Лабораторная работа №9 изучение технологий нанесения многофункциональных покрытий

Цель работы: исследовать процесс нанесения гальванических покрытий.

Краткие теоретические сведения

Метод нанесения электрохимических (гальванических) покрытий получил широкое распространение в промышленности.

Основные преимущества:

• возможность получения покрытий строго определенного состава, свойств и толщины;

• повышенные механические и антикоррозионные свойства покрытий;

• отсутствие промежуточного хрупкого состава;

• возможность механизации и автоматизации процесса;

• небольшие потери материала;

• высокая экономическая целесообразность.

Основные недостатки:

• необходимость внешнего источника тока;

• значительный разброс значений толщины покрытий на наружной и внутренней поверхностях профилированных деталей;

• необходимость применения дополнительного оборудования и химикатов для регенерации и нейтрализации отработанных электролитов;

• более низкие санитарно-гигиенические условия труда по сравнению с другими способами.

Данный метод нанесения покрытий основан на явлении электролиза.

Сущность электролиза состоит в разложении электролитов (т.е. водных растворов или расплавов солей, кислот или оснований) в которых растворенные молекулы распадаются на положительно и отрицательно заряженные ионы постоянным электрическим током, которое сопровождается образованием новых веществ. Химическая сущность электролиза заключается в окислительно-восстановительных реакциях на электродах.

Рассмотрим электролиз водного раствора хлорида меди (II). В растворенном состоянии хлорид меди состоит из беспорядочно перемещающихся положительно заряженных ионов меди Cu²⁺ и отрицательно заряженных хлорид-ионов Cl^-:

CuCl₂↔Cu²⁺+2Cl^-

Если в раствор погрузить два электрода и соединить их с источником постоянного тока, то один из электродов заряжается положительно (анод), другой – отрицательно (катод). Ионы в растворе приобретают направленное движение. Под действием электрического поля катионы Cu²⁺ движутся к отрицательному электроду – катоду, а анионы Cl^- - к положительному электроду – аноду. На катоде катионы присоединяют электроны и превращаются в электронейтральные атомы:

Cu²⁺+2ē=Cu⁰

Атомы меди образуют кристаллическую решетку – на катоде осаждается металлическая медь.

На аноде анионы хлора наоборот отдают электроны и окисляются в атомы хлора:

2Cl^- - 2ē=Cl₂

Атомы хлора объединяются далее в молекулы:

Cl+Cl=Cl₂

и на аноде выделяется свободный хлор.

Суммарное уравнение реакции следующее:

CuCl₂→Cu+Cl₂

Для количественной оценки электролиза служат следующие характеристики:

• выход по току;

• расход энергии;

• расходный коэффициент по энергии.

Выходом по току η называется отношение количества практически полученного при электролизе вещества g_п к теоретическому g_т.

(9.1)

Теоретическое количество выделившегося вещества определяется по закону Фарадея:

(9.2)

где I - сила тока, проходящего через электролит, А;

t - продолжительность электролиза, ч;

α - теоретический электрохимический эквивалент вещества, г/А·ч.

(9.3)

где А - атомный вес или масса иона (для меди 63, 57);

n - валентность иона (для меди 2);

F - число Фарадея, соответствующая теоретическому количеству электричества, которое нужно пропустить через электролит для выделения одного грамм эквивалента вещества:

F=95500 кулон/г - экв. (26,8 А·ч/ г - экв.)

Расход энергии W_п, затраченной на электролиз, определяется по формуле:

(9.4)

где U - напряжение на ванне, В

I - сила тока, проходящего через электролит, А;

t - продолжительность электролиза, ч;

Расходный коэффициент по энергии β, т.е. расход энергии на весовую единицу продукта электролиза, рассчитывается по формуле:

(9.5)

Процесс электролиза можно изучать на установке, показанной на рисунке 9.1. Установка состоит U-образной трубки (2), куда помещены два электрода (3). В U-образную трубку наливается электролит (1). Электроды подключаются к источнику постоянного тока (5), причем положительным должен быть электрод, расположенным рядом с тубусом (4) для возможности выхода газообразных продуктов.

Рисунок 9.1- Схема лабораторной установки для изучения процесса электролиза

1 – электролит; 2 - U-образная трубка; 3 – электроды; 4 – тубус; 5 – источник постоянного тока