Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Электрохимические методы исследования металлов и сплавов. Лабораторный практикум
.pdf
пред
0
nFDC
i
k
1
()
– предельный ток.
t=−δ
k
Это уравнение имеет большое значение при изучении катодных процессов коррозии и электроосаждения металлов. Полную поляризационную кривую обычно получают экспериментально, изучая зависимость
изменения потенциала от плотности тока (см. лабораторную работу 1).
В данной работе предлагается математическое моделирование катодного процесса. Оно заключается в воспроизведении функции на экране компьютера и ее исследовании. Моделируя переменными условия
протекания катодного процесса – концентрацию реагирующих ионов,
их валентность, ток обмена катодной реакции и температуру – можно
влиять на скорость катодного процесса и по изменению поляризационной кривой судить о влиянии природы катодной реакции и внешних
условий на торможение отдельных стадий катодного процесса.
6.2. Методика проведения работы
Выполнение
лабораторной работы осуществляется с использованием
программы «LabWork6». Программа состоит из нескольких блоков.
Окно авторизации студента
Выводится
при запуске программы. Поля «Фамилия» и «Группа» за-
полняются студентом. Номер варианта выбирается по указанию преподавателя. В зависимости от варианта будет происходить выбор исследуемой
системы, поведение которой будет моделироваться на компьютере: восстановление меди в сернокислом электролите; кислородная поляризация.
Основное окно программы
помощью этого окна производится вся работа с программой.
С
Открывается после заполнения формы авторизации студента. Состоит из трех блоков – «блока управления вводом данных», «блока
управления отображением данных» и «формы отображения».
Блок управления вводом данных. Экранная форма этого блока
представлена на рис. 6.1. С ее помощью осуществляется ввод основных данных для построения катодной поляризационной кривой.
Данные в соответствующие поля вносятся по согласованию с преподавателем. Для заполнения полей рекомендуется воспользоваться
прил. 4
_______________
∗
В зависимости от варианта поля формы заполняются по умолчанию.
∗
. Значения, вносимые в поле «Потенциал начала развертки
51
потенциала» вычисляется как E
p
+ 0,05 В (на 50 мВ положительней
равновесного потенциала). После ввода данных кнопкой «Start»
можно начать моделирование процесса. При этом рассчитанные данные выводятся на экран в виде графика зависимости i = f(E) в «форме
отображения». Кнопкой «Stop» останавливают съемку поляризационной кривой. При этом заданные данные поляризационной кривой
отображаются в «блоке управления отображением данных», а в
«
блок ввода данных» можно вводить данные для построения сле-
дующей кривой. Максимальное количество кривых на графике – три.
Рис. 6.1. Экранная форма «блока управления вводом данных» программы
Блок управления отображением данных. Экранная форма блока
представлена на рис. 6.2. Отображает данные, которые можно изменять
в соответствии с заданием к лабораторной работе. Данные представлены в виде таблицы с колонками, соответствующими задаваемым параметрам поляризационной кривой, и тремя строками – по максимальному количеству представляемых на форме отображения кривых. На
рис. 6.2 представлена таблица с данными для двух кривых, различающимися значениями предельного диффузионного тока i
. Каждая строка
d
данных в программе окрашена цветом соответствующей на графике
кривой. Кнопка «Удалить кривую» предназначена для удаления кривой
на форме отображения в случае ошибочного заполнения данных на
форме. При этом удаляется кривая, построенная по последним полученным данным. При получении трех кривых активируется кнопка
Сохранить». После ее нажатия активируется программа «Microsoft Ex-
«
cel»
с результатами работы программы.
52
Рис. 6.2. Экранная форма «блока управления отображением данных»
программы
Форма отображения. Представлена в виде графика. При нажатии
кнопки «Start» в экранной форме «блока управления вводом данных» начинается отображение рассчитанных данных – в виде поляризационной кривой. На рис. 6.3 представлена форма с двумя полученными поляризационными кривыми. Пунктиром отображается уже полученные ранее кривые.
Рис. 6.3. Результат работы программы – поляризационные кривые
53
При работе с программой «LabWork6» необходимо выполнить
следующие действия:
1)
уменьшая заданную величину предельного тока i
последова-
d
тельно в 2 и 5 раз, изучить его влияние на характер поляризационной
кривой;
увеличивая заданную величину тока обмена i
2)
последовательно
o
в 2 и 10 раз, изучить его влияние на кинетику катодного процесса;
3)
увеличивая заданную величину коэффициента «b» последова-
тельно в 1,5 и 3 раза, изучить его влияние на величину поляризации.
6.3. Порядок выполнения работы
1. Получить у преподавателя необходимые условия для расчета.
Запустить программу. Заполнить форму авторизации и нажать на
кнопку «Ok».
