电化学合成学习
化学实验中的电化学合成技术
化学实验中的电化学合成技术化学实验中的电化学合成技术是一种重要的实验方法，它通过电流的作用使反应在电极上进行，从而实现物质的合成。
电化学合成技术在各个领域都有着广泛的应用，不仅可以用于合成有机化合物、金属及其化合物，还可以用于电解水制氢等多种化学反应。
一、电化学合成技术的原理电化学合成技术是利用电流在电解质中引起的氧化还原反应进行物质的合成。
在电解质溶液中，当施加外加电压时，产生的电流使电解质中的正离子向阴极移动，负离子向阳极移动，从而引起氧化还原反应。
根据移动的离子性质的不同，可以实现阴离子的还原、阳离子的氧化，从而达到合成特定物质的目的。
二、电化学合成技术的应用案例1. 有机化合物的电化学合成有机化合物的电化学合成是一种有效的合成方法，它常用于合成高分子聚合物、药物及染料等有机化合物。
例如，苯酚在酸性电解质中经过氧化反应可以得到对苯二酚，进而通过还原反应得到二苯甲酮。
这种电化学合成方法具有高效、无污染、可控性好等优点。
2. 金属及其化合物的电化学合成电化学合成在金属及其化合物的制备中也有重要应用。
例如，铝、锂等金属的电化学合成广泛应用于电池制造、航空航天等领域。
同时，金属化合物的电化学合成也可以实现对纳米材料的合成，如氧化铁纳米颗粒、金纳米棒等，这些材料在催化剂、传感器等领域具有广泛应用前景。
3. 电解水制氢技术电解水制氢是一种将水分解成氢气和氧气的电化学合成技术。
它具有能源高效利用、零排放等优势，被广泛应用于能源转化领域。
电解水制氢技术可以通过控制电解电流和水的组分实现选择性地产生氢气或氧气，为氢燃料电池等能源装置的应用提供了重要支持。
三、电化学合成技术的发展前景随着科学技术的不断发展，电化学合成技术在化学合成领域的应用将会越来越广泛。
它不仅可以实现对物质的精确控制和高效合成，同时还能减少环境污染和能源消耗，具有可持续发展的潜力。
未来，电化学合成技术有望在新能源、纳米材料合成、药物合成等领域取得更大的突破和应用。
高中化学中的电化学合成技术
高中化学中的电化学合成技术在高中化学的学习中，电化学合成技术是一个重要且有趣的领域。
它不仅在理论上帮助我们深入理解化学原理，还在实际应用中为各种物质的制备和工业生产提供了有力的手段。
电化学合成技术，简单来说，就是利用电能来驱动化学反应，从而合成我们所需的物质。
这一技术基于氧化还原反应，通过在电解池或原电池中控制电子的转移，实现特定物质的生成或转化。
我们先来了解一下电解池。
电解池是一种将电能转化为化学能的装置。
在电解池中，外接电源提供电能，使得原本不能自发进行的氧化还原反应得以发生。
比如说，我们可以通过电解熔融的氯化钠来制取金属钠和氯气。
氯化钠在熔融状态下电离出钠离子和氯离子，当通电时，钠离子在阴极得到电子被还原为金属钠，而氯离子在阳极失去电子被氧化为氯气。
这个过程中，电能的输入促使了化学反应的进行，实现了钠和氯气的合成。
再来说说原电池。
原电池则是将化学能转化为电能的装置。
但在某些情况下，原电池也可以用于合成物质。
例如，在铅蓄电池中，放电时是化学能转化为电能，而充电时则相当于一个电解池，可以将硫酸铅重新转化为铅和二氧化铅。
电化学合成技术具有很多优点。
首先，它可以在常温常压下进行，相比于一些高温高压的传统合成方法，条件更加温和，操作也相对简单。
其次，通过控制电流、电压、电极材料等因素，可以精确地调控反应的进程和产物的选择性，从而提高合成的效率和纯度。
此外，电化学合成技术还具有环保的特点，因为它可以减少副反应的发生，降低废弃物的排放。
在实际应用中，电化学合成技术有着广泛的用途。
比如，电镀就是一种常见的电化学应用。
通过在金属表面进行电镀，可以增强金属的耐腐蚀性、耐磨性和美观度。
在电子工业中，利用电化学合成技术可以制备高纯度的半导体材料，如硅和锗。
在有机合成领域，也可以通过电化学方法合成一些复杂的有机化合物。
然而，电化学合成技术也并非完美无缺。
它存在着一些局限性。
例如，电解过程中需要消耗大量的电能，这增加了生产成本。
