МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ УКРАИНЫ

Херсонский национальный технический университет к афедра экологии и бжд

Рег №5/881-08.12.09

«ОБЩАЯ ХИМИЧЕСКАЯ ТЕХНОЛОГИЯ»

Методические указания к проведению

лабораторной работы №3

«ИЗУЧЕНИЕ ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ»

Херсон 2010

Методические указания к выполнению лабораторных работ по дисциплине «Общая химическая технология»

Составил ст. преподаватель Кузнецов С.И., количество страниц 17.

Рецензент:

Утверждено на заседании кафедры Экологии и БЖД протокол №1 от 03.09.08 р.

Зав. кафедры Михайлик В.Д.

Цель работы

1. Ознакомиться с теоретическими основами электрохимических процессов.

2. Ознакомиться с методами защиты черных металлов от коррозии.

3. Осуществить на практике гальваническое покрытие (никели­рование) образца из черного металла.

4. Рассчитать основные технико-экономические показатели про­цесса никелирования.

2. Теоретическая часть

Для защиты от коррозии широко применяют покрытия черных ме­таллов цинком, медью, никелем и другими металлами. Металлические покрытия получают различными способами.

Горячий способ осуществляется кратковременным погружением изделия в расплавленный металл, в результате чего на изделии ос­тается пленка защитного металла.

Термомеханический способ основан на совместной горячей про­катке защищаемого и защищающего металла (биметаллы).

Способ распыления (металлизация) заключается в распылении расплавленного металла по поверхности защищаемого изделия при по­мощи воздуха или инертного газа.

Электрохимический способ - покрытие черных металлов тонкими пленками цветных металлов для защиты от коррозии и придания изде­лиям красивого вида (декоративные покрытия).

Электрохимическими называются такие процессы, в которых хи­мические реакции протекают под действием постоянного электричес­кого тока. Они имеют ряд преимуществ перед другими методами за­щиты металлов: упрощается технологический процесс, более полно используется сырье и энергия, достигается хорошее качество покрытия. К недостаткам электрохимического способа следует от­нести сравнительно большой расход электроэнергии. Электрохими­ческие (гальванические) покрытия обычно получают осаждением на изделия цветного металла при электролизе водных растворов соот­ветствующих солей. При этом покрываемое изделие служит катодом, на котором осаждаются катионы металла тонким, ровным и, как прави­ло, блестящим слоем. Источником покрывающего металла может быть пластина из него, служащая анодом, которая растворяется в электро­лите. Применяют также аноды, нерастворимые в электролите, добав­ляя в ванну раствор соли покрывающего металла по мере расхода последнего.

Большим преимуществом гальванического метода нанесения по­крытий является легкость регулировки процесса в отношении толщи­ны осаждаемого металла, а также отсутствие нагрева и, следователь­но, изменения структуры металла изделия и возможной его деформа­ции. Гальванические покрытия обладают блеском и поэтому часто при­меняются в качестве декоративных. Как правило, они недостаточно плотны для полной защиты металлов от агрессивных жидкостей: ионы растворов проникают в поры покрытия и вызывают коррозию.

Различают анодные и катодные покрытия. Если электродный по­тенциал покрывающего металла меньше защищаемого (т.е. металл более, электроотрицателен), то покрытие будет анодным и при взаи­модействии электролита растворяет покрывающий металл.

По отношению к стали анодным является цинковое покрытие. Покрытия медью, хромом, никелем, оловом, свинцом будут катодными.

Для получения плотного и красивого металлического покрытия необходима хорошая подготовка покрываемой поверхности, поэтому ее тщательно готовят к покрытию. Сначала с поверхности удаляют окалину, ржавчину