Анненков Ю.М. и др. Основы электротехнологий: практикум

Подождите немного. Документ загружается.

каф. ЭИКТ ЭЛТИ ТПУ

растворённого вещества, приводящая к уменьшению концентрации ио-

нов, участвующих в электролизе.

При этом на электродах выделяются газы в виде пузырьков.

В процессе электролиза водных растворов электролитов (кислых,

щелочных, нейтральных) происходит одновременно ряд различных ре-

акций, среди которых наибольшее значение имеют следующие:

1) диссоциация молекул воды и соли:

О → ОН

+ Н

NaCl ↔ Na

+ Cl

2) переход металла электрода из металлического состояния (Ме

) в

ионное состояние: Ме

± nе → Ме

где n – число единичных зарядов,

е – единичный отрицательный заряд (электрон).

3) образование различных металлических соединений, состав кото-

рых определяется химическим составом электролита или продуктов

электролиза:

- в кислых растворах: Ме

+ nR

→ Me(R)

где R – кислотный остаток (анион), например Cl

−2

SO ,

−3

- в нейтральных и щелочных растворах:

Ме

+ nOH

→ Me (OH)

↓ (гидрат окиси металла - нерастворим)

Ме

+ nO

→ Me

(нерастворим)

4) переход иона металла электролита в металлическое состояние

(Ме

) в результате его взаимодействия с металлом катода (процесс ка-

тодного восстановления): Na

+ e

→ Na

5) продуктами электролиза воды являются газы (кислород и водо-

род), непрерывно удаляющиеся из сферы реакции.

на аноде: 4ОН

- 4е

→ 2Н

О + О

↑ (газ)

на катоде: 2Н

О + 2е

→ 2ОН

+ Н

↑ (газ).

Течение катодных и анодных реакций при электролизе, при условии,

что на электроде протекает только один электрохимический процесс,

определяется двумя законами Фарадея:

Масса вещества (m), выделившегося при электролизе на катоде

или перешедшего с анода в электролит, пропорциональна количеству

электричества (Q=It при постоянном токе) прошедшего через электро-

лит

⋅

, (1)

где α- электрохимический эквивалент вещества, г/Кл (кг/А⋅с)

I – сила тока

t- время прохождения тока

каф. ЭИКТ ЭЛТИ ТПУ

Электрохимические эквиваленты элементов прямо пропорцио-

нальны их химическим эквивалентам, т.е. прямо пропорциональны

атомной массе вещества (А) и обратно пропорциональны его валентно-

сти (n)

⋅

, (2)

где F = 96480 – число Фарадея [Кл⋅моль

-1

Число Фарадея означает, что при растворении 1 грамма эквивален-

та любого металла, требуется одно и то же количество электричества,

равное 96500 Кулонов, или равное 26,8 А

час.

Таким образом, электрохимический эквивалент вещества пред-

ставляет собой массу вещества в граммах, выделяемую единицей коли-

чества электричества, проходящего через электролит. Для меди А =

63.54, n=2, α= 0.000329 г/Кл, для никеля α= 0.000304 г/Кл, для цинка α=

0.00034 г/Кл.

Электрохимический эквивалент любого сплава можно найти че-

рез эквиваленты входящих в него

элементов (k

, k

,....k

) и через массо-

вое содержание в процентах (р

, р

....р

) элемента в сплаве:

1.2. Анодное растворение

Электрохимическая обработка материалов нашла широкое приме-

нение в различных областях техники для нанесения на изделия защит-

ных покрытий из никеля и хрома, создания копий инструмента, изго-

товления отверстий в твердотельных сплавах, шлифования деталей,

электрохимического травления (очистки) алюминиевой и медной фоль-

ги, формирования оксидно-полупроводниковых конденсаторов и т.д.

большинстве современных методов используется преимущест-

венно процесс анодного растворения, т.е. перехода металла, помещён-

ного в электролитическую ванну в качестве анода, из металлического

состояния в различные неметаллические соединения (соли, гидроокиси,

окислы). В этом случае, материал анода как бы растворяется, а продук-

ты растворения уносятся электролитом. При этом катод, который слу-

жит

инструментом, не изнашивается, что является положительной осо-

бенностью ЭХО.

