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          電鍍過程的離子遷移現象


          發布時間:

          2021-09-15

          當電流通過電鍍槽時,電鍍液內的陰離子和陽離子會分別沿相反方向遷移,這種現象稱之為電遷移。實際上,電鍍過程中的離子除電遷移外,還同時存在著擴散和對流兩種遷移現象?,F以硫酸銅含量200g/L及硫酸含量60g/L的光亮硫酸鍍銅溶液為例來說明這三種遷移方式。通過計算(從略),可知該酸銅溶液的H+、SO42-、Cu2+的離子遷移數分別為0.58、0.30、0.12(離子遷移數指鍍液中某種離子所遷移的電量占通過該鍍液總電量的比值)。另外,為簡便計,該酸銅溶液的陰、陽極電流效率可視為100%。

            當電流通過電鍍槽時,電鍍液內的陰離子和陽離子會分別沿相反方向遷移,這種現象稱之為電遷移。實際上,電鍍過程中的離子除電遷移外,還同時存在著擴散和對流兩種遷移現象?,F以硫酸銅含量200g/L及硫酸含量60g/L的光亮硫酸鍍銅溶液為例來說明這三種遷移方式。通過計算(從略),可知該酸銅溶液的H+、SO42-、Cu2+的離子遷移數分別為0.58、0.30、0.12(離子遷移數指鍍液中某種離子所遷移的電量占通過該鍍液總電量的比值)。另外,為簡便計,該酸銅溶液的陰、陽極電流效率可視為100%。

            1.電遷移

            由法拉第定律可知,當通過電鍍槽的電量是1法拉第時,在電極上將有1克當量的物質發生反應。先來看看上述酸銅溶液的陽極情況。當通過1法拉第電量時,陽極上將有1克當量的金屬銅溶解,生成了1克當量的Cu2+。又因為在該酸銅溶液中,Cu2+的離子遷移數為0.12,則說明在通電1法拉第電量后,Cu2+從陽極區域溶液中電遷移出去0.12克當量。這樣的話,相當于陽極區域溶液中的Cu2+增加了1-0.12=0.88克當量。又知H+、SO42-的離子遷移數分別為0.58、0.30,則說明在通電1法拉第電量后,H+從陽極區電遷移出去0.58克當量(相當于在陽極區留下或增加了0.58克當量的SO42-),SO42-從溶液內部電遷移至陽極區0.30克當量,則陽極區的SO42-增加了0.58+0.30=0.88克當量。這樣的話,在通電1法拉第電量后,對于陽極區域溶液來說,因為Cu2+和SO42-的量同樣增加了0.88克當量,所以仍然呈電中性(相當于陽極區增加了0.88克當量的CuSO4)。

            再來看看該酸銅溶液的陰極情況。當通過1法拉第電量時,陰極上將有1克當量的金屬銅沉積,陰極區域溶液中減少了1克當量的Cu2+。但因此時從溶液內部電遷移過來0.12克當量的Cu2+,則實際上陰極區的Cu2+減少了1-0.12=0.88克當量。又知此時從溶液內部電遷移過來0.58克當量H+(相當于陰極區減少了0.58克當量SO42-),從陰極區電遷移出去0.30克當量SO42-,則陰極區的SO42-減少了0.58+0.30=0.88克當量。這樣的話,在通電1法拉第電量后,對陰極區域溶液來說,因為Cu2+和SO42-的量同樣減少了0.88克當量,所以仍然呈電中性(相當于陰極區減少了0.88克當量的CuSO4)。

            由以上分析可知,在上述酸銅溶液通電1法拉第電量后,陽極區增加了0.88克當量CuSO4,而同時陰極區減少了0.88克當量CuSO4。此時,整個溶液仍然呈電中性。那么,隨著電鍍時間的延長,是否會出現這樣的情況:陽極區CuSO4越來越多而陰極區CuSO4越來越少、以至于最后陰極區CuSO4為零而鍍不出銅來?當然不會的,因為電鍍過程的離子遷移方式除了電遷移外,同時還有另外兩種方式:擴散和對流。正是由于擴散和對流這兩種運動的作用,使電遷移造成的電極附近與溶液內部間物質的不平衡得以再平衡,從而維持電鍍過程的正常進行。

            2.擴散

            當鍍液中的某一種成分存在濃度差異時,由于分子熱運動的結果,即使在鍍液完全靜止的情況下,也會發生該成分從高濃度區向低濃度區的移動。這種移動,就稱為擴散。比如,在一杯靜止的清水里滴入一滴墨汁,墨汁會從滴入處慢慢地分散到清水的每一個角落,直到清水全部變成墨汁的顏色。這就是一種擴散現象。擴散是因濃度場的存在而產生的一種物質遷移現象。

            上述酸銅溶液在通電后,隨著陽極區CuSO4濃度的不斷增大,造成陽極區CuSO4與其他區域CuSO4的濃度差不斷增大,則勢必發生Cu2+和SO42-成對地向溶液內部擴散,進而向陰極區擴散,從而使電遷移造成的溶液各區域間物質不平衡得以減緩。由于是陰、陽離子成對地一起擴散,所以這種移動不會引起電流的傳送。

            3.對流

            所謂對流,是指溶質的粒子隨鍍液的流動而遷移的一種現象,溶質與鍍液之間沒有相對運動(而擴散的溶質與鍍液之間存在相對運動)。比如,封閉房間的空氣里含有不潔的成分,當把房間前后窗戶打開后,流通的空氣會把原房間的空氣及其所含的不潔成分一塊兒趕走。這就是一種對流現象。對流是因速度場的存在而產生的一種物質遷移現象。

            鍍液中的對流,是由于通電或加熱的原因,使鍍液局部區域產生了濃度和溫度的差異,引起溶液密度不同而使溶液自然流動,并帶動溶質粒子一起運動。這種對流屬于自然對流。電極反應時析出氣泡帶動的溶液翻動,也是一種自然對流。還有一種對流叫強制對流,指人為地使鍍液流動而產生的對流,比如掛鍍的陰極移動、空氣攪拌,

            滾鍍的向滾筒內循環噴流等都屬于強制對流。

            在鍍液的對流過程中,能把一些電極反應的反應物或生成物帶過來或帶過去,從而起到傳送物質、再平衡溶液各區域間物質不均的重要作用。因通電時各部分溶液都是電中性的,故這種對流不會引起電流的傳送。

            綜上所述,當電流通過電鍍槽時,電遷移造成了電極附近與溶液內部間物質的不平衡,而擴散和對流使這種不平衡得以減緩,從而保證了電鍍過程的正常進行。

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