Cr(III)盐在Pt电极和PbO_2电极上阳极氧化为络酸盐的机理的研究

关于Cr(III)阳极氧化为Cr(VI)的过程，在工业应用方面已有许多工作，但对机理尚不清楚。本文对Pt电极和PbO_2电极上的这一过程进行了动力学的研究，首次得到了Cr(VI)在这两种电极上阳极形成的真实动力学数据，并提出了与实验基本相符的反应机理。用“分解极化曲线法”和稳态极化曲线的测量，得到了[H_2SO_4]和[SO_4~=]恒定的不同浓度Cr_2(SO_4)_3溶液中Cr(VI)在光滑Pt电极上阳极形成的真实动力学数据，可用如下方程式来表达：在较低电位下φ = a + 0.25 log i_2 - 0.23 log [Cr(III)]在较高电位下φ = a' + 0.48 log i_2 - 0.44 log [Cr(III)]同时得到了氧的阳极发生的动力学数据，Tafel线性区的斜率接近于2.303 RT/ΔF (Δ ≈ 0.5)。动力学方程式的推导与实验的比较表明，在光滑Pt电极上Cr(VI)是由Cr(II)通过“活性氧”的氧化形成的，提出了如下反应机理：H_2O → (OH)_(ad) + H~+ + e~- 2(OH)_(ad) → (O)_(ad) + H_2O 2(O)_(ad) →O_2 (OH)_(ad) + [Cr(H_2O)_6]~(3+) → (CrO_2)_(ad) + 3H~+ + 5H_2O (CrO_2)_(ad) + H_2O → (CrO_3~-)_(ad) + 2H~+ + e~- (CrO_3~-)_(ad) + H_2O → HCrO_4~- + H~+ + e~- 2HCrO_4~- <-> Cr_2O_7~(2-) + H_2O 在[H_2SO_4]和[SO_4~(2-)]恒定的不同浓度Cr_2(SO_4)_3溶液中，测得了Cr(VI)在Δ-PbO_2电极上阳极形成的动力学数据：在较低电位下φ = a + 0.28 log i_2 - 0.30 log [Cr(III)]在较高电位下φ = a' + 0.55 log i_2 - 0.51 log [Cr(III)]氧的极化曲线的Tafel线性区斜率也为2.303RT/ΔF (Δ approx= 0.5)。PbO_2电极和Pt电极上分解极化曲线的比较表明，Cr(VI)在前一电极上阳极形成的过电位远低于在后一电极上，这可能是两电极上电流效率显著差别的原因。测得了PbO_2电极上不同过电位下电极反应的有效活化能，其数值均在10 Kcal mol~(-1)以上，且随着极化的增大而减小，据此在动力学处理中可以忽略扩散的作用，交流阻抗的研究进一步证实了这一点。溶液pH的增大或[H_2SO_4]的减小会降低Cr(VI)阳极形成的过电位，使反应加速。在[H_2SO_4]和[SO_4~(2-)]恒定的不同浓度Cr_2(SO_4)_3溶液中，测得了在不同电位极化下PbO_2电极的阻抗频谱。在较高电位下阻抗谱呈现明显的两个半圆，表明电极过程包括了中间吸附物的形成。求得的吸附电容Cad比双层电容Cd大1-2个数量级；Cd比通常光滑电极表面的Cd大得多，这可能与SO_4~(2-)，HCrO_4~-, Cr_2O_7~-以及[_((SO_4))~((H_2O)_2) Cr_((SO_4))~((OH)_2) Cr_((SO_4))~((OH_2)_2)]~(2-)等阳离子的特性吸附有关。从动力学的推导与实验的比较得出，在PbO_2电极上Cr(VI)也按“活性氧”机构形成，可能的机理如下：H_2O → (OH)_(ad) + H~+ + e~- (OH)_(ad) + H_2O → (O)_(ad) + H_3O~+ + e~- 2(O)_(ad) → O_2 [Cr(H_2O)_6]~(3+) + (O)_(ad) → (CrO_3~-)_(ad) + 4H~+ + 4H_2O (CrO_3~-)_(ad) + H_2O → HCrO_4~- + H~+ +e~- 2HCrO_4~- <-> Cr_2O_7~(2-) + H_2O.