Под действием тока в электролите материал анода растворяется и

выносится электролитом из промежутка в виде продуктов обработки:

Адсорбция аниона на поверхности анода (А):

+ А → Cl

адс

перезарядка аниона:

адс

– e

→ Cl

адс

каф. ЭИКТ ЭЛТИ ТПУ

перезарядка атомного остова ионов металла анода:

тв

→ Cu

тв

химическое взаимодействие адсорбированного атома хлора с ио-

нами меди с образованием адсорбированного комплекса:

тв

+ Cl

адс

→ (CuCl)

адс

растворение комплекса

(CuCl)

адс

→ (CuCl)

взаимодействие ионов хлора с комплексом в электролите

(CuCl)

+ Cl

→ Cu

+ 2Cl

7) образование продуктов электролиза:

+ 2OH

→ Cu (OH)

↓

+ 2O → CuО

4ОН

- 4е

→ 2Н

О + О

↑ (газ)

2Н

О – 4e

→ 4Н

+ О

↑ (газ)

Таким образом, анодное растворение в нейтральных электролитах

сопровождается образованием газов, гидратов окиси металла, которые

являются практически нерастворимыми в электролите и забивающие

межэлектродный зазор, и образованием оксидной плёнки на аноде. В

результате этого возникает явление пассивации – образование на по-

верхности оксидной плёнки, обладающей большим сопротивлением. С

увеличением напряжения растёт толщина

плёнки. Предотвратить или

удалить пассивацию можно с помощью введения в электролит активных

ионов или подведения ультразвуковых колебаний к электроду или в

электролит.

На практике важно знать линейную скорость растворения металла,

которую можно определить из уравнения

⋅

V , (3 )

где σ - удельная проводимость электролита;

δ - зазор между катодом и анодом;

η - коэффициент, учитывающий химическое растворение металла;

d - плотность электролита;

U - внешнее напряжение.

Скорость анодного растворения зависит от силы тока через электро-

лит, состава электролита, его концентрации и температуры, металла

анода и др.

Одним из видов электрохимической обработки

металлов является

острение металлических зондов, которые широко используются в лабо-

раторных исследованиях. В этом случае с помощью специального при-

способления в раствор электролита погружается металлическая прово-

каф. ЭИКТ ЭЛТИ ТПУ

лока или игла, из которых изготовляется зонд. Эта игла служит анодом,

а электролит или ванна - катодом. При погружении иглы в электролит с

её кончика металл переходит в электролит. Производя периодическое

поднятие и погружение иглы в раствор электролита, добиваются нужно-

го радиуса иглы. Поскольку большее время в электролите находится

кончик

иглы, то и количество металла, уносимого в электролит, будет

для него больше, а соответственно и меньше радиус. Можно сказать,

что количество металла, переносимого через электролит, будет пропор-

ционально количеству прошедшего электричества, т.е. времени нахож-

дения различных частей иглы в электролите. Обычно для изготовления

металлических зондов используются электролиты на основе водного

раствора NаCl, КОН и др.

1.3. Катодное восстановление (гальванотехника).

Гальванотехника – способ осаждения металлов на поверхности ме-

таллических и неметаллических изделий при помощи электролиза. По-

сле осаждения поверхность изделия приобретает большую стойкость

против коррозии, красивый вид (декоративное покрытие), большую

твёрдость и стойкость против истирания. Если изделие покрывается

тонким слоем (5-30 мкм) металла, то процесс называется гальваностеги-

ей (омеднение, никелирование, хромирование, серебрение, золочение

кадмирование и т.д.). Медь используется, главным образом, как проме-

жуточный слой ( хорошее сцепление с материалом изделия) на покры-

ваемых никелем или хромом стальных изделиях.

Как правило, в процессах гальваностегии применяют растворимые

аноды в виде полос или прутков из металла, осаждаемого на катоде. В

этом случае осуществляется перенос металла с

анода на катод. Приме-

няются и аноды из металла, нерастворимого в данном электролите

(хромирование). В этом случае металл выделяется на изделиях за счёт

электролита. Основной частью электролита являются соли осаждающе-

гося металла. Кроме того, для улучшения проводимости электролита в

него часто вводят кислоты или щёлочи.

Например, в соответствии с рядом

напряжений металлов, железо бо-

лее склонно к образованию химического соединения с кислородом, чем

водород. Поэтому, попадая в воду, железо окисляется (ржавеет), образуя

окись Fe

, и вытесняет из нее водород. Другим примером такого ме-

ханизма является взаимодействие железа с раствором сульфата меди.

Согласно ряду напряжения более активное железо вытесняет медь из

раствора, причем железо растворяется, образуя сульфат железа, в виде

ионов, а медь выделяется в виде металла и оседает на поверхность же-

каф. ЭИКТ ЭЛТИ ТПУ

леза. Как только медь покроет всю поверхность железа, этот процесс

прекратится.

Аналогичный процесс будет наблюдаться, если пластинку железа

поместить в раствор сульфата никеля и борной кислоты. В этом случае

более активное железо вытесняет из раствора никель, который будет

выделяться в виде металла и покрывать поверхность железа.

