电解池

将电能转化为化学能的装置

电解池

电解池（electrolytic cell）[0]是用于电解的装置，可以将电能转化为化学能，使某些平常情况下无法自发的化学反应得以发生。[1][2]其反应为非自发反应，是使电流通过电解质溶液或熔融电解质在阴、阳两极引起氧化还原反应的过程，其主要构成为外加电源、电解质溶液及阴阳两极。[3]其中与电源正极相连接的电极称为阳极，与电源负极相连接的电极称为阴极。常见的电解池有H型电解池、卧式电解池等，主要应用于氯碱工业，铜的电解精炼，银和铜的电镀等。[4][5]电解池的形成需满足以下三个条件：一是需有与电源相连的两个电极；二是两电极间要插入电解质溶液；三则是整个过程需形成闭合回路。[6]

电解池（electrolytic cell）[1]是用于电解的装置，可以将电能转化为化学能，使某些平常情况下无法自发的化学反应得以发生。[2][3]其反应为非自发反应，是使电流通过电解质溶液或熔融电解质在阴、阳两极引起氧化还原反应的过程，其主要构成为外加电源、电解质溶液及阴阳两极。[4]其中与电源正极相连接的电极称为阳极，与电源负极相连接的电极称为阴极。常见的电解池有H型电解池、卧式电解池等，主要应用于氯碱工业，铜的电解精炼，银和铜的电镀等。[5][6]

形成条件

电解池的形成需满足以下三个条件：一是需有与电源相连的两个电极；二是两电极间要插入电解质溶液；三则是整个过程需形成闭合回路。[7]

电极反应

电极反应是指在电极上进行的电化学反应。两个电极反应的总和称为电解池反应。[8]如图所示，它是由与外加电源相连接的两个铂电极插入电解质溶液HCl中构成。当发生电解时，与外电源负极相连的电极由于聚集了负电荷，具有较低的电势，因而为阴极，溶液中的正离子向此电极迁移发生还原反应，而阴离子向阳极迁移发生氧化反应，即阳极： 阴极：[9]

电解池装置图
电解池装置图

导电机理

电解质溶液的导电机理：（1）电流通过溶液由正负离子的定向迁移完成；（2）电流在电极和溶液界面处连续，是由于两电极上分别发生氧化或还原反应时放出或获得电子而造成的。[8]

电解池内阴阳离子的放电顺序如下：

阴离子放电顺序：S2->I->Br->Cl->OH->NO3->SO42->F-[10]

阳离子放电顺序（与金属活动性顺序相反）：Ag+>Hg2+>Fe3+>Cu2+>H+>Pb2+>Sn2+>Fe2+>Zn2+>H+>Al3+>Mg2+>Na+>K+[11]

电解定律

1833年，法拉第（Faraday）在大量电解反应实验的基础上，归纳出一条电化学基本规律，称为法拉第电解规律，即电解时，在任一电极上发生化学反应的物质的量与通入的电量成正比；若将几个电解池串联后通入一定的电量，则各个电极上发生化学反应的物质的量相同。[9]

1mol元电荷[注1]具有的电量称为法拉第常数，用F表示。在电化学中，通过的电量Q与发生化学变化物质的物质的量之间的关系：Q=nzF，式中Q为总电量，n为发生化学变化物质的物质的量，z为电极反应中电子的计量系数，即反应进度为1mol时转移电子的物质的量。[8]

设计原则

设计一个电化学体系电解池时，应遵循以下几条原则：（1）电流密度分布要均匀；（2）合适的电解池体积；（3）合适的研究电极与辅助电极面积；（4）尽量减少其他物质对电化学测量的干扰；（5）要结构简单，操作方便。[12]

与原电池的关系

电解池与原电池本质的区别在于是否有外接电源，外接电源是电解池必备的，它会把电子提供给阴极，从阳极处夺取电子，而原电池自身作为电源不需要额外供电。[4]电解池是将电能转化为化学能，而原电池是将化学能转化为电能的装置。电解池和原电池均含有两个电极，发生氧化反应的电极为阳极，发生还原反应的电极为阴极；电势高的电极为正极，电势低的电极为负极。原电池中的正极对应为阴极，负极为阳极；电解池中的正极对应为阳极，负极为阴极。二者之间的联系：同一原电池中正负极的电极反应得、失电子数相等；同一电解池中阳极、阴极电极反应中的得、失电子数相等。[7][8]

