电解法测定阳极铜中铜含量的探究

1 前言

在阳极铜中铜含量的测定中，电解法和碘量法是常用的分析方法。碘量法具有较高的测量精度且设备要求低，但需要较大的样品量，消耗大量化学试剂，且操作复杂，结果易受定容和分取液体带来的误差影响。相比之下，电解法通过电流使金属离子还原并在电极上沉积，从而实现金属含量的测定，具有较高的灵敏度和准确度。然而，实验过程中多种因素会影响测定结果，其中称样量是影响实验精度的重要因素。不同的称样量将直接影响电解反应的速度、沉积效率以及实验误差。探讨不同称样量对电解法测铜的影响，对于优化实验操作、提高测定精度和减少化学试剂使用具有重要意义。

2 优化后的电解法

2.1 阳极铜样品元素分布特点

通过直读光谱仪（OES）分析，对阳极铜产品中的元素含量进行了详细测定，结果显示样品中含有 19 种元素。除铜、铁、镍、硅、铬、砷、银、硫和氧含量较高外，其他元素含量较低，对电解法测铜的干扰较小。以下为阳极铜样品的直读光谱分析结果：

2.2 优化步骤

2.2.1 电解终点判断

通过观察阴极气泡的产生来判断电解完成。根据样品元素特点，我们发现高含量元素中：硅、砷、氧、硫为非金属元素，电解过程中不会在阴极中析出。根据标准电位序，常见金属（以及氢）按其标准电极电势由低到高排列得到的序列：锂、钾、钙、钠、镁、铝、锌、铁、镍、氢、铜、汞、银、金。那么剩余元素电解顺序大致为：银（ Ag^* ）>铜 ）>镍（Ni）>铁（Fe）>铬 。然而镍的标准电极电势为-0.25V，在电解过程中较难被还原成金属状态，铁的标准电极电势为-0.44V，还原沉积难度较大。所以在铜完全电解完之后，将发生电解水的反应： 2H2O+2e^-⟶H2↑+2OH^- ，此时我们将发现阴极有气泡产生，并以此作为电解完成的判断点。

2.2.2 忽略银离子的干扰

银离子会优先于铜离子在阴极析出，但是根据火试金重量法测定阳极铜产品的银含量，一般在两位数g/t（ 0.0001% ）范围内，其对最终结果影响极小，不需在结果中扣除。

2.2.3 样品制备更严格

参考YS/T521.1-202X粗铜、黑铜、阳极铜化学分析方法及YS/T1230.1-2018 阳极铜化学分析方法，均将分析试样破碎至全量通过 2mm标准筛，再用 0.44mm/0.45mm 标准筛分为筛上、筛下，根据质量比合称 3g 。本实验对样品的制备进行了严格的控制，使用振动磨将样品磨细，至全量通过 40 目标准筛（ 0.38mm| ），确保颗粒更均匀，提高分析结果的一致性。

3 实验部分

3.1 实验仪器与试剂

实验仪器：电子天平（精确度： 0.0001g ），电解仪（带鼓气搅拌装置，配有电流表和电压表），铂金电极（阴极：网状圆筒型（360-400 孔/cm2，铂丝直径 1mm ）、阳极：螺旋型，铂丝直径 1mm ），电热恒温鼓风干燥箱。

试剂：硝硫混酸（硝酸：硫酸：水的比例为 10：7：40）、无水乙醇、蒸馏水。

3.2 实验步骤

3.3.1 样品称量

准确称量不同质量的阳极铜样品，记录质量M，称量精确到 0.0001g_⨀ 秤样量分别为 0.5g、1g、1.5g、2g

3.3.2 样品溶解

将称量的阳极铜样品置于 250mL烧杯中，加入硝硫混酸，盖上表面皿，置于电热板上慢慢加热，使 阳 极 铜 和 硝 硫 混 酸 反 应 ，  产生 大 量 二 氧 化 氮 棕 红 色 气 体 ， 反 应 式 为Cu+2HNO3+2H2SO4CuSO4+2NO2↑+2H2O 待棕红色气体消失、粗铜完全溶解后取下烧杯冷却。用蒸馏水吹洗表面皿及烧杯壁，用水稀释至 200ml备用。硝硫混酸加入量如下：

3.3.3 电解

取出铂阴极称重（精确到 0.0001g ），记录质量M1。将铂阳极和铂阴极分别安装在电解仪上，浸入电解液中，盖上自制塑料盖。设定电压为 2.5V，电流为 1.5A，开启电源，调整鼓气搅拌装置，使汽包搅拌速度适中，电解至溶液由蓝色变成无色，用水洗涤杯壁及电极杆继续电解。当观察到电极周围产生大量汽包时，再次用水洗涤杯壁及电极杆，取下溶液换上装有蒸馏水的烧杯（水面需没过铂阴极铜析出最高点）继续电解 5～10 分钟，至新浸没的铂阴极杆上不再沉积出铜为止，取下铂阴极。

3.3.4 电极烘干秤重

将取下铂阴极浸入无水乙醇快速洗涤 2 次，然后放入 65°电热恒温鼓风干燥箱中烘干 3-5 分钟，冷却后再次称重，记录质量M2。

3.3.5 测定结果计算

样品铜含量通过电解前后电极质量差异计算，公式为：

其中，M2 为电解后铂阴极质量，M1 为电解前铂阴极质量，M为样品质量。

4 实验结果与讨论

4.1 铜含量测定结果表

4.2 电解时间结果记录

实验数据表明，优化后的电解法具有较好的重复性和再现性，不同称样量下铜含量测定结果稳定，误差较小。随着样品质量的增加，电解时间缩短，沉积效率提高。称样量为 1g-2g时，结果误差较小，实验满足分析要求。当样品量较小时，电解时间较长，沉积效率较低，可能与电解液浓度降低有关，溶液中可供电解的离子数量减少，电流强度降低，导致电极上发生反应的速率变慢。

5 结论

本实验探讨了不同秤样量和加酸量对电解法测铜的影响。实验结果显示， lg～ 2g的样品量在测定铜含量时有较高的准确性和重复性，同时电解时间较短，适合实验室分析需要。考虑到在实际操作中需要平衡秤样量与实验时间及误差之间的关系，可以根据实验室待测样品数量、紧急程度、分析仪器配备情况选择合适称样量。

参考文献

[1]YS/T521.1-2009 粗铜化学分析方法（第 1 部分）：铜量的测定碘量[S].2009.

[2]YS/T521.1-202X粗铜、黑铜、阳极铜化学分析方法（第 1 部分）：铜含量的测定[S].202X.

[3]YS/T1230.1-2018 阳极铜化学分析方法（第 1 部分）：铜含量的测定碘量法和电解法[S].2018.

[4]常静，商闯，赵温涛.“恒电流电解法测定铜含量”实验的改进[J].大学化学，2021，36（6）.

[5]李松林，冯霞，刘俊吉，周亚平.物理化学.高等教育出版社，2017.