Рассмотренные выше химические

реакции являются типичным при-

мером химического осаждения (восстановления) металла. Если этот

процесс провести в электрическом поле, т.е. приложить к металлам со-

ответствующий потенциал, то интенсивность этого процесса увеличит-

ся. Следует отметить, что скорость таких реакций или количество выде-

ляющегося вещества сильно зависит от температуры, времени, состава и

концентрации раствора электролита

и величины протекающего через

него тока.

В случае восстановительной реакции ионы металла электролита при-

тягивают электроны катода и осаждаются на нём в виде атомов (Me

адс

Ме

+ ne

→ Me

адс

Кроме того, на катоде происходит выделение водорода в результате

окисления молекул воды и гидроксид-анионов.

Кроме этих процессов в зависимости от материала электродов, типа и

состава электролита, в процессе электролиза будут протекать и другие

химические реакции.

Для нанесения никелевого покрытия обычно используются электро-

литы на основе сернокислого никеля с добавлением сернокислого

ам-

мония и борной кислоты с величиной рН ≈ 3,7 ÷ 6,0. Эти добавки необ-

ходимы для связывания образующегося водорода (чтобы избежать газо-

выделения на катоде) и повышения качества никелевого покрытия.

Осаждение никеля на катод происходит в результате следующих хи-

мических реакций:

NiSO

↔ Ni

+SO

О ↔

+ ОН

Анод Катод

- 2е

→ SO

+ 2e

→ Ni

адс

Молекула SO

нестойкая. 2Н

+ 2е

= Н

↑

Она распадается, выделяя 2Н

О + 2е

→ 2ОН

+ Н

↑ (газ)

атомарный кислород:

→ SO

+ О↑

4ОН

- 4е

→ 2Н

О + О

↑ (газ)

каф. ЭИКТ ЭЛТИ ТПУ

1.4. Электролитическое рафинирование (электрофорез)

Значительный практический интерес представляет электролиз рас-

творов солей металлов (МеSO

) с электродами из этих металлов. В этом

случае на аноде окисляются и переходят в раствор в виде положитель-

ных ионов атомы Ме, а на катоде те же ионы восстанавливаются и в

виде металла осаждаются на электроде. Такая «перегонка» Ме с анода

на катод не бессмысленна. Часто выплавляемая из руды медь

содержит

примеси. Если из этой меди сделать аноды и «перегнать» их элекрохи-

мически (через раствор CuSO

) на катод, то произойдёт очистка метал-

ла. Высокочистая медь необходима, например, для изготовления про-

водов. В промышленности применяют и другие растворимые аноды.

Так, анодным растворением сплава железа и марганца можно получить

перманганат калия.

2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ

2.1. Электрохимическое анодное растворение.

2.1.1. Цель и задачи работы.

- Изучение метода анодного растворения металлических пластин.

- Получение металлических зондов методом электрохимического

травления металлических игл.

2.1.2. Описание экспериментальной установки

Установка (рис. 3) состоит из электролитической ванны с подогревом

электролита нагревателем Н1. Температура раствора контролируется

контактным термометром К1, который включен в цепь питания катушки

реле Р1.

При включении установки пакетным выключателем ПВ включение

нагрева ванны производится выключателем В1. В этом случае напряже-

ние сети через нормально замкнутые контакты реле Р1 подводится к

на-

гревателю Н1, что фиксируется загоранием лампы Л1 (меньше) на пуль-

те управления.

При достижении заданной температуры раствора происходит замы-

кание контактов контактного термометра К1, что обеспечивает подачу

напряжения на обмотку реле Р1, которое размыкает свои нормально

замкнутые контакты Р1, и, тем самым, снимается напряжение с нагрева-

теля Н1. На

пульте управления загорается соответственно сигнальная

лампа Л2 (больше), сигнализирующая о превышении температуры рас-

твора. Подача постоянного напряжения величиной 6В на электроды

ванны осуществляется от выпрямителя, подключенного к разделитель-

каф. ЭИКТ ЭЛТИ ТПУ

ному трансформатору ТР. Регулировка величины тока осуществляется

автотрансформатором - АТ. Для включения напряжения на электроды в

схеме управления предусмотрен выключатель В2.

Рис.3. Принципиальная электрическая схема установки:

ПВ-пакетный выключатель сети, Н1-нагреватель ванны, В1-выключатель нагрева

ванны, В2-выключатель напряжения ванны, Р1-обмотка и контакты реле, К1-

контактный термометр, АТ-автотрансформатор, ТР-понижающий трансфор-

матор, Л1, Л2-лампы сигнализации.

2.1.3. Порядок работы

Подготовить образцы и установить их в электродное устройство.

Подготовить раствор электролита и залить в ванну.

