- •Основы электрохимии и электрохимических технологий
- •Введение
- •Окислительно-восстановительные реакции.
- •Правила уравнивания окислительно-восстановительных реакций.
- •Порядок уравнивания окислительно-восстановительных реакций, т.Е. Приведение их в форму, обеспечивающую закон сохранения энергии (баланс массы и заряда).
- •Демонстрация переноса электронов в окислительно-восстановительных реакциях. Гальванический элемент.
- •Лекция 2. Законы Фарадея и скорость электрохимического процесса Выход по току. Применение закона Фарадея к расчету скорости обработки металлов.
- •Скорость электрохимической обработки
- •Электрохимический эквивалент сплава и практический электрохимический эквивалент.
- •Лекция 3. Равновесный потенциал электрода Электрод, ячейка. Напряжение электрода и ячейки. Равновесный потенциал. Виды равновесных потенциалов.
- •Равновесный потенциал.
- •Виды равновесных потенциалов.
- •Лекция 4. Основы теории электролитической диссоциации Равновесные явления в растворах электролитов. Теория электролитической диссоциации. Ион - дипольное и ион - ионное взаимодействие в электролитах.
- •Теория Дюбая – Гюккеля и ион - ионное взаимодействие в растворах электролитов.
- •Гидролиз солей.
- •Буферные растворы.
- •Ионные равновесия при растворении. Произведение растворимости.
- •Лекция 6 Электропроводность электролитов
- •Экспериментальное определение электропроводности.
- •Особые случаи электропроводности электролитов.
- •Электроды первого рода. Потенциал ионно-металлического электрода.
- •Электроды второго рода.
- •Хлорсеребряный электрод.
- •Окислительно – восстановительные (redox) системы.
- •Водородный электрод.
- •Хингидронный электрод.
- •Мембранный потенциал или потенциал Донана.
- •Методы изучения двойного электрического слоя.
- •Модельные представления о строении двойного электрического слоя.
- •Форма поляризационной кривой при наличии стадии массопереноса.
- •Лекция 11 Теория замедленного разряда.
- •Свойства уравнения теории замедленного разряда.
- •Лекция 12 Поляризация (перенапряжение) при образовании новой фазы. Перенапряжение при лимитирующей стадии образования двумерных и трёхмерных зародышей.
- •Перенапряжение поверхностной диффузии при электроосаждении металлов.
- •Перенапряжение образования пузырьков газа и связь размеров пузырьков с потенциалом.
- •Предельные токи при электроосаждении. Эффект м.А.Лошкарёва.
- •Электрические процессы в условиях медленной гомогенной химической реакции.
- •Критерии определения природы лимитирующейстадии.
- •Лекция 14 Примеры механизмов некоторых электрохимических реакций.
- •Примеры механизмов различных электрохимических реакций. Реакция выделения водорода (водородный электрод).
- •Кинетическая теория коррозии.
- •Коррозия при кислородной деполяризации.
- •Роль локальных элементов в возникновении коррозии и достижении её скорости.
- •Методы защиты от коррозии.
- •Пассивность металлов.
- •Электрохимическая размерная обработка металлов и сплавов
- •Основы прикладной электрохимии и электрохимических технологий Лекция 1 Основные особенности электрохимических технологий.
- •Конструктивные принципы электрохимических реакторов
- •Межэлектродный зазор
- •Токовые нагрузки
- •Сепараторы
- •Подвод и отвод компонентов реакции
- •Корректировка состава электролита
- •Масштабный фактор
- •Подбор коррозионностойких материалов
- •Экономические показатели
- •Классификация основных процессов переноса при химической и электрохимической технологии
- •Лекция 2. Распределение тока и рассеивающая способность электролитов Распределение тока. Виды распределения тока. Параметр Вагнера. Рассеивающая (локализующая) способность электролитов
- •Первичное распределение тока.
- •Вторичное распределение тока.
- •Третичное распределение тока.
