电解水制氢气和氧气时为什么不能用铜作阳极？

在电解过程中，用铜做正极不是氢氧根离子失电子，而式铜失电子，从而发生化学反应，使实验产生误差

在电解过程中，阳极极易失电子，故而，若用铜做阳极则不会由氢氧根离子失电子，而会由铜失电子，发生如下反应
（阳）Cu-2e=Cu2+
(阴）2H++2e=H2
Cu+2H2O=H2+Cu(OH)2

作阳极的电极自身失电子变成Cu2+而溶解

电解原理

我们已经知道，在原电池反应中，化学能转变成电能。例如，在氢氧燃料电池中，氢气和氧气燃烧生成水的化学能直接转变为电能。然而，要把水转变成氢气和氧气，则必须要提供能量才行。例如，电解水就是利用电能使水分解为氢气和氧气的，在这个过程中，电能转变为化学能。

在这一单元，我们将研究如何将电能转变为化学能以及电解原理的一些重要应用。

一、电解原理

我们已经知道，金属导电时，是金属内部的自由电子发生了定向移动，而电解质溶液的导电则与金属导电不同。

【实验1】在一个U型管中注入CuCl2溶液，插入两根石墨棒作电极（如右图），把湿润的碘化钾淀粉试纸放在与电池正极相连的电极附近。接通直流电源，观察U型管内发生的现象及试纸颜色的变化。

通过实验可以观察到，接通直流电源后，电流表指针发生偏转，阴极石墨棒上逐渐覆盖了一层红色物质，这是析出的金属铜；在阳极碳棒上有气泡放出，并可闻到刺激性的气味，同时看到湿润的碘化钾淀粉试纸变蓝，可以断定，放出的气体是Cl2。这个实验告诉我们，CuCl2 溶液受到电流的作用，在导电的同时发生了化学变化，生成了Cu和Cl2。

CuCl2溶液在电流的作用下为什么会分解生成Cu和Cl2呢？

这是因为，CuCl2是强电解质，在水溶液中电离生成Cu2+和Cl-：

CuCl2＝Cu2＋＋2Cl-

通电前，Cu2+和Cl-在溶液里自由地移动着（如下图Ⅰ所示）；通电后，在电场的作用下，这些自由移动的离子，改作定向移动。带负电的阴离子向阳极移动，带正电的阳离子向阴极移动（如下图Ⅱ所示）。在阳极，Cl-失去电子被氧化成氯原子，并两两结合成Cl2，从阳极放出。在阴极，Cu2+获得电子被还原成铜原子，覆盖在阴极石墨棒上。在两个电极上发生的反应可以表示如下：

阳极：2Cl-－2e-=Cl2↑（氧化反应）

阴极：Cu2+＋2e-＝Cu（还原反应）

这种使电流通过电解质溶液而在阴、阳两极引起氧化还原反应的过程叫做电解。借助于电流引起氧化还原反应的装置，也就是把电能转变为化学能的装置叫做电解池或电解槽。跟直流电源的负极相连的电极是电解池的阴极（如上图所示）。通电时，电子从电源的负极沿导线流入电解池的阴极。跟直流电源的正极相连的电极是电解池的阳极，通电时，电子从电解池的阳极流出，沿导线流回电源的正极。这样，电流就依靠溶液里阴离子和阳离子的定向移动而通过溶液，故电解质溶液的导电过程，就是该溶液的电解过程。在电解过程中，阳离子在阴极得到电子，发生还原反应；阴离子在阳极失去电子，发生氧化反应。

电解CuCl2溶液的化学反应方程式就是阳极上的反应和阴极上的反应的总和。

在上述电解过程中，未提到溶液里的H+和OH-。实际上，在水溶液中，还存在着水的电离平衡：

H2O==OH-+H+

因此，在CuCl2溶液中，存在着四种离子：Cu2+、 Cl-、H+和OH-。通电时移向阴极的离子有Cu2+和H+，因为Cu2+比H+容易得到电子，所以Cu2+在阴极得到电子生成金属铜从溶液中析出。通电时，移向阳极的离子有Cl-和OH-，在这样的实验条件下，Cl-比OH-容易失去电子，所以Cl-在阳极失去电子，生成Cl2。

