Литература.

1. Мухленов И.П. и др. Общая химическая технология. – М.: Высшая школа, 1970, с. 379 – 391.

2. Зайцев И.Д. и др. Производство соды. – М.: Химия, 1986, с. 21 – 24, 104 – 112.

3. Мухленов И.П. и др. Практикум по общей химической технологии. – М.: Высшая школа, 1973, с. 30 – 39.

Лабораторная работа № 2 Никелирование металлов

1. Цель работы

Ознакомление с процессом электрохимическо никелирования металлов, определение выхода по току и толщины покрытия.

2. Теоретические сведения

Никелирование металлов широко применяется в технике при защитнодекоративной отделке изделий машиностроения, приборостроения, а также предметов широкого потребления. Это объясняется тем, что хотя никель относится к числу электроотрицательных металлов (0,23В), однако в обычных атмосферных условиях, благодаря пассивированию, он длительное время сохраняет свой блеск.

В гальванической паре никель – железо никель является катодным покрытием и, следовательно, может защищать железо лишь при условии отсутствия оголенных участков и пор. Поэтому никелевое покрытие должно обладать минимальной пористостью. Это условие может быть соблюдено при правильном ведении процесса никелирования и определенной толщине слоя никеля. Для никелевого покрытия без подслоя на стали она колеблется в пределах 12 – 36 мкм. Для уменьшения пористости на стали осаждают сначала слой меди, а затем уже слой никеля. В этих условиях никелевые покрытия наносятся меньшей толщины. Суммарная толщина никеля и меди при этом не должна быть меньше положенной толщины никеля, толщина же наружного слоя никеля должна составлять не менее половины от суммарной толщины.

Никелевое покрытие хорошо полируется и может быть легко доведено до зеркального блеска.

Никелирование применяется также для защиты химической аппаратуры от действия щелочных растворов, в полиграфическом производстве для повышения поверхностной твердости и сопротивления износу гартовых стереотипов и клише, а также в качестве подслоя при хромировании.

Никелирование может осуществляться как электрохимическим, так и химическим методом.

По химическому методу восстановление сульфата никеля до металла происходит с помощью гипофосфита натрия:

(2.1)

Основным преимуществом химического никелирования является возможность осаждения никеля равномерным слоем на изделиях любой конфигурации, в том числе и на внутренних стенках полых изделий. Однако этот метод дорог, и осаждение никеля в основном производится электрохимическим методом.

Электрохимический метод основан на электролизе водных растворов солей никеля. Чаще всего используются сернокислые никелевые электролиты основным компонентом, которых является . Для повышения электропроводности вводятся сульфаты натрия, магния, аммония. Для устранения пассивирования никелевых анодов вводятся хлориды натрия, калия, никеля. Для предотвращения выпадения основных соединений никеля в электролит добавляется борная кислота.

Наиболее часто используется электролит состава:

175 – 200 (г/дм³), 20 (г/дм³),

80 – 160 (г/дм³), 20 (г/дм³).

При электролизе катодом является покрываемое изделие (стальная пластинка, в качестве анода используется никелевая пластинка. На электродах протекают следующие процессы.

Катод: , Анод:, (2.2)

. .

Основным показателем эффективности процесса никелирования является выход никеля по току.

Выход по току – это отношение массы фактически полученного продукта (никеля) к теоретической массе продукта, который должен был получиться по закону Фарадея.

(2.3)

где выход по току (%),

масса фактически полученного продукта (г),

теоретическая масса продукта (г).

По закону Фарадея

(2.4)

где сила тока (А),

продолжительность процесса (час)

количество электричества, прошедшего через электролит (А.час),

электрохимический эквивалент продукта (г/А.час).

Для никеля 1,095 г/А.час.

Из (2.2) и (2.3) следует:

(2.5)

Выход по току зависит от плотности тока, температуры электролита, pH раствора. Электролит описанного выше состава имеет рН = 5,5. При температуре 20 – 25^оС и плотности тока 0,5 – 1,0 А/дм² получаются доброкачественные покрытия с выходом по току до 95%. При подогревании до 40^оС и перемешивании катодная плотность тока может быть увеличена до 2,5 А/дм². При рН > 6 из электролита выпадает осадок гидроксида никеля, при рН = 4 покрытие получается блестящим, но не прочным в связи с точечной пористостью. При дальнейшем снижении рН (в сильнокислых растворах) резко снижается выход никеля по току в связи с увеличением выхода водорода.

Для блестящего никелирования в электролит вводится добавка натриевой соли 2,6 (2,7) дисульфонафталиновой кислоты. Еще лучшие результаты дают добавки паратолуолсульфамида и кумарина, а также сахарина и пропинола или бутиндиола; в этих электролитах осадки получаются с высоким зеркальным блеском, при этом повышается чистота покрываемой поверхности, так как этот электролит обладает выравнивающими свойствами.

Никелевый электролит очень чувствителен к примесям. Так наличие железа в электролите приводит к отслаиванию и растрескиванию покрытия. Примесь меди и цинка вызывает образование пятнистых, полосчатых темносерых и черных осадков никеля.

Загрязнение электролита органическими соединениями, наличие в нем взвешенных частиц, а также отклонения от режима электролиза ( по рН и температуре) могут привести к образованию точечной пористости (“питтинга“). Это обусловлено прилипанием к покрываемой поверхности пузырьков водорода, которые экранируют поверхность основы и препятствуют осаждению в этом месте никеля. “Питтинг“ может быть удален при перемешивании электролита, а также введением пероксида водорода (1 см³ 10 % - ного раствора на 1 дм³ электролита).