- •Распределение тока при высоких плотностях тока (при наличии поверхностного тепловыделения)
- •Распределение скоростей осаждения или растворения при наличии зависимости выхода по току от плотности тока
- •Методы расчёта распределения тока.
- •Методы экспериментального определения рассеивающей (локализующей) способности электролита
- •Лекция 3. Химические источники тока (хит). Основные характеристики хит
- •Лекция 4 Первичные хит (хит первого рода, элементы)
- •Сухие марганцево-цинковые (мц) элементы
- •Первичные хит с магниевыми и литиевыми анодами
- •Первичные хит с литиевыми анодами
- •Хит с твердым электролитом
- •Лекция 5 Вторичные хит (аккумуляторы).
- •Свинцовые кислотные аккумуляторы
- •Основные неисправности свинцовых кислотных аккумуляторов.
- •Щелочные аккумуляторы
- •Лекция 6 Топливные элементы.
- •Лекция 7. Электролиз водных растворов без выделения металлов Производство водорода и кислорода
- •Производство тяжелой воды
- •Интенсификация электрохимических методов получения водорода
- •Лекция 8. Электрохимическое производство хлора, щелочи и гипохлотрта натрия
- •Теоретические основы электролиза растворов хлоридов
- •Электролиз с твердым катодом и фильтрующей диафрагмой
- •Электролиз с ртутным катодом.
- •Перспективы развития хлорной промышленности
- •Электросинтез гипохлорита натрия
- •Лекция 9 Электрохимические покрытия металлами и сплавами. Теоретические основы.
- •Два метода нанесения покрытий при электролизе
- •Назначение металлических покрытий металлами и сплавами
- •Управление свойствами и размерами покрытий
- •Использование нестационарного электролиза
- •Лекция 10 Электролитическое осаждение железа.
- •Катодный процесс при электроосаждении железа.
- •Электролиты железнения и режимы электролиза
- •Анодный процесс.
- •Лекция 11. Хромирование. Свойства и области применения хромовых покрытий
- •Некоторые особенности процесса хромирования
- •Электролиты и режимы электролиза.
- •Физико-механические свойства хромовых покрытий
- •Лекция 12. Меднение Область применения
- •Сравнительная характеристика медных электролитов.
- •Борфтористоводородные электролиты
- •Цианистые электролиты
- •Пирофосфатные электролиты
- •Лекция 13. Анодная и химическая обработка металлов Оксидирование
- •Электрохимическое и химическое полирование
- •Лекция 14. Электролиз расплавов. Общие сведения.
- •Строение расплавленных солей
- •Электропроводность расплавленных солей
- •Выход по току и удельный расход энергии при электролизе расплавов
- •Влияние физико-химических свойств электролита на процесс электролиза
- •Некоторые специфические явления при электролизе расплавов
- •Лекция 15. Производство алюминия
- •Переработка алюминиевых руд
- •Получение криолита
- •Электроды и другие материалы
- •Электролиз криолит-глиноземного расплава
- •Состав электролита
- •Конструкция и эксплуатация электролизеров
- •Рафинирование алюминия
- •Электролиз хлорида алюминия
- •Лекция 16. Гидроэлектрометаллургия
- •Лекция 17. Электролиз в металлургии благородных металлов
- •Вопросы для самопроверки, задачи и упражнения
- •Заключение Основные направления современного этапа развития электрохимии и электрохимических технологий
- •Литература
Вопросы для самопроверки, задачи и упражнения
Вопросы для самопроверки к лекции 1.
-
В чем преимущество использования батарей первичных элементов ХИТ, последовательно соединенных друг с другом?
-
Назовите электрохимические технологии, в которых используются сепараторы, и в которых они не используются. Чем вызвана необходимость использования сепараторов?
-
Известно, что мерой скорости электрохимической реакции является плотность тока. Какими факторами ограничивается использование высоких плотностей тока в электрохимических технологиях?
-
Какими факторами ограничивается использование малых межэлектродных зазоров в электрохимических технологиях?
-
Покажите разницу между выходом по току, выходом по веществу и коэффициентом использования исходного реагента.
