳极氧化)得到的氧化膜,不仅膜厚而且能与金属结合得很牢固,因而可提高金属的耐腐蚀性和耐磨性,并可提高金属表面的电绝缘性。
    例如,铝在空气中形成的天然氧化膜很薄(约4nm),不能有效地防止腐蚀的发生。通过阳极氧化,铝或铝合金表面形成氧化膜的厚度可达几十至几百微米,使铝的耐腐蚀性大大提高。而且氧化膜具有很高的电绝缘性和耐磨性,还可以用染料染成各种颜色。由于阳极氧化使铝及铝的合金具有一些优良性能,在工程技术中得到广泛应用。
    铝的阳极氧化在H2SO4溶液中进行,铅为阴极,以铝加工件为阳极。
    阴极反应            2H+(aq)+2e = H2(g)
    阳极反应            Al(s) = Al3+(aq)+ 3e
                        Al3+(aq)+ 3H2O(l) = Al(OH)3 (s)+3H+(aq)
                        2Al(OH)3(s) = Al2O3(s)+3H2O(l)
    在电解过程中,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,必须控制氧化条件,使氧化膜形成速度大于溶解速度。
    阳极氧化形成的氧化膜具有高的孔隙率和吸附性,容易被腐蚀和污染,所以要进行封闭处理。处理方法是将氧化后的工件放人沸水中,氧化膜表面和孔壁的Al2O3发生水合作用、使氧化物体积增大,将孔隙封闭。


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