Лабораторна робота 7. Електрохімічне цинкування.

Мета роботи: ознайомитись з процесом електрохімічного осадження цинку.

Завдання: провести осадження цинкового покриття товщиною 10 мкм за вказаних густинах струму, перевірити вплив густини струму на якість цинкових покрить, на вихід за струмом.

Короткий огляд теоретичних основ процесу

Цинкове покриття чорних металів широко використовується для антикорозійного захисту. Рівноважний електродний потенціал цинку (-0,76 В) більш негативний, ніж у заліза, тому цинкове покриття захищає залізну основу від корозії не тільки до тих пір, доки воно не пошкоджене, але й навіть після пошкодження, коли корозійне середовище безпосередньо контактує із залізом (щоправда, ефективність захисту у цьому випадку менша, ніж тоді, коли цинкове покриття неушкоджене).

Осадження цинку ведеться як з простих кислих електролітів, де цинк перебуває у вигляді сульфатної солі з додаванням деяких сполук, так і з комплексних, де цинк перебуває у вигляді різних ціанідних, цинкатних, пірофосфатних, аміакатних та інших комплексів.

З простого кислого електроліту осаджуються низькоякісні грубокристалічні осади цинку. Їх якість може бути покращена шляхом додавання у електроліт органічних ПАР. Важливо підтримувати рН простого електроліту у межах 4-4,5, оскільки при менших значеннях рН починається активне виділення водню на катоді, яке зменшує вихід за струмом і погіршує якість покрить. При рН=5 і вище, на катоді може утворюватись цинк гідроксид, що також осідає на поверхні електроду і псує якість покриття.

Простий електроліт дуже чутливий до присутності більш електропозитивних металів. Вони розряджаються на катоді, осідають на його поверхні та порушують кристалічну ґратку цинку. Внаслідок цього утворюються рихлі низькоякісні покриття. Розсіююча здатність простих кислих електролітів невелика, однак вони придатні до роботи при високих густинах струму. З огляду на це, їх застосовують для цинкування великорозмірних деталей простої форми. Зокрема, деякі сорти цинкованої бляхи виготовляють саме з таких електролітів.

У комплексних цинкат них електролітах цинк знаходиться здебільшого у вигляді аніонів . У процесі їх розкладання утворюється невелика кількість йонів , які й осаджуються на катоді. Через це у комплексних електролітах досягається висока перенапруга виділення цинку і утворюються високоякісні дрібнокристалічні осади. Однак, вони працюють з достатньо низькими густинами струму, хоча й забезпечують високу розсіюючи здатність. Для покращення цинкування складних за формою деталей, їх під час обробки обертають (наприклад, поміщаючи у барабани).

Подальше поліпшення якості покриття досягають додаючи до складу електроліту невеличкі (менше 1 г/л) кількості солей ртуті і олова, що не погіршують умов формування кристалічної ґратки цинку.

У аміакатних електролітах цинк існує у вигляді досить стійких комплексів . Внаслідок їх дисоціації у при катодному просторі утворюються катіони цинку, з яких формується осад металу. Аміакатний електроліт використовують при рН не нижче 6,5, оскільки у більш кислому середовищі комплексний йон розпадається на складові.

Цинкове покриття повільно кородує, покриваючись шаром основних солей складної структури. Особливо активно цей процес йде у вологій атмосфері. Для запобігання руйнуванню цинкового покриття, його піддають хімічній пасивації шляхом обробки у кислих концентрованих розчинах хроматів. Після цього на поверхні цинку формується щільний оксидний шар, а пори «забиваються» стійкими хроматами цинку.

МЕТОДИКА РОБОТИ

1. Розрахувати час, необхідний для отримання цинкового покриття товщиною 5-10 мкм (за вказівкою викладача) при вказаних викладачем густинах струму згідно таблиці 1.

Таблиця 1

Тривалість цинкування (хв) за умови 70 % виходу за струмом для різних густин струму (і, А/дм²) і товщин осаду (h, мкм).

	I
H	0,5	1	2	4	5
3	28,5	15	7	3,5	3
5	47,5	25	12	6	5
7	66,5	35	17	8,5	7
10	95	50	24	12	10

2. Зібрати електричну схему для осадження цинку (Рис. 1).

Рис. 1. Схема електричних з’єднань для осадження цинку

3. У комірку помістити електроліт такого складу:

оксид цинку – 12-15 г/л, хлорид амонію – 250 г/л, кислота борна – 20-25 г/л, ПАР (декстрин, клей столярний) – 1-2 г/л. рН такого електроліту повинен дорівнювати 6,5-8, або цей же електроліт з добавкою хлориду міді, або електроліт блискучого цинкування.

4. Підготувати 4 сталевих катоди. Спочатку їх слід відшліфувати наждачним папером для видалення оксидних та сольових нашарувань. Потім катоди знежирити у лужному розчині (5-15 г/л NaOH, 15-35 г/л Na₃PO₄ ^. 12H₂O, 15-35 г/л Na₂CO₃, 3-5 г ПАР (Синтанол ДС-10, або інший)) при 60-80 ⁰С протягом 5-10 хв.

5. Промити електроди у проточній воді і протравити у розчині HCl або H₂SO₄ (150-200 г/л) при кімнатній температурі протягом 5-10 хв.

6. Промити електроди у проточній воді і активувати шляхом занурення у розчин H₂SO₄ (50 г/л) при кімнатній температурі на 0,5-1 хв.

7. Електроди промити, висушити та зважити. Всі результати зважувань занести у протокол. Також у протокол занести результат зважування катоду кулонометру.

8. Розрахувати силу струму, який необхідно пропускати через схему для забезпечення необхідної густини струму на кожному зі сталевих електродів. Під час розрахунку враховуйте те, що у електролізі приймають участь обидві сторони електроду.

9. Провести електроосадження цинку при 4 вказаних викладачем густинах струму. Після закінчення кожного електроосадження катод комірки і катод кулонметра слід винути, обережно занурити у дистильовану воду для промивки, висушити і зважити. Результати зважування обох електродів, опис зовнішнього виду сталевого катоду і розраховані виходи за струмом занести у таблицю 2.

10. Побудувати графік залежності виходу за струмом від густини струму, описати залежність якості отриманих покрить у обраному електроліті від густини струму і підготувати звіт по роботі згідно поданої нижче форми.

Таблиця 2

Таблиця для занесення результатів вимірювань і розрахунків.

№ зразка	Електроліт	Площа (S), дм2	Густина струму (i), A/дм2	Сила струму, А	Якість (пористість) покриття	(комірка)	(кулонометр)
1
2
3
4

ВИСНОВКИ ПО РОБОТІ

а) Вплив густини струму на якість осаду:

б) Вплив присутності міді (блискоутворюючих добавок) на якість осаду:

в ) Залежність виходу за струмом від густини струму (графік можна подати на окремому аркуші):

ВС

і