-
Каким требованиям должны удовлетворять аноды в электрохимических технологиях, конечный продукт которых производится в катодом процессе?
-
В чем преимущества использования пористых электродов в электрохимических технологиях?
-
По объему производства и по значимости первое место среди электрохимических производств занимает электрохимическое получение алюминия. Почему алюминий получают из расплавов, а не из растворов? За счет чего можно добиться снижения энергоемкости производства алюминия, составляющей в настоящее время 14 – 16 кВт час / кг?
-
Чем обусловлена необходимость использования циркуляции электролита в электрохимических производствах? Назовите все возможные причины.
-
Как правило, производительность современных электролизеров на единицу объема или на единицу площади ниже, чем производительность аналогичных по назначению химических реакторов. Объясните, чем это вызвано.
Задачи и упражнения к лекции 2.
-
Какой тип распределения тока будет реализован в ячейке с величиной межэлектродного зазора 0,1 мм при плотности тока 100 А/см2, если в качестве электролита использовать раствор NaCl концентрацией 1 М, а зависимость перенапряжения от плотности тока как для катодной, так и анодной электрохимических реакций равны 100 mB/порядок? Подтвердите вывод расчетом. Какие условия должны быть выполнены, чтобы перечисленные выше параметры могли бы быть реализованы на практике?
-
В соответствии с уравнением (2.8) повышение плотности тока уменьшает параметр Вагнера и, как следствие, обеспечивает переход к первичному распределению тока, т.е. максимально неравномерному. Чем можно объяснить, что в целом ряде случаев повышение плотности тока не только не уменьшает равномерность распределения скоростей электрохимических реакций, но даже увеличивает ее?
-
Будет ли увеличиваться или уменьшаться равномерность распределения скорости осаждения (растворения) при постоянной плотности тока (средней плотности тока) и электролите с постоянной концентрацией, если вместо однородной электродной поверхности будет использована макроскопически неоднородная поверхность с периодической искусственной изоляцией, например, масками? Объясните почему.
-
Рассчитайте величину рассеивающей способности электролита, определяемой в ячейке Хулла с вращающимся цилиндрическим электродом, если при общей высоте цилиндрического электрода 20 см, были экспериментально обнаружены следующие толщины электроосажденых слоев (см. рис. 2.3):
Расстояние от нижнего края цилиндрического электрода, см |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
7 |
7,5 |
8 |
9 |
10 |
11 |
12 |
13 |
14 |
15 |
16 |
17 |
18 |
Толщина электроосажденного слоя, мкм |
60 |
55 |
50 |
45 |
40 |
35 |
30 |
27 |
25 |
23 |
22 |
21 |
20 |
19 |
18 |
17 |
16 |
15 |
-
Постройте графически распределение толщины электроосажденных слоев меди на поверхности вращающегося дискового электрода диаметром 20 см при средней плотности тока 300 А/м2, если осаждение идет в течение 1 часа при 100% выходе по току в расчете на образование Cu(II), а распределение тока является первичным?
-
Будет ли уменьшаться или увеличиваться распределение скоростей электроосаждения, если при использовании условий задачи 5 выход по току будет увеличиваться с увеличением плотности тока? Будет оставаться постоянным, но отличным от приведенного в задаче 5?
-
Каким будет распределение скоростей процесса электрохимического полирования никеля, если оно осуществляется на поверхности вращающегося цилиндрического электрода?
-
Рассчитайте рассеивающую способность электролита хромирования определяемого в ячейке Хулла с вращающимся цилиндрическим электродом при средней плотности тока 0,5 А/см2, если распределение тока в ячейке будет соответствовать тому, что представлено в задаче 4 и будет достигаться следующая зависимость выхода по току хромирования от плотности тока:
Плотность тока, А/см2 |
0,1 |
0,2 |
0,3 |
0,5 |
0,7 |
1 |
Выход по току, % |
15 |
18 |
20 |
22 |
25 |
30 |
Вопросы для самопроверки к лекциям 3 – 6.