第6章-电化学合成-02-有机电化学合成1
隔膜材料的要求
要求
1．可隔离阴、阳极生成的产物，但允许离子通过，并具有良 好的导电性能和透过率。 2．有较强的化学稳定性和足够的机械强度。 3．尺寸保持稳定，使用寿命长。 4．容易安装、维护和更换。
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介质
介质指的是电解反应所采用的溶剂。一般分为质子型溶剂 和非质子型溶剂两大类。提供质子能力高的溶剂为质子型溶 剂，提供质子能力弱的溶剂则为非质子型溶剂。
实际上，经常采用适当媒介进行芳烃的间接电氧化制取 芳醛。如用铈盐做媒质，间接电氧化对甲基苯甲醚可以制取 茴香醛：
CH3O
CH3 + 4Ce4+ + H2O
CH3O
CHO + 4Ce3+ + 4H+
4Ce3+ - 4e-
25
(2)羟基化合物的电氧化
CH3OH
HCHO + 2H+ + 2e-
苯环侧链上的羟基也可以电氧化成羰基，如苄醇电氧化成苯甲醛：
COOH
2CH2=CH2 + 2CO2 + 4H2O + 4e-
COOH
CH2COOH
+
COOH
CH2COOH
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5
胺类的电合成
胺类化合物多作为医药、染料、农药等化工产品的中间体。 这类化合物可通过还原含硝基、亚硝基或腈基的化合物而得。
20世纪50年代，电化学理论、技术、新材料的发展为有机电 合成的工业应用奠定了基础。
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1960年代中期，美国Monsanto公司首先实现了丙烯腈电解还 原二聚合成己二腈的工业化生产，随后Nalco公司实现了四乙基 铅电解合成的工业化生产。这两项有机电合成项目的成功，在 全世界化学化工领域产生了巨大影响，是近代有机电化学合成 的开端和兴旺期。
电化学有机合成
电化学有机合成
电化学合成一般有两种电解方式：直接电解和间接电解。
直接电解的化学选择性完全取决于反应体系中反应物的氧化还原电位，氧化电位低的物种优先在电极表面被氧化。
间接电解则是依靠电化学催化剂传递电子，包括两种情况：第一种是电化学催化剂只充当电子的载体，但是它可以将我们感兴趣的氧化还原反应从电极表面带到双电层中，极大的加大了后续的反应速度，并且可以有效的避免电极的钝化现象；第二种电化学催化剂则是一个多功能的催化剂——它不仅承担着电子转移的任务，还可以作用于反应底物，甚至可以作用于后续反应中的反应中间体，控制反应的反应活性以及反应选择性。
电化学合成类型
电化学合成类型一、电解合成电解合成是通过施加外部电压，利用电解过程将电能转化为化学能，从而合成有机或无机化合物的方法。
电解合成通常在电解池中进行，通过电解反应，可以将电能转化为化学能，合成所需的化合物。
二、电聚合成电聚合成是指在外加电场的作用下，通过聚合反应将小分子单体转化为高分子聚合物的过程。
电聚合成可以利用电场控制聚合反应的过程，从而实现对高分子聚合物的分子结构和分子量的调控。
三、电镀合成电镀合成是指在金属表面通过电解过程将金属离子还原成金属原子，形成金属镀层的过程。
电镀合成可以制备具有特殊性能的金属镀层，如耐腐蚀、高硬度、高导电性等，广泛应用于表面工程和材料科学领域。
四、电渗析合成电渗析合成是指利用外加电场的作用，通过离子交换膜实现离子的迁移和分离，从而制备出纯净的离子溶液或电解质溶液的过程。
电渗析合成可以用于分离和纯化各种离子，如金属离子、有机离子等，在化学工业和生物医学领域有广泛应用。
五、电泳合成电泳合成是指在外加电场的作用下，利用带电粒子的电泳行为，实现分离、纯化和制备带电粒子（如蛋白质、DNA等）的过程。
电泳合成可以用于生物分子和纳米材料的分离和制备，具有高分辨率和高纯度等优点。
六、光电化学合成光电化学合成是指利用光和电的相互作用，通过光能激发电子进行化学反应，从而合成有机或无机化合物的方法。