3. Схема экспериментальной установки

Экспериментальная установка для электрохимического никелирования (рис 2.1) состоит из выпрямителя, электролизера и кулометра.

На передней панели выпрямителя (1) расположены выключатель (2), регулятор напряжения (3) вольтметр (4) и амперметр (5) в сети постоянного тока и клеммы вывода постоянного тока (6).

Электролизер (7) представляет собой стеклянный стакан емкостью 0,5 – 0,7 дм³, закрытый пластмассовой крышкой (8), в которой смонтированы токоподводящие катодный зажим (9) и анодные зажимы (10) для крепления катода (11) и двух анодов (12). В качестве анодов используются никелевые пластинки, катодом является стальная пластинка, подлежащая никелированию. Электролизер заполняется сернокислым никелевым электролитом.

Кулометр устроен так же, но в качестве анодов и катода используются медные пластинки, а в качестве электролита раствор сульфата меди.

Электролизер и кулометр подсоединяются последовательно к выводным клеммам постоянного тока выпрямителя.

Рис. 2.1 Схема экспериментальной установки для электрохимического никелирования металлов

1 – выпрямитель, 2 – выключатель, 3 – регулятор напряжения, 4 – вольтметр, 5 – амперметр, 6 – клеммы вывода постоянного напряжения, 7 – электролизер, 8 – крышка, 9 – катодный зажим, 10 – анодные зажимы, 11 – катод, 12 – аноды, 13 – кулометр.

4. Методика выполнения работы

Стальная пластинка, подвергаемая никелированию, предварительно тщательно зачищается наждачной бумагой, поверхность пластинки протирается фильтровальной бумагой, а затем обезжиривается органическими растворителями или горячим раствором щелочи, после чего протирается пастой (смесь соды с мелом) и промывается водой. После этого производится омеднение пластинки, для чего она опускается на 1 – 2 минуты в ванночку с раствором сульфата меди. Затем пластинка промывается водой, высушивается и взвешивается на аналитических весах.

Аналогичная подготовка (без омеднения) осуществляется с медным катодом кулометра.

Подготовленная стальная пластинка устанавливается в катодный (средний) зажим электролизера. Медный катод устанавливается в катодный зажим кулометра. При этом катодные пластинки должны быть установлены параллельно с анодными.

Выводы электролизера и кулометра соединяются последовательно, концы соединительных проводов подсоединяются к выводным клеммам постоянного тока выпрямителя.

В электролизер и кулометр заливаются растворы соответствующих электролитов с таким расчетом, чтобы электродные пластинки были погружены в растворы примерно на три четверти их высоты. Крышки с электродами устанавливаются в стаканы, включается сетевой выключатель выпрямителя, и с помощью регулятора напряжения устанавливается сила тока с таким рассчетом, чтобы катодная плотность тока в электролизере находилась в пределах 0,5 – 1,0 А/дм² (определяется предварительным расчетом).

Процесс никелирования продолжается в течение 0,5 – 1,0 часа. По окончании процесса выпрямитель выключается, катодные пластинки электролизера и кулометра отсоединяются, промываются водой, высушиваются и взвешиваются. По разности двух взвешиваний определяются массы никеля, осажденного на стальной пластинке, и меди, осажденной на катоде кулометра.

5. Методика обработки экспериментальных данных

По массе выделившейся меди определяется количество электричества, прошедшего через электролизер, и средняя сила тока, поскольку сила тока по ходу процесса меняется в определенных пределах, и показания амперметра не могут быть использованы в расчетах.

На электродах кулометра протекают следующие процессы.

Катод: . Анод: . (2.6)

Так как медь имеет положительный электродный потенциал (0,34 В), то восстановление водорода на катоде не происходит. Поэтому выход меди по току в кулометре равен 100%, и из (2.4) следует:

, , (1,185 г/А.час). (2.7)

Отсюда определяется количество электричества, прошедшего через электролит, и средняя сила тока в течение процесса. Далее по массе выделившегося никеля по формуле (2.4) определяется выход никеля по току.

Толщина никелевого покрытия может быть рассчитана по формуле:

, (2.8)

где толщина покрытия (мкм),

продолжительность процесса (час.),

катодная плотность тока (А/дм²),

выход по току (%),

отношение плотности никеля (8,9 г/см³) к его электрохимическому эквиваленту (1,095 г/А.час).

Оценка качества никелевого покрытия (блестящий, молочный, серый) производится визуально. Пористость покрытия может быть определена методом цветных индикаторов. Цветным индикатором на железо является раствор, содержащий 10 г/дм³ и 20 г/дм³ . Фильтровальная бумага, смоченная данным раствором, накладывается на поверхность тщательно промытого образца. Появление синих точек на бумаге свидетельствует о наличии пор в покрытии.

1. Техника безопасности

1. Корпус выпрямителя должен иметь защитное заземление.

2. Установку электродов необходимо проводить только при выключенном выпрямителе. Следить за правильным положением электродов.

3. Внимательно следить за состоянием изоляции всех проводников, и их правильным соединением.

4. Работу с растворами электролитов проводить в резиновых перчатках избегать попадания брызг электролита на кожу и одежду.

1. Контрольные вопросы

1. С какой целью проводится никелирование металлических изделий?

2. Какими методами может осуществляться никелирование?

3. Химический метод никелирования. Его достоинства и недостатки.

4. Электрохимический метод никелирования. Электродные процессы при никелировании.

5. Состав электролитов, используемых для никелирования.

6. Выход по току. Факторы, от которых он зависит.

7. Качество никелевого покрытия. Условия получения качественного покрытия.

8. Электродные процессы, протекающие в кулометре. Для чего он используется?

9. Вывести формулу (2.8) для определения толщины никелевого покрытия.