實驗室電解銅裝置

❼ 電解銅詳細過程(粗銅提煉精銅)

（一）、電解原理

1、電解的概念

使電流通過電解質溶液而在陰、陽兩極引起氧化還原反應的過程叫做電解。

注意：

①電流必須是直流而不是交流。

②熔融態的電解質也能被電解。

思考題：在電解反應中，化學能與電能之間的轉化關系是什麼？

答案：電能轉化為化學能。

2、電解池的概念

藉助於電流引起氧化還原反應的裝置，也就是把電能轉變為化學能的裝置叫做電解池或電解槽。

3、構成電解池的條件

（1）直流電源。

（2）兩個電極。其中與電源的正極相連的電極叫做陽極，與電源的負極相連的電極叫做陰極。

（3）電解質溶液或熔融態電解質。

4、電解質導電的實質

對電解質溶液（或熔融態電解質）通電時，電子從電源的負極沿導線流入電解池的陰極，電解質的陽離子移向陰極得電子發生還原反應；電解質的陰離子移向陽極失去電子（有的是組成陽極的金屬原子失去電子）發生氧化反應，電子從電解池的陽極流出，並沿導線流回電源的正極。這樣，電流就依靠電解質溶液（或熔融態電解質）里陰、陽離子的定向移動而通過溶液（或熔融態電解質），所以電解質溶液（或熔融態電解質）的導電過程，就是電解質溶液（或熔融態電解質）的電解過程。

5、電解原理（後詳）

6、電解原理的應用。（後詳）

二、重難點知識解析

（一）、電解原理

1、電解氯化銅（如圖）

（1）實驗步驟

第一步：如圖甲所示，把兩根石墨棒插入U形管里的CuCl2溶液內，觀察現象。

第二步：如圖乙所示，把用導線連接在一起的兩根石墨插入U形管里的CuCl2溶液內，觀察現象。

第三步：如圖丙所示，將兩根石墨棒、一隻電流表和低壓直流電源串聯起來，將石墨棒插入U形管里的CuCl2溶液內，接通電源。把濕潤的碘化鉀澱粉試紙放在與電源正極相連的電極附近。觀察現象，約5min後切斷電源。

（2）實驗現象

在第一步和第二步中均無新現象發生。在第三步實驗中，電流表的指針發生偏轉；陰極石墨棒周圍CuCl2溶液綠色變深，陽極石墨棒周圍CuCl2溶液綠色變淺；陰極石墨棒上逐漸覆蓋了一層紅色固本，陽極石墨棒上有氣泡放出，並可聞到刺激性的氣味，同時看到濕潤的碘化鉀澱粉試紙變為藍色。

（3）實驗結論

在通直流電的條件下，溶液里的CuCl2發生了分解反應：

CuCl2Cu＋Cl2↑

Cu生成於陰極的石墨棒上，Cl2生成於陽極的石墨棒上。

（4）原理分析

CuCl2是強電解質且易溶於水，在水溶液中電離生成Cu2＋和Cl－。

CuCl2＝Cu2＋＋2Cl－

通電前，Cu2＋和Cl－在水裡自由地移動著；通電後，這些自由移動著的離子，在電場作用下，改作定向移動。溶液中帶正電的Cu2＋向陰極移動，帶負電的氯離子向陽極移動。在陰極，銅離子獲得電子而還原成銅原子覆蓋在陰極上；在陽極，氯離子失去電子而被氧化成氯原子，並兩兩結合成氯分子，從陽極放出。

陰極：Cu2＋＋2e－＝Cu

陽極：Cl－－2e－＝ Cl2↑

電解CuCl2溶液的化學反應方程式：CuCl2Cu＋Cl2↑

（5）電解質水溶液電解反應的綜合分析

在上面敘述氯化銅電解的過程中，沒有提到溶液里的H＋和OH－，其實H＋和OH－雖少，但的確是存在的，只是他們沒有參加電極反應。也就是說在氯化銅溶液中，除Cu2＋和Cl－外，還有H＋和OH－，電解時，移向陰極的離子有Cu2＋和H+，因為在這樣的實驗條件下Cu2＋比H+容易得到電子，所以Cu2＋在陰極上得到電子析出金屬銅。移向陽極的離子有OH－和Cl－，因為在這樣的實驗條件下，Cl－和OH－容易失去電子，所以Cl－在陽極上失去電子，生成氯氣。

說明：

①陽離子得到電子或陰離子失去電子而使離子所帶電荷數目降低的過程又叫做放電。

②用石墨、金、鉑等還原性很弱的材料製做的電極叫做惰性電極，理由是它們在一般的通電條件下不發生化學反應。用鐵、鋅、銅、銀等還原性較強的材料製做的電極又叫做活性電極，它們做電解池的陽極時，先於其他物質發生氧化反應。

③在一般的電解條件下，水溶液中含有多種陽離子時，它們在陰極上放電的先後順序是：Ag＋＞Hg2＋＞Fe3+＞Cu2＋＞(H+)＞Fe2＋＞Zn2＋；水溶液中含有多種陰離子時，它們的惰性陽極上放電的先後順序是：S2－＞I－＞Br－＞Cl－＞(F－、NO3－、SO42-等)