光电化学合成通常在光电解池中进行，利用光能产生电子和空穴，引发化学反应生成所需的化合物。
光电化学合成在太阳能转换和光催化领域具有广泛应用前景。
七、电池法制备纳米材料电池法制备纳米材料是指利用电池反应过程，通过控制反应条件和电极材料等参数，制备出具有特定形貌和性质的纳米材料的方法。
电池法制备纳米材料可以用于制备金属、氧化物、硫化物等多种类型的纳米材料，具有操作简便、条件可控等优点。
八、电化学反应工程电化学反应工程是研究电化学反应过程和工艺的工程学科，主要涉及电解、电镀、燃料电池、电池等领域的反应过程和工艺技术。
实验九 电化学合成碘仿知识交流
实验九电化学合成碘仿实验九、电化学合成碘仿实验目的1．了解电化学方法在有机合成中的应用。
2．初步掌握电化学合成碘仿的基本原理和基本操作。
实验原理卤仿反应是有机化合物与次卤酸盐作用产生卤仿的反应叫卤仿反应，分两步进行（1）醛酮的α-甲基的完全卤代作用（碱催化）：反应式如下CH3-CH(R)O+3NaOX→CX3-C(R)HO+3NaOH（2）三卤代醛（酮）的碳链碱性裂解作用，反应式如下CX3-C(R)HO+NaOH→CHX3+(R)HCOONa.能起卤仿反应的化合物：1 具有CH3CO-连于H或C上的结构的化合物2 具有CH3CHOH-R 结构的化合物（能被次卤酸盐氧化为CH3CO-）3 烯醇（发生分子重排）4 其他能被次卤酸盐氧化为这种结构的化合物碘仿反应某些化合物(如α-羟基乙酸)与次碘酸钠反应生成易于辨认的碘仿的反应。
碘仿为黄色六角形结晶，熔点120 ℃，在沸点升华；遇高温分解而析出碘；不溶于水，能溶于醇、醚、醋酸、氯仿等有机溶剂；有特殊气味，容易嗅出，作为鉴定比氯仿和溴仿好，并且反应非常灵敏，所以在有机分析上用碘仿反应测定新化合物的结构和鉴定未知物的重要手法。
可用以鉴定具有乙酰基(CH3CO)或其他可被氧化成该基团的化合物，如乙醛、丙酮、乙醇、异丙醇、乳酸、醌类或间二羟酚类等。
外科用作消毒剂。
电化学合成碘仿在电化学反应中，物质的分子或离子与电极间发生电子的转移，在电极表面生成新的分子或活性中间体，再进一步反应生成产物。
在碘化钾-丙酮水溶液中进行电解，在阳极碘离子失去电子被氧化生成碘，碘在碱性溶液中变成次碘酸根离子，再与丙酮（或者乙醇）作用生成碘仿，反应如下：2H2O +2e →2OH-+H22I--2e→I2I2 +2OH-→IO- +I- +H2OCH3COCH3 +3IO- →CH3COO- +CHI3 +2OH-能起卤仿反应的化合物：具有CH3CO-连于H或C上的结构的化合物；具有CH3CHOH-R 结构的化合物（能被次卤酸盐氧化为CH3CO-）；烯醇（发生分子重排）；其他能被次卤酸盐氧化为这种结构的化合物。
有机电化学合成
有机电化学合成的原理（4）
直接电有机合成反应的分类
阴极反应
⒈ 还原(如硝基苯制备对氨基苯酚) ⒉ 裂解(如1, 1, 2-三氟三氯乙烷制一氯三 氟乙烯) ⒊ 偶联(如丙烯腈制己二腈) ⒋ 生成金属化合物[如合成双-(环己二烯1,5)镍(0)]
阳极反应
⒈ 氧化(如异丁醇制异丁酸) ⒉ 裂解(如淀粉制二醛淀粉) ⒊ Kolbe缩合(如己二酸单酯制癸二酸双甲酯) ⒋ 生成金属化合物(如合成四乙基铅) ⒌ 氯代(如乙醇制碘仿)
3
有机电化学合成的原理（1）
热化学反应过程 A + B
[AB]
C +D
电化学反应过程 阴极 A + e
[Ae]ˉ
C
阳极 B – e
[B]+
D
总反应 A + B
C+ D
热化学反应和电化学反应区别：
在热化学中，两个分子紧密接触并通过电子的运动形成一种活化络合 物，在进一步转变成产物；在电化学中，两个分子并不彼此接触，它们通 过电解池的外界回流远距离交换电子。
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6
有机电化学合成的原理（3）
各类可能的有机电化学反应：
R -e [R+ ]
R+ 稳 定 的 正 离 子 基
R + R2+ 歧 化