玻璃

玻璃是常用的电解池主体材料，其使用温度范围宽，能在火焰中加工成各种形状。在有机溶液中十分稳定，在大多数无机溶液中也很稳定，但在HF溶液、浓碱及碱性熔盐中不稳定。[13]

有机玻璃

有机玻璃（聚甲基丙烯酸甲酯zhǐ，PMMA），具有良好的透光性，价格低廉，易于机械加工，但是应用范围较窄。在浓氧化性酸和浓碱中不稳定，在丙酮、氯仿、二氯乙烷、乙醚、四氯化碳等有机溶剂中可溶，使用温度不高于70 ℃。[13]

聚四氟乙烯

聚四氟fú乙烯（PTFE）是常用的绝缘封装材料，化学稳定性好，在王水、浓碱中均不发生变化，也不溶于任何有机溶剂。具有较宽的使用温度范围，在压力下易变形，适合于封装固体电极。[13]

环氧树脂

环氧树脂是制造电解池和封装电极时常用的粘结材料。由多元胺交联固化后的环氧树脂化学稳定性较好，在一般的酸、碱、有机溶液中能够保持稳定，耐热性可达200℃。[13]

H型电解池

下图是一种常用的简单电解池，其研究电极和辅助电极分别处在两个电极管中，一般称为H型电解池。研究电极和辅助电极用多孔玻璃板隔开，参比电极直接插在参比电极管中，三个电极管的位置可做成以研究电极管为中心的直角，这样有利于电流的均匀分布和进行电势测量，并且可以把电解池稳妥的放置。[14]

H型电解池
H型电解池

卧式电解池

卧式电解池由研究电极、辅助电极和参比电极构成，是一种三电极电解池，常用于腐蚀研究中Tafel曲线的测试。该电解池研究电极暴露在电解液中的面积固定；参比电极通过鲁金毛细管同研究体系相连，毛细管管口靠近研究电极表面；辅助电极与研究电极的距离固定且平行，有利于电力线的均匀分布。[13]

卧式电解池
卧式电解池

用于腐蚀研究的电解池

如图为适于腐蚀研究的电解池。电解池为圆瓶状，中间为研究电极，有两个对称的辅助电极，使电流分布均匀，用带鲁金毛细管的盐桥与外部的参比电极相连。[15]

氯碱工业

工业上用电解饱和食盐水制取烧碱、氢气和氯气，其电解方程式为为避免NaOH与氯气反应，氢气与氯气反应，工业上采用离子交换膜电解槽来电解饱和食盐水。[11]

电解饱和食盐水
电解饱和食盐水

电镀和电泳

电镀和电泳是电解池的应用，电镀是利用无机盐、酸酐等的溶液作电解质；而电泳则是利用带电荷的有机高分子胶态粒子。[16]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，其电镀池形成条件包括：待镀金属（镀件）作阴极，镀层金属作阳极以及电镀液中含有镀层金属离子。电镀可以使金属制品更加美观耐用，提高防锈抗腐蚀的能力。[11]

如镀锌过程，阳极（锌版）发生氧化反应，阴极（镀件）发生还原反应：[17]

阳极氧化反应
阳极氧化反应
阴极还原反应
阴极还原反应

电冶金属

应用电解原理从金属化合物制取金属的过程为电冶。[18]电解池的应用包括铜的精炼以及电解熔融盐或氧化物冶炼较活泼金属，如电解熔融Al2O3，MgCl2，NaOH，KOH，冶炼Al，Mg，Na，K等活泼金属。[10][11]其中金属钠可用电解熔融的氯化钠制得，电解方程式为

电解氯化钠
电解氯化钠

参考资料 18

  1. 参考 1
  2. 参考 2
  3. 参考 3
  4. 参考 4
  5. 参考 5
  6. 参考 6
  7. 参考 7
  8. 参考 8
  9. 参考 9
  10. 参考 10
  11. 参考 11
  12. 参考 12
  13. 参考 13
  14. 参考 14
  15. 参考 15
  16. 参考 16
  17. 参考 17
  18. 参考 18

注释

  1. 一个质子或一个电子的电荷绝对值
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