讨论 试从组成、原理、功能几方面对电解池和原电池进行比较。

二、铜的电解精炼

一般火法冶炼得到的粗铜中含有多种杂质（如锌、铁、镍、银、金等），这种粗铜的导电性远不能满足电气工业的要求，如果用以制电线，就会大大降低电线的导电能力。因此必须利用电解的方法精炼粗铜。上图为铜的电解精炼原理示意图。

电解时，用粗铜板作阳极，与直流电源正极相连，用纯铜片作阴极，与电源的负极相连，用CuSO4溶液（加入一定量的硫酸）作电解液。

电解时，两极发生如下反应：

阴极 Cu2++2e-=Cu

阳极 Cu－2e-=Cu2+

当含杂质的铜在阳极不断溶解时，位于金属活动性顺序铜以前的金属杂质如Zn、Fe、Ni等，也会同时失去电子，如：

Zn－2e-＝Zn2+

Ni－2e-=Ni2+

但是它们的阳离子比Cu2+难以还原，所以它们并不在阴极获得电子析出，而只是留在电解液里。而位于金属活动性顺序铜之后的银、金等金属杂质，因为给出电子的能力比铜弱，难以在阳极失去电子变成阳离子溶解下来，当阳极上的Cu失去电子变成离子溶解之后，它们是以金属单质的形式沉积在电解槽底，形成阳极泥（阳极泥可作为提炼金、银等贵重金属的原料）。这样，在阴极就得到了纯铜。

由于阳极上铜溶解速率与阴极上铜沉积速率相同，所以溶液中CuSO4的浓度基本保持不变，但需定时除去其中的杂质。

用电解精炼法所得到的铜叫做电解铜，它的纯度很高，可以达到99.95％～99.98％。这种铜的导电性能良好，符合电气工业的要求，因此电解铜被广泛用以制作导线和电器等。

三、电镀铜

电镀是利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，它是电解原理的又一重要应用。电镀可以使金属更加美观耐用，增强防锈抗腐能力。例如，钢铁是人们最常用的金属，但钢铁有个致命的缺点，就是它们易被腐蚀。防止钢铁发生腐蚀的一种最常用方法就是在其表面镀上其他金属，如锌、铜、铬、镍等。

电镀的原理与电解精炼铜的原理是一致的。电镀时，一般都是用含有镀层金属离子的电解质配成电镀液；把待镀金属制品浸入电镀液中与直流电源的负极相连，作为阴极；而用镀层金属作为阳极，与直流电源正极相连。通入低压直流电，阳极金属溶解在溶液中成为阳离子，移向阴极，这些离子在阴极获得电子被还原成金属，覆盖在需要电镀的金属制品上。

铜有许多优良性能，被广泛应用于工业中，如人们常在钢铁表面镀铜来改善金属制件的性能。镀铜层虽然可以直接用作表层，但通常则主要用于电镀其他金属前的预镀层。例如，在钢铁表面电镀其他金属时，往往要先预镀上一薄层铜，然后再镀所需镀的金属，这样可以使镀层更加牢固和光亮，因此镀铜是应用最广的电镀方法。

【实验2】 在烧杯里放入CuSO4溶液，用一铁制品（用酸洗净）作阴极，铜片作阳极（如右图）。通电，观察铁制品表面颜色的变化。

通过实验，我们可以发现，银白色的铁制品变成紫红色的了。

当然，在电镀的实际生产中，反应过程远比这个实验复杂得多。为了使镀层致密、坚固、光亮，生产中要采取很多措施。例如，在电镀前要对镀件进行抛光、除油、酸洗、水洗等预处理，并且还常在电镀液中加入一些其他盐类，以增加溶液的导电性，促进阳极的溶解，还要在电镀液中加入一些添加剂；在电镀时，要不断搅拌，并控制温度、电流、电压和使电解液的pH在一定范围之内。

在电镀工业的废水中常含有剧毒物质，如氰化物、重金属等。这些有毒物质如随废水流入自然水域，会严重污染水体。氰化物会毒死水中生物，而重金属会被贝类等吸收，最终危害人类健康。因此，绝不允许将电镀废水直接排入自然水域，必须经过处理，回收其中的有用成分，把有毒有害物质的浓度降低到基本无害的水平，符合工业废水排放标准。减小电镀污染的另一重要途径是改进电镀工艺，尽量使用污染少的原料，如改变电镀液成分，采用无氰电镀工艺等。