[RR]2+ 二 聚 体 离 子
产物
N RN 亲 核 加 成
-e - X+ R
R2+ 双 正 离 子 R 自由基
-e
产物
R +e [R- ]
R 稳定的负离子基
R + R2- 歧 化
成
1-电解槽；2-分离器；3-泵
《电化学合成》教学课件—02电化学合成理论基础
（3）Stern面：紧贴固体表面有一层被水包围的反 离子，水化反离子的中心联起来的面(SS’)，称为 Stern面；
（4）紧密层和扩散层： 从固体表面至斯特恩面之间的空间称为紧密层，
一部分反离子处于紧密层内。 在Stern面以外，直至溶液本体处的空间称为扩
界面：两相接界处。
双电层：电离出的正、负电荷相互静电吸引，在 界面上形成正电荷层和负电荷层相对的形态。
1、Helmholtz（亥姆霍兹）紧密双电层模型：只考虑 电离的平板电容模型； 2、Gouy-Chapman（古依－查普曼）扩散双电层模 型：把溶液中电荷（离子）看作点电荷并由于热运动 而扩散； 3、Stern（斯特恩）双电层模型：融合了上述两种模 型，把溶液一侧分成紧密层荷扩散层）。
GCS：Gouy-Chapman-Stern BDM：Bockris-Davanathan-Mullar
（1）定位离子：固体表面若带有一层正离子，这 种离子成为决定电位离子，简称定位离子； （2）反离子：由于静电作用的缘故，在固体表面 附近的溶液中出现负离子的几率增大，于是有过剩 的负离子出现在固体附近的溶液内（这层溶液称为 表面区），这些负离子称为反离子；
散层，另一部分反离子分布在扩散层。
紧 密 层 的 结 构 取 决 于 两 相 中 剩 余 电 荷 接 近 的 程 度 ， 并与离子的水化程度有关。
无机阳离子水化程度高，四周具有完整的水化膜， 因而离子不可能直接吸附在电极表面，紧密层较厚，常 称外紧密层；
无机阴离子水化程度较低，部分离子可直接吸附在 电极表面，形成很薄的紧密层，称为内紧密层。
的压力很小，但还是有电解反应的逆反应发生：
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基础篇
3.电极电位
对于任意氧化还原反应，Nernst公式
cC dD gG hH
E
Eθ
RT zF
ln
aGg aCc
aHh aDd
基础篇
4.分解电压和超电压
E外=E可逆+∆E不可逆+E电阻 E外是实际分解电压；E可逆是电解过程中产生的原电池电动势；
∆E不可逆是超电压部分；E电阻是电解池内溶液电阻产生的电压降
提高篇-水溶液电解
水溶液中金属电沉积实例的电解条件
提高篇-水溶液电解
◆ 电解液的组成、电流密度、电解温度，金属离子的配位作用和添加剂 都是支配金属电沉积的主要因素
电解析出金属形态的倾向
提高篇-水溶液电解
水溶液中电沉积获得的 金属产品优点： 获得很因此这一途 径尚可应用于金属的提纯，精炼，多金属资源的综合利用等，也 是湿法冶金中的一个重要方面。 可控制，电解条件以制得不同聚集状态的金属，如粉状金属、 致密的晶粒、海绵状金属沉积物，金属箔等等一敷进一步处理和 应用上的需要。 用此合成途径尚可制备金属间的合金、金属镀层和膜。NiSn、 Al3Ni、CuZn等
提高篇-水溶液电解
2.含最高价和特殊高价元素化合物的电氧化合成
具极强氧化性的化合物F2、OF2、Na2S2O8等 难于合成的最高价态化合物NaClO4、KMnO4、
(ClO4)2S2O8等
将NaClO3溶于水，在318～323K溶解饱和，使溶液中含NaClO3 640～ 680g／L，再加上Ba(OH)2以除去SO42-暖一等杂质，经过滤后送往电解槽。 电解槽中阳极采用PbO2棒，阴极用铁、石墨、多孔镍、铜、不锈钢。电 流密度为l500A·m-2，槽电压为5～6 V，PH值为6～7。电解液温度为 323～343 K。在槽内加入NaF以减小阴极还原。电解反应如下：
提高篇-熔盐电解
1．离子熔盐种类