2.
Заполнить необходимые поля в экранной форме «блока управления вводом данных», после чего нажать кнопку «Start». Остановить съемку поляризационной кривой, когда значения токов достигнут предельного уровня.
3.
Изучить влияние параметров катодного процесса на катодную поляризационную кривую. Выполнить задания пп. 1–3 разд. 6.2 в соответствии с п. 2 настоящего раздела, каждый раз сохраняя данные.
6.4. Обработка экспериментальных данных
и требования к отчету
1. Представить расчетные зависимости в виде трех графиков:
график № 1: кривые зависимости i
–
значений величины предельного тока i
график № 2: кривые зависимости i
–
чений величины тока обмена i
–
график № 3: кривые зависимости i
согласно п. 2 разд. 6.2;
o
согласно п. 1 разд. 6.2;
d
=
f(E) для различных
=
f(E)для различных зна-
=
f(E)для различных зна-
чений коэффициента «b» согласно п. 3 разд. 6.2.
На основе анализа поляризационной кривой определить облас-
2.
ти электрохимической и диффузионной кинетики, точки и асимптоты, обладающие характерными свойствами, и раскрыть их электрохимическое содержание.
3.
На основе изучения влияния условий катодного процесса по
пп. 1–3 разд. 6.2 сделать выводы об их влиянии на электрохимическую и диффузионную области кинетики.
4.
Общие требования к отчету – в прил. 5.
54
6.5. Контрольные вопросы
1. Какие уравнения поляризационных кривых описывают области
электрохимической кинетики?
Как зависит скорость электрохимической реакции от внешних
2.
факторов (температуры, перемешивания, состава электролита и т.д.)
в области электрохимической кинетики?
3.
Какие уравнения поляризационных кривых описывают области
диффузионной кинетики?
Как зависит скорость электрохимической реакции от внешних
4.
факторов (температуры, перемешивания, состава электролита и т.д.)
в области диффузионной кинетики?
Что такое предельная диффузионная плотность тока?
5.
6.
Какова роль предельного диффузионного тока в процессах кор-
розии металлов?
Какова роль предельного диффузионного тока в процессах
7.
гальванического осаждения металлов?
Как можно замедлить протекание катодного процесса?
8.
9.
Как можно ускорить протекание катодного процесса?
55
Лабораторная работа 7
12
.
k
ii i
i
i
(ln)ln1 ,
ИЗУЧЕНИЕ КИНЕТИКИ СОВМЕСТНОГО
ПРОТЕКАНИЯ КАТОДНЫХ РЕАКЦИЙ
МОДЕЛИРОВАНИЕМ НА ПК
(4 часа)
Цель работы. Математическое
моделирование катодного процес-
са, в котором совместно протекает две реакции, и изучение кинетики
этого процесса с использованием ПК.
7.1. Теоретическое введение
Совместное
протекание двух или нескольких электродных реак-
ций в одном катодном (или анодном) процессе является распространенным случаем в электрохимической коррозии и при электролитическом получении металлов. Если на катоде при потенциале E
одно-
k
временно протекают две реакции, то скорость катодного процесса i
равна сумме скоростей обеих катодных реакций:
=+
kk
(7.1)
Если скорость первой реакции тормозится как скоростью самой
реакции, так и диффузией реагирующего вещества, то полная поляризация на катоде для этой реакции составляет
⎛⎞
k
Eabib
Δ=−+ + −
(ln)ln1
kk
1
12
⎜⎟
⎜⎟
⎝⎠
а зависимость потенциала катода с учетом E
,
пр
k
= Ep + ΔEk может быть
k
выражена как
⎛⎞
где E
р
=−+ + −
EE abi b
kk
1
p
– равновесный (обратимый) электродный потенциал первой
1
12
i
k
⎜⎟
⎜⎟
⎝⎠
(7.2)
пр
i
k
реакции.
k
56
При малом токе i
exp .
exp ,
2
,
i
р
2
E
1
k
i
2
k
i
k
ifE
22
ifE
<< i
k
пр
это уравнение переходит в уравнение
k
электрохимической поляризации, которое можно представить в следующем виде:
⎛⎞
ii
=−
o
k
11
EE
⎜⎟
⎜⎟
⎝⎠
р
−
k
1
b
(7.3)
1
Зависимость скорости второй реакции от потенциала катода можно было бы выразить уравнением, аналогичным (7.2). Но для упрощения задачи положим, что при протекании второй реакции возникает только электрохимическая поляризация. Примерами такого
процесса являются катодный процесс для коррозии металла с кислородно-водородной деполяризацией и процесс совместного выделения
на катоде меди и водорода (см. лабораторную работу 1). Тогда скорость второй реакции
=−
k
22
⎜⎟
o
⎜⎟
⎝⎠
ii
⎛⎞
р
EE
−
k
2
b
2
(7.4)
где
о
– соответственно ток обмена и равновесный потенциал
для второй реакции.
