Электролиттік мырыштау

Жұмыс мақсаты: стационарлық электролизердегі электрохимиялық мырыштау процесімен танысу; мырышты тұнбалардың сапасына және ток бойынша метал шығымына электролит құрамының, электролиз тәртібінің, БАЗдың әсерін зерттеу .

Жалпы мәліметтер

Мырыштың стандартты потенциалының теріс мәні –0,76 В (қосымша 1) коррозиядан болатты қорғауға арналған мырыш қаптауларын ең нәтижелі деп есептеуге болады.

Мырыштауға арналған әртүрлі электролиттер, олардың ішінде ең кең тарағаны қышқылды (сульфаттылар, фторборатық), әлсіз қышқылды және сілтілік (цианиды, цинкатты) қолданылады.

Қышқыл электролиттерден катодта гидратталған мырыш иондарының тотықсыздануы нәтижесінде металдық мырыш бөлінеді, қосымша реакциясында сутегі бөлінеді:

Сутегінің бөлінуі өте жоғары асқын кернеумен жүретіндіктен мырыштың ток бойнша шығымы 100%-ға жақын. Бірақ пайда болған мырыш тұнбалары ірі кристалл түрінде түзіледі. Қышқыл электролиттердің шашырату қабілеттілігі де төмен, сондықтан бұл электролиттер болат материаладрына (мырышпен қапталған темір) жабындылар алу үшін қолданылады. Шашырату қабілеттілігін жоғарлату үшін қышқыл мырыштау электролиттерінің құрамына әртүрлі органикалық қоспалар (декстрин, желатин т.б.), сонымен бірге сілтілі металдардың сульфаттарын қосады. Соңғылары сутегі бөлінуінің жылдамдығын артырып, катодтық ток бойынша шығымға әсер етеді, сонымен бірге мырышты анодтың әсерін төмендетеді, анод белсенді еріген кезде катод аймағы сілтіленіп жабынды сапасы төмендейді [5].

Қышқыл электролиттер Cu²⁺, As³⁺, Sb³⁺ қоспаларына сезгіш болып табылады бұлар мырыш губкалық тұнбаларының түзілуіне әкеледі. Бірақ қышқыл электролиттердің артықшылығыда бар: олар жұмыста тұрақты (жиі түзетулерді талап етпейді), улысыз, қолайлы, жоғары өнімді, электролит айналып жүргенде жоғары ток тығыздықтарын қолдануға мүмкіндік береді. Аз қышқылды электролиттердің компоненттерінің құрамына байланысты шашырату қабілеттілігі қышқылды электролиттермен салыстырғанда жоғарылау, бірақ олар өз құрамында хлоридтер бар болғандықтан жабдықтардың коррозиясын тездетеді. Аммоний тұздары (NH₄Cl) және т.б. ерігіш комплекстерді түзу арқылы ауыр металдардың иондарынан ағынды суларды тазалауын біршама қиындатады

Сілтілі электролиттерде катодта , т.б. иондары жоғары катодтық поляризациямен разрядталынады, бұл ұсақ кристалдық тұнбаларды алуын қамтамасыздандырады. Сілтілі электролиттер жақсы шашырату қабілеттілікке ие. Цианид электролиттердің кемшілігі – күшті улылығы және тұрақсыздығы (жұмыс кезінде KCN и NaCN ыдырайды).

Цинкатты сілтілі электролиттер құрамы бойынша қарапайым, бұл электролитте пайда болатын комплексті ион беріктік жағынан цианидты ионнан әлсіздеу, сондықтан шашырату қабілеттілігі төмендеу болғандықтан мырыштың ток бойынша шығымы да төмендейді.

Кең таралған сілтілі металдар пирофосфаттарының негізінде алынған электролиттер сияқты кешнді иондар құрайды. Бұл иондар жоғары дәрежедегі катодтық поляризациясымен разрядталады. Арнайы қоспалардың (декстрин, желатина) қатысуымен жалтыраған мырышты жабындылар алуға болады.