（6）以惰性電極電解電解質水溶液，分析電解反應的一般方法步驟為：

①分析電解質水溶液的組成，找全離子並分為陰、陽兩組；

②分別對陰、陽離子排出放電順序，寫出兩極上的電極反應式；

③合並兩個電極反應式得出電解反應的總化學方程式或離子方程式。

（二）、電解原理的應用

1、銅的電解精煉

（1）電解法精煉銅的裝置（如圖）

（2）電解法精煉銅的化學原理

陽極（粗銅）：Cu－2e－＝Cu2＋

陰極（純銅）：Cu2＋＋2e－＝Cu

說明：

①以銅為材料做的電極屬於活性電極。在一般的電解條件下，活性陽極先於電解質溶液中的成分
發生氧化反應。

②粗銅中往往含有鋅、鐵、鎳、銀、金等多種雜質，當含雜質的銅在陽極不斷溶解時，位於金屬
活動性順序銅以前的金屬雜質如Zn、Fe、Ni等，也會同時失去電子，如：

Zn－2e－＝Zn2＋

Ni－2e－＝Ni2＋

但是它們的陽離子比銅離子難以還原，所以它們並不在陰極獲得電子析出，而只是留在電解液里。而位於金屬活動性順序銅之後的銀、金等雜質，因為給出電子的能量比銅弱，難以在陽極失去電子變成陽離子溶解下來，當陽極上的銅失去電子變成離子溶解之後，它們以金屬單質的形式沉積在電解槽底，形成陽極泥（陽極泥可作為提煉金、銀等貴重金屬的原料）

③用電解精煉法所得到的銅叫做電解銅，它的純度可達到99.95%～99.98%。

2、電鍍

（1）、電鍍的涵義

電鍍是應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。

（2）、電鍍的目的

電鍍的目的主要是使金屬增強抗腐蝕能力、增加美觀和表面硬度。

（3）、電鍍的原理

電鍍的原理與電解精煉銅的原理是一致的。電鍍時，一般都是用含有鍍層金屬離子的電解質配成電鍍液；把待鍍金屬製品浸入電鍍液中與直流電源的負極相連，作為陰極；用鍍層金屬作為陽極，與直流電源正極相連。通入低壓直流電，陽極金屬溶解在溶液中成為陽離子，移向陰極，這些離子在陰極獲得電子被還原成金屬，覆蓋在需要電鍍的金屬製品上。

3、氯鹼工業

（1）電解飽和食鹽水反應原理

①實驗步驟

按圖裝置，在U形管里倒入飽和食鹽水，插入一根石墨棒作陽極，一根鐵棒作陰極。同時在兩邊管中各滴入幾滴酚酞試液，並用濕潤的碘化鉀澱粉試紙檢驗陽極放出的氣體。接通直流電源後，注意管內發生的現象。

②實驗現象

陽極上有氣泡逸出，氣體呈黃綠色，有刺激性氣味，使濕潤的碘化鉀澱粉試紙變為藍色，陽極區溶液由無色變為黃綠色。陰極上有氣泡逸出，氣體無色、無味。陰極區溶液由無色變為淺紅色，紅色逐漸加深、區域逐漸擴大。

③實驗結論

用惰性材料作陽極，電解食鹽的飽和溶液，生成Cl2、H2和NaOH。

陽極：2Cl－－2e－＝Cl2↑（放電順序：Cl－>OH－）

陰極：2H＋＋2e－＝H2↑（放電順序：H＋>Na＋）

在上述反應中，由於H+在陰極上得到電子而生成H2，破壞了附近的水的電離平衡，促進了水繼續電離，結果陰極區溶液里OH－的濃度增大而呈現鹼性。

（2）離子交換膜法制燒鹼

①離子交換膜電解槽的組成

由陽極（金屬鈦網）、陰極（碳鋼網）、離子交換膜、電解槽框和導電銅棒等組成，每台電解槽由若干個單元槽串聯或並聯組成。下圖表示一個單元槽的示意圖。

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。這樣既能防止陰極產生的H2和陽極產生的Cl2相混合而引起爆炸，又能避免Cl2和NaOH作用生成NaClO而影響燒鹼的質量。

（3）離子交換膜法電解制燒鹼的主要生產流程（如下圖）

離子交換膜法電解制鹼的主要生產流程

（4）、食鹽的精製

①粗鹽的成分:粗鹽中的主要成分是NaCl,此外還含有泥沙、Ca2＋、Mg2＋、Fe3＋、SO42－雜質。這樣的粗鹽不符合電解要求，因此必須經過精製。

②雜質的危害：Ca2＋、Mg2＋、Fe3＋等金屬離子在鹼性環境中會生成沉澱，損壞離子交換膜；
此外，雜質的存在會使得到的產品不純。

③除雜質的過程：

注意：

①除雜質時所加試劑的順序要求是：a、Na2CO3必須在BaCl2之後；b、加入鹽酸在過濾之後。

②試劑加入順序有多種選擇，如：a、BaCl2、NaOH、Na2CO3、過濾、HCl；b、BaCl2、Na2CO3、NaOH、過濾、HCl；c、NaOH、BaCl2、Na2CO3、過濾、HCl。

（5）、以氯鹼工業為基礎的化工生產及產品的主要用途

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❽ 用惰性電極電解一定量的硫酸銅溶液，實驗裝置如圖甲．電解過程中的實驗數據如圖乙，橫坐標表示電解過程中

由圖可知，電流由正極流向負極，則b為陽極，a為陰極，惰性電極電解一定量的硫酸銅溶液，發生2CuSO₄+2H₂O