-
Объясните почему ЭДС ХИТ не зависит от межэлектродных расстояний, размеров электродов и других конструкционных параметров ХИТ.
-
Назовите все возможные причины, в соответствии с которыми напряжение ХИТ уменьшается с увеличением токовой нагрузки.
-
Почему напряжение разряда ХИТ зависит от конструкции, режима разряда, технологических особенностей и других факторов?
-
Почему МЦ элементы выгоднее эксплуатировать в прерывистом, а не непрерывном режиме?
-
В чем состоят преимущества и недостатки магниевых и литиевых анодов в ХИТ I рода в сравнении с цинковым?
-
В чем состоят преимущества ХИТ с твердыми электролитами?
-
Рассмотрите уравнения заряда и разряда при работе свинцового аккумулятора и объясните, почему ЭДС свинцового аккумулятора зависит от концентрации серной кислоты.
-
Объясните причины «кипения» электролита при зарядке свинцовых аккумуляторов и почему этот фактор может использоваться в качестве индикатора окончания процесса зарядки?
-
Перечислите преимущества и недостатки щелочных аккумуляторов в сравнении с кислотными.
-
Какими факторами обусловлена поляризация и пассивация железного электрода в никель – железном аккумуляторе?
-
Распишите электрохимические анодные реакции, протекающие при работе никель – железных и никель-кадмиевых аккумуляторов и какие процессы могут быть побочными по отношению к токообразующему процессу?
-
Перечислите все особенности топливных элементов (ТЭ) как источников энергии и их преимущества в сравнении с другими ХИТ.
-
Чем обусловлено применение угольных электродов в качестве электродов в ТЭ? Каковы функции катализаторов при работе ТЭ и какие катализаторы обычно применяются в ТЭ?
-
В чем преимущества высокотемпературных ТЭ в сравнении с низко- и среднетемпературными?
-
Что представляет собой высокотемпературные топливные элементы регенеративного типа и каков принцип их работы?
Вопросы для самопроверки к лекциям 7 – 8.
-
Объясните, почему для электрохимического получения водорода в качестве электролита используются концентрированные растворы щелочей и железные электроды?
-
Почему выход по току при эдектрохимическом получении водорода из раствора щелочи близок к 100% и какие побочные реакции возможны в этом случае?
-
Чем ограничиваются возможности повышения плотности тока, а, следовательно, единичные мощности электролизеров для получения водорода?
-
На каких принципах основан электрохимический метод получения тяжелой воды?
-
Почему в настоящее время для производства хлора и щелочи используется непрерывная подача электролита в анодное пространство? Какие аноды используются в хлорном электролизе? Опишите их преимущества.
-
В чем преимущества и недостатки получения хлора, каустической соды и щелочи электролизом с ртутным катодом?
-
Почему гипохлорит натрия можно получать бездиафрагменным электролизом?
-
Можно ли и почему получать гипохлорит из морской воды?
Вопросы для самопроверки к лекциям 9 – 12.
-
Что общего и в чем различия между химическими и электрохимическими методами нанесения металлических покрытий?
-
Как можно управлять толщиной металлических покрытий и какие существуют ограничения толщины покрытия? Каковы ограничения использования высоких плотностей тока при электрохимическом нанесении покрытий?
-
Каким образом можно управлять структурой электроосажденных покрытий, а, следовательно, их физико-механическими свойствами?
-
Чем определяется достижение определенных скоростей железнения в различных электролитах (почему используется строго определенный интервал плотностей тока при заданной температуре и чем определяется его величина)?
-
Напишите основную, а также побочные электрохимические реакции при железнении. Почему выход металла по току уменьшается с ростом концентрации кислоты?
-
В чем заключаются преимущества использования борфторидных электролитов железнения по сравнению с сульфатными и хлористыми?
-
Объясните необходимость использования перед железнением предварительной анодной обработки деталей.
-
Перечислите все возможные причины необходимости хромирования изделий.