Қөп жағдайда мырышты жабындылар дымқыл климатта тотығады. Мырышты жабындылардың қорғау қасиеттерін жоғарылату үшін келесі құрамды химиялық ерітінділерде өңдеуге болады:

1. Na₂Cr₂O₇ – 100 г/л; H₂SO₄ - 10 г/л;  - 20 сек.

2. Na₂Cr₂O₇ – 20 г/л; HNO₃ - 20 г/л; Na₂SO₄ - 20 г/л;  - 60 сек.

3. Na₂Cr₂O₇ – 250 г/л; H₂SO₄ - 10 г/л; Na₂SO₄ - 5 г/л;  - 30 сек.

Осындай өңдеуден кейін мырышты қаптаудың беті жарық түске айналады және оның бетінде пассивтік қабат құралады.

ӨЗІНДІК ЖҰМЫСҚА АРНАЛҒАН ТАПСЫРМАЛАР

Бақылау сұрақтар

1. Қышқыл және кешенді электролиттерден мырышты электротұндырудағы катодтық поляризация.

2. Мырыштаудың қышқыл электролиттерінің құрамы.

3. Мырыштаудың кешенді электролиттерінің құрамы .

4. Мырышты катодтық тұнбаларының сапасына БАЗ-дың ықпалы.

5. Мырышты электротұндырудағы ток бойынша шығым.

6. Мырышты электротұндырудағы электродтарда жүретін процестер.

7. Қорғау жабындыларда қолданылатын металдардың құнын таптастыруы.

8. Мырыштау электрохимиялық әдісінің артықшылықтары және кемшіліктері.

Бақылау есептері

1. Қышқыл электролиттен мырыштың қанша массасы катодта бөлінеді:

а) ток күші 0,26 А болғанда 2 сағаттың ішінде,

б) ток күші 14 А болғанда 20 минуттің ішінде,

в) ток күші 2,68 А болғанда 1 сағат 30 минуттің ішінде,

г) ток күші 0,06 А болғанда 12 сағаттың ішінде,

д) ток күші 3,2 А болғанда 2 сағаттың ішінде.

2. Мырыш сульфаты ерітіндісін электролиздегенде мырыштың қанша массасы катодта бөлінеді:

а) егер ерімейтін анодта 560 мл оттек бөлінсе ( қ.ж.),

б) егер ерімейтін анодта 3л оттек бөлінсе ( қ.ж.),

в) егер ерімейтін анодта 0,05м³ оттек бөлінсе ( қ.ж.),

г) егер ерімейтін анодта 1,3л оттек бөлінсе ( қ.ж.),

д) егер ерімейтін анодта 10 м³ оттек бөлінсе ( қ.ж.),

3. Мырыш сульфаты ерітіндісін ерімейтін анодтар қолдану арқылы электролиздегенде мырыштың қандай массасы катодта бөлінеді және электролизде қандай ток күшін орнату керек, егер:

а) 6,7 сағат ішінде 5,6 л оттек (қ.ж.) бөлінсе,

б) 20 минут ішінде 0,32 л оттек (қ.ж.) бөлінсе,

в) 40 секунд ішінде 0,03 л оттек (қ.ж.) бөлінсе,

г) 12 сағат ішінде 9,2 л оттек (қ.ж.) бөлінсе,

д) 1 сағат 30 минут ішінде 0,96 л оттек (қ.ж.) бөлінсе.

4. Мырышты электротұндырудағы катодтық процестерді жаз:

а) күкірт қышқылды электролиттен,

б) аммиакаттық электролиттен,

в) цианды электролиттен,

г) цинкаттық электролиттен,

д) пирофосфаттық электролиттен.

Қондырғылар және реактивтер: Тұрақты ток реттегіш, амперметр, реостат, аналитикалық таразы, электролизер, кулонометр, мырышты анодтар, мыс және болат катодтар, желатин, желім, тиокарбамид, декстрин, зімпаралы қағаз(наждачная бамага), веналық ізбестас.