离子熔盐通常是指由金属阳离子和无机阴离子组成的熔融液体，据统 计，构成熔盐的阳离子有80种以上，阴离子有30多种，简单组合就有2 400多种单一熔盐，其实熔盐种类远远超过此数。 二元和多元混合熔盐。 含配位阴离子的熔盐。
如LiF-KF(离子卤化物混合盐)，KCl一NaCl一AlCl3(离子卤化物混 合盐再与共价金属卤化物混合)和Al203一NaF-AlF3一LiF-MgF2(多种阳离 子和阴离子组成的多元混合熔盐，其中还有共价化合物AlF3)。
NaCl03+H20—2e一
NaCl04+2H+
电流效率为87％～89％，原料转化率为85％。
提高篇-水溶液电解
3.含中间价态和特殊低价元素化合物的电还原合成
含中间价态非金属元素的酸或其盐类
特殊低价元素的化合物 非水溶剂中低价元素化合物的合成
这类化合物由于其氧化态的特殊性，很难借其它化学方法合成 得到，下面举一些典型实例：如Mo的化合物或简单配合物很难用其 它方法制得纯净的中间价态化合物，然而电氧化还原方法在此具有 明显优点。用它可以容易的从水溶液中制得Mo2+(如[MoOCL2]2-， K3MoCl5等)、Mo3+(如K2[MoCl5H20]，K3MoCl6)，Mo5+(如Mo(OH)4，KOH 溶液中电解)，M05+(如钼酸溶液还原以制得[MoOCl5]2-)。在其它过渡 元素中也出现类似的情况。除此外一些不常见和很难合成的“特殊” 低价化合物诸如Ti+(如TiCl，Ti(NH4)Cl)，Ga+(如GaCl的簇合物)Ni+， Co+(如K2Ni(CN)8，K2Co(CN)3)，Mn+(如K3Mn(CN)4)T12+、Ag2+、OS3+(如 K3OsBr6)，W3+(如K3W2Cl9)等等均可借特定条件下的电解方法合成得到。
超电压受以下因素所影响： 电极材料：不同的析出物质和不同的电极会产生不同的超电压，比 如氢气在镀铂的铂黑电极上，氢的超电压很小，若以其他金属作电极， 要析出氢必须使电极电位较理论值更负。 析出物质的形态：通常金属的超电压较小。而气体物质的超电压比 较大。 电流密度：电流密度越大，超电压越大。
基础篇
熔盐的粘度：熔盐的粘度的大小对于工业熔盐电解及其它的金属火法 冶炼的操作都有很大的影响。流动性低，粘度大的熔盐，金属液滴不易 从其中分离出来，所以不能应用于金属的电解和熔炼工业。
电化学合成基础知识
基础篇
1.法拉第定律
◆ 在电极上（即两相界面上）物质发生化学变化的物质的量与通入的 电荷量成正比 ◆ 若将几个电解池串联，通入一定的电荷量后，在各个电解池的电击 上发生化学变化的物质的量都相等 ◆ 电流效率=实际析出量/理论析出量*100%
2.电流密度
每单位电极面积上所通过的电流强度称为电流密度，通常以每平 方米电极面积所通过的电流强度(安培)来表示。
E槽=E可逆+∆E不可逆+IR1+IR2
提高篇-水溶液电解
1. 水溶液中金属的沉积
在实验室中用水溶液电解提纯或提取金属往往是为了下列目的： 在市场上难以得到的特殊金属 比市售品更高纯度的金属 粉状和其他具有特别形状和性能的金属 由实验室的和其他废物中回收金属
原料供给分为以下两种： 用粗金属为原料作阳极进行电解，在阴极获得纯金属的电解提纯发 以金属化合物为原料，以不溶性阳极进行电解的电解提取法
提高篇-熔盐电解
2.熔盐的性质
熔盐的密度：根据偏摩尔体积的变化，可以研究熔盐的结构 一般来说具有离子结构的盐,如NaCl,KCl等，具有较大的密度和较小
的摩尔体积，具有分子结构的盐，如AlCl3,SiCl4等，则与此相反，具有 较小的密度和较大的摩尔体积。从这个意义上讲，低价金属的盐常比高 价金属的盐具有较大的密度。
5.槽电压
电解槽的槽电压都高于理论分解电压由下述几种电压组成： ◆ 反抗电解质电阻所需的电压。电解质像普通导体一样，对通过的电流
有一种阻力，反抗这种阻力所需要的电压，可以根据欧姆定律计算， 为IR1。 ◆ 完成电解所需的电压。这种电压是用来克服电解过程中所产生的原电 池的电动势的，设为E可逆。 ◆ 电解过程的超电压。如上所述设为∆E不可逆。 ◆ 反抗输送电流的金属导体的电阻和反抗接触电阻所需要的电压，为 IR2