-
Напишите уравнения всех электрохимических процессов, протекающих при электроосаждении хрома из Cr(VI) и объясните: а) какую роль играет сульфат-ион в процессе; б) почему имеет место возрастающая зависимость выхода по току от плотности тока при хромировании; в) возможные причины низкой рассеивающей (кроющей) способности электролита хромирования, содержащего серную кислоту и хромовый ангидрид?
-
Почему при хромировании используются свинцовые аноды? Какие анодные реакции на них протекают?
-
Опишите условия, при которых образуются хромовые покрытия следующего вида: а) блестящие; б) молочные; в) матовые; г) серебристые, мелкозернистые; д) покрытия отсутствуют
-
Для чего используются медные гальванические покрытия?
-
В чем особенности использования медно-сульфатных и цианистых электролитов меднения? Почему последние обладают более высокой рассеивающей способностью?
-
Почему борфтористоводородные электролиты меднения обладают высокой производительностью?
-
Перечислите возможные методы интенсификации процессов меднения.
Вопросы для самопроверки к лекции 13.
-
Назначение процессов оксидирования. Механизм возникновения и роста пленки при анодном оксидировании. Почему в определенных условиях на металле происходит оксидирование, а в других – его растворение?
-
Чем объясняется, что цветом и свойствами анодных покрытий можно управлять, включая в электролит соответствующие добавки?
-
Объясните, почему можно получать электрохимически изоляционные анодные покрытия? Где они используются?
-
При каких условиях возможно электрохимическое полирование? Опишите требования к составу электролита и режимам электролиза для электрохимического полирования?
-
Чем отличаются электролиты и режимы электролиза, используемые при анодном оксидировании и электрохимической размерной обработке металлов?
-
Почему при электрохимической размерной обработке металлов необходимо использование высоких плотностей тока и малых межэлектродных зазоров?
-
Почему при электрохимической размерной обработке металлов возможно использование таких высоких плотностей тока, которые не могут быть использованы в процессах электроосаждения?
-
И при электрохимическом полировании и при электрохимической размерной обработке металлов используется анодное растворение металла. В чем общность и в чем различие этих технологических процессов с точки зрения: а) используемых электролитов и режимов электролиза; б) технологических и конструктивных особенностей оборудования?
Вопросы для самопроверки к лекциям 14 и 15.
-
Для каких целей может быть использован электролиз расплавов, в чем его преимущества перед электролизом растворов? И в чем недостатки?
-
В чем преимущества металлов, получаемых электролизом расплавов (по сравнению с электролизом растворов) и за счет чего они достигаются?
-
Почему при электролизе расплавов, как правило, не требуется внешних источников нагрева и по каким причинам этого невозможно достичь при использовании электролиза водных растворов?
-
Почему при электролизе расплавов практически отсутствуют концентрационная поляризация?
-
Что такое анодный эффект и каковы причины его возникновения? Как используется анодный эффект в электролизе расплавов?
-
Опишите возможные методы получения и очистки глинозема при переработке бокситов.
-
Каковы причины снижения выхода по току по сравнению со 100% при получении алюминия?
-
Каковы причины загрязнения алюминия-сырца и как осуществляется процесс рафинирования алюминия. Что является анодом в процессе рафинирования?
-
Перечислите возможные методы снижения энергоемкости при получении алюминия и его рафинировании.
-
В чем преимущества получения алюминия электролизом хлорида алюминия?
Вопросы для самопроверки к лекциям 16 и 17.
-
Что такое гидроэлектрометаллургия, в чем ее отличия от металлургии?
-
Каковы физические основы рафинирования металлов в гидроэлектрометаллургии?
-
В чем особенности электроэкстракции?
-
Почему в гидроэлектрометаллургии получили применение в основном сульфатные электролиты?
-
Каковы требования к катодам-матрицам и катодам-основам в гидроэлетрометаллургии?
-
Перечислите все возможные технологические процессы гидроэлектрометаллургии. В чем их особенности?
-
Физические основы технологии рафинирования серебра. Чем определяется выбор плотности тока?
-
Физические основы технологии рафинирования золота. Почему при рафинировании золота используется нестационарный электролиз?