ЖҰМЫС ОРЫНДАУ ӘДІСТЕМЕСІ

Тәжірибелерді өткізуіне арналған электролиттердің құрамдары (г/л): электролит № 1: ZnSO₄7H₂O-250; Na₂SO₄10H₂O-80;

KAl(SO₄)₂12H₂O-50; декстрин-0,5; рН 3,5-4,5.

электролит № 2: ZnO-15; NaOH-120; тиокарбамид-0,5.

электролит № 3: ZnCl₂-50; KCl-200; H₃BO₃-20; тиомочевина-0,5;

рН 4,5-5,5.

1. тәжірибе. Мырышты жабындылардың сапасына және мырыштың ток бойынша шығымына ток тығыздығының (1,2,3 А/дм²) ықпалын зерттеу. Қондырғыны (5-сурет) жұмысқа даярлау. Оқытушының тапсырмасы бойынша электролит құрамын алу. Катодты жұмысқа дайындау – майсыздандыру және қышқылда өңдеу, массасын аналитикалық таразыда өлшеу. Беттерін өлшеп оның ауданын табу. Электролизер қақпағына бекіту. Мырышты анодтар электролизер қақпағына бекітіледі.

, (4)

мұнда: - ток тығыздығы , А/дм²;

S – катодтың беті, дм2.

Формуламен ток күшін есептеп амперметрдегі реостат арқылы орнатылады. Электролиз уақытын оқытушы береді.

Мырыштың ток бойынша шығымын Фарадей заңы бойынша есептеп қаптаудың орташа қалыңдығы есептеледі.

, (5)

мұнда , - мырышпен мыстың электрохимиялық эквиваленттері (қосымша 4);

, - мырыш және мыстың мырыштау ваннасында катодта және мыс кулонометрде бөлінген массалары.

Алынған мырыш қаптамасудың сапасы көзбен бағаланады. Сипаттамалары: күңгірт, жарық, жалтыраған, ұсақ, ірі кристалдық. Осыдан кейін формуламен қаптаудың орта қалыңдығы анықталады:

, (6)

мұнда: ТШ – мырыштың ток бойынша шығымы,

- ток тығыздығы, А/дм²,

- уақыт, сағат,

g – мырыштың электрохимиялық эквиваленті (қосымша 4),

- мырыштың тығыздығы (қосымша 3).

Алынған нәтижелер кестеге толтырылады:

Катод №	Электролит №	, А/дм2	Катод ауданы, S, дм2	Ток күші J, А	Электролиз уақыты ,сағат	Қаптау жуандығы h, мкм	Катодтық қаптаманың сапа сипаты

2 тәжірибе. №1 және №3 электролиттердің толтыру қабілеттілігін тиімді деп таңдалған ток тығыздықтарында зерттеу. Жабындыға арналған катодтар жіңішке мыс фольгадан дайындалады, алдын ала өңделінеді, майсызданып, ұзындығы 30 мм диаметрі 10 мм түтік түріне келтіріледі. Катодты горизонтальдық жайда электролизерге іледі, түтік мырышты анодқа тік түсу керек. Электродтарға шамалы қернеу орнатылып, №1 электролит құйылады. Реостат арқылы есептелген ток күшін орнатып 15 минут ішінде электролиз процесін жүргізеді.

Көрсетілген уақыт өткеннен кейін түзеткішті сөндіріп тастап, электролизерден тұтікті шығарып жуады және кептіреді.

Осы тәжірибені №3 электролитпенде өткізеді. Тәжірибе аяғында құбырлы мыс катодта жабу қабілеттіліктерін көзбен шолу байқауы өткізіп №1 және №3 электролиттердің толтыру сапасын салыстырады.

3 тәжірибе. Мырышты жабынды сапасына электролиттегі зиянды қоспалардың ықпалын тексеру.