Включить установку в сеть пакетным выключателем ПВ. На ПУ за-

горается сигнальная лампа «Сеть».

Подать напряжение на электроды выключателем В2 и с помощью ав-

тотрансформатора установить по амперметру рабочий ток в пределах 5 -

50 А (величина тока

задается преподавателем).

В процессе электрохимического травления через определенные про-

межутки времени производить контроль массы образца (таб. 1) или ра-

диуса иглы (таб. 2).

Выключить установку пакетным выключателем ПВ.

Произвести согласно формулам 1 и 2 расчет массы растворенного

металла и сравнить экспериментальные и теоретические результаты.

ПВ В

н-

Н1

к Н1

АТ Т

каф. ЭИКТ ЭЛТИ ТПУ

Таблица 1

Влияние силы тока и времени травления на массу металла

Масса образца, гр Ток

I, А

Время

травления

τ, мин

экспериментальная

экс

расчётная

…

Таблица 2

Зависимость радиуса иглы от времени травления

Радиус иглы R, мкм Время травления

τ, мин

ток I = 1 А ток I = 10 А

….

Произвести необходимые расчёты и построить графики, соответст-

вующие заданию (m

экс

= f(I), m

экс

= f(τ), m

= f(I), m

= f(I) или R

иглы

f(t)).

2.1.4. Контрольные вопросы

1. Что представляет собой электрохимическая обработка материалов

и для каких целей она применяется?

2. Что такое анодное растворение металлов?

3. В чем заключается физическая сущность процесса анодного рас-

творения металлов?

4. От каких факторов зависит скорость электрохимической обработки

материалов?

2.2. Электрохимическое катодное восстановление.

2.2.1. Цель и задачи работы

- Изучение гальваностегии.

- Получение никелевого покрытия методом электрохимического вос-

становления металла

каф. ЭИКТ ЭЛТИ ТПУ

2.2.2. Описание экспериментальной установки

Установка (рис.4) состоит из электролитической ванны и реверсив-

ного блока питания. Реверсивный блок питания состоит из стабилизато-

ра напряжения, измерителя и регулятора тока, регулятора режима рабо-

ты и счетчика времени.

Структурная блок-схема установки содержит регулируемый стабили-

затор напряжения, являющийся источником тока осаждения. Ток осаж-

дения контролируется измерителем тока мА. Реверсирование тока осу-

ществляется поочередным включением кнопок Р

, Р

реле прямого и об-

ратного тока. Управление реле осуществляет электронный ключ. Счет-

чик времени Т

пр

и Т

обр

поочередно считают импульсы, поступающие с

генератора импульсов и в конце каждого счета по истечении заданного

времени переключают электронный ключ. Для ограничения прямого

тока служит сопротивление R1, а для ограничения обратного тока – до-

полнительно сопротивление R2.

Счетчик времени осаждения по истечении заданного времени отклю-

чает электронный ключ и, тем самым, отключает ток.

Измеритель

времени осаждения совместно с индикатором фиксирует

время осаждения с начала процесса. По окончании заданного интервала

времени осаждения включается звуковой сигнал.

Рис.4. Блок –схема установки

каф. ЭИКТ ЭЛТИ ТПУ

2.2.3. Порядок работы

Залить в ванну электролит, соблюдая меры безопасности.

Подготовить образец для никелирования, взвесить его на весах, уста-

новить в зажим и опустить в ванну.

Установить рукоятки регистров «Грубо», «Точно» в крайнее положе-

ние против часовой стрелки.

Задать режим работы (длительность действия прямого и обратного

тока в цикле).

Задать время осаждения.

Включить

установку тумблером «Сеть». При этом должна загореться

сигнальная лампа «Сеть».

Включить тумблер «Сеть» реверсивного блока и нажать кнопку

«Сброс» для сброса показаний счетчика времени осаждения и выключе-

ния звукового сигнала.

Нажать кнопку «Пуск» реверсивного блока и рукоятками резисторов

«Грубо» и «Точно» установить величину прямого тока (100 мА) по за-

данию преподавателя

По окончании заданного времени осаждения нажать кнопку «Сброс»

и отключить звуковой сигнал.

Вынуть образец из зажима, промыть его в воде, просушить и изме-

рить его вес после нанесения.

Повторить процесс нанесения.

Результаты измерений внести в таблицу 3.

Произвести по формулам 1 и 2 расчет массы осажденного металла

) и сравнить экспериментальные и теоретические результаты.

Построить график изменения веса (массы) образца от времени осаж-

дения.

Объяснить полученные результаты.

Таблица 3.

Влияние силы тока и времени нанесения покрытия

на массу электрода

Масса образца, гр Ток

I, А

Время

травления

τ, мин

экспериментальная

экс

расчётная