Скорость всего катодного процесса может быть представлена
суммой уравнений (6.1) и (7.4). Однако математический анализ полученной зависимости скорости процесса от потенциала затруднителен, но сильно облегчается и становится наглядным при использовании ПК. Для этого на ПК воспроизводят уравнения (6.1) и (7.4), что
позволяет получить величины
затем суммируют эти функции:
условия протекания катодного процесса – природу реакций (через i
диффузионный предельный ток i
(
через b), можно наблюдать на экране компьютера изменения поля-
и
как функции потенциала Ek, а
= и
()
1
1
, валентность ионов и температуру
d
k
= . Изменяя
2
()
k
),
o
ризационной кривой для сложного катодного процесса.
7.2. Методика проведения работы
Описание программы
Выполнение
лабораторной работы осуществляется с использова-
нием программы «LabWork7», которая является аналогом программы
«LabWork6»,
описанной в лабораторной работе 6. Поэтому здесь от-
метим только отличия.
57
Блок управления вводом данных. Экранная форма блока представлена на рис. 7.1. В отличие от «блока управления вводом данных»,
описанного в лабораторной работе 6, содержит две вкладки для каждой реакции, причем первая реакция может контролироваться диффузией – для этого экранная форма содержит поле для ввода значений
предельного тока. Потенциал начала развертки выбирается на 50 мВ
положительней потенциала реакции с наиболее положительным равновесным потенциалом. В данном случае – первой реакции.
Рис. 7.1. Экранная форма «блока управления вводом данных» программы
Блок управления отображением данных. Экранная форма представлена на рис. 7.2. В отличие от «блока управления отображением
данных» из лабораторной работы 6, содержит две строки варьируемых данных на каждую кривую для каждой реакции.
Рис. 7.2. Экранная форма «блока управления отображением данных» программы
58
На рис. 7.3 представлены результаты работы программы согласно
данным, представленным на рис. 7.1 и 7.2.
Рис. 7.3. Результат работы программы – поляризационные кривые
При работе с программой «LabWork7» необходимо выполнить
следующие действия:
1.
Согласно варианту работы, заданному преподавателем, осуще-
ствить моделирование следующих систем:
а) первый вариант – восстановление меди в сернокислом
электролите;
б) второй вариант – кислородно-водородная деполяризация.
2.
Пользуясь прил. 2, 4 рассчитать параметры для каждой реакции
и заполнить соответствующие поля экранной формы «блока управления вводом данных» программы. При этом для каждого варианта
заданы три условия протекания реакции:
а) первый вариант – восстановление меди – проводят в трех
различных электролитах:
59
1) 1 M CuSO4 + 0,1 M H2SO4;
2
2) 0,1 M CuSO
3) 0,1 M CuSO
+ 0,1 M H2SO4;
4
+ 0,01 M H2SO4;
4
б) второй вариант – кислородно-водородная деполяризация –
осуществляется в растворе 1 M H
. Моделирование проводят в
2SO4
предположении, что процессы проходят на катодах из трех различных металлов:
1)
2)
3)
меди;
железа;
платины.
Расчет величины предельного диффузионного тока проводят по
уравнению (В11).
Для расчета принять следующие величины:
–
коэффициент диффузии в электролите для молекул кислорода
52
−
210 см сD
=⋅
O
2
–
толщина диффузионного слоя δ
–
концентрация кислорода
–
число переноса катионов меди в растворах CuSO
, для ионов меди
= 2,25·10 –7 моль/см3;
С
О
7,5 10 см сD
=⋅ ;
2
+
Cu
= 0,1 см (спокойный электролит);
d
62
−
tk = 0,295.
4
Для расчета других данных использовать прил. 2 и 4.
7.3. Порядок выполнения работы
1. Получить у преподавателя необходимые условия для расчета.
Запустить программу. Заполнить форму авторизации и нажать кнопку «Ok».
2.
Заполнить необходимые поля в экранной форме «блока управления вводом данных», после чего нажать кнопку «Start». Остановить съемку поляризационной кривой, когда значения токов выйдут
на предельный уровень.
Выполнить задание согласно п. 1 разд. 7.2, после чего сохра-
3.
нить данные.
7.4. Обработка экспериментальных данных
и требования к отчету
1. Представить экспериментальные зависимости, полученные с
помощью программы, как график зависимости i = f(E) в соответствии
с заданием п. 1 разд. 7.2.
2.
На основе проведенного анализа поляризационной:
определить области протекания первой и второй реакций;
–
60
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]