№1 50 мл электролитке 5 мл 0,1 Н CuSO₄ ерітіндісі қосылады. Катод ретінде мыс пластинаны анод ретінде мырышты пластиналарды қолданып, ток тығыздығын 1 А/дм² жеткізіп 10 минут ішінде электролиз жүргізеді. Алынған жабындылардың сырт пішінін 1 тәжірибеде мыс қоспалары жоқ электролитте алынған жабулармен салыстырады.

Алынған жабындының сапасына сырттай қарап баға беріледі: күңгірт, жарық, жалтыраған, өрескел ірі дәнді, дендриттермен т.б.

Мырышты жабындының қалыңдығын анықтау:

а) таразылы әдіс

1 тәжірибеде алынған мырышты жабындысы бар үлгіні аналитикалық таразда массасын өлшеп, 10%- күкірт қышқыл ерітіндісі құйылған стаканға салып, 20ºС мырышты жабу толық ерігенше өңдеу. Содан соң сумен жуу, кептіру, массасын қайта өлшеу. Катод бетінің ауданын өлшеп формуламен (5) жабынды қалыңдығын есептеу.

б) тамшылық әдіс

Дистилденген судың бір литрінде 200 г KJ и 100 г J₂ ерітілген ерітіндінің бір тамшысын мырышты жабындыға тамызып, секундомермен 1 минут уақыт белгілеп қою. Содан соң дәл осы орынға екінші тамшыны тамызып, қайтадан 1 минуттан кейін оны сүзілетін қағазбен кептіреді. Тамшыны тамызуды осы орында негізгі металл қөрінгенше жүргізеді. Жалпы тамшылардың сан бойынша жабу жуандығын анықтайды. Бір тамшы бір минут ішінде ерітеді:

Т = 10⁰С 0,78 мкм

Т = 15⁰С 1,01 мкм

Т = 20⁰С 1,24 мкм

Т = 25⁰С 1,45 мкм

1– мырышты электротұндыруға арналған электролизер; 2– мыс кулонометрі; А– мырышты анодтар; К – болат үлгілер - катодтар

5– сурет. Мырышты жабындыларды алуға арналған қондырғының схемасы

Мырыш жабулардың таразы және тамшылық әдіспен тапқан қалыңдық мәндерін салыстырғанда айырмашылық болса оның себептерін түсіндіру керек.

Мырыш қаптаудың негізгі металға жабысуын шегемен тырнау әдіспен анықталады. 4-6 паралельді және сонша перпендикуляр сызықтарды, негізгі металға дейін тереңдікпен ара қашықтығы 2 мм етіп шегемен жасайды. Осы кезде жабудың негізгі металдан бөлінуін көруге болады.

Тәжірибеде алынған нәтижелерді өңдеу

Өткізілген тәжірибелерде мырыштың ток бойынша шығымын есептеу, жабынды қалыңдығын есептеу, тұнбалардың сырт пішінін суреттеп айту. Алынған тәжірибелік нәтижелері бойынша қорытынды жасау.

Қорытындыда өткізілген тәжірибелердің нәтижелерді, өлшеулерді қысқаша шолу. Сонымен қатар таңдалған электролиттердің мырыштау процесі нәтижесіне, электролиз тәртіптеріне баға беру.

Әдебиет

[1] Кудрявцев Н.Т. Прикладная электрохимия.-М.:Химия, 1975.-551с.

[2] Прикладная электрохимия /под ред.А.П.Томилова.-М.:Химия, 1984.-520с.

[3] Баймаков Ю.В., Ветюков М.М. Электролиз расплавленных солей.-М.:Металлургия, 1966.-516с.

[4] Блестящие электролитические покрытия /под ред.Ю.Ю.Матулиса.-Вильнюс: Минтис, 1969.-615с.

[5] Ильин В.С. Цинкование.-М.:Металлургия, 1989.-97с.

[9] Гамбург Ю.Д. Гальванические покрытия.-М.:Техносфера, 2006.-216с.

[11] Полюдова В.П. Практикум по прикладной электрохимии.-Калининград: КГУ, 2000.-43с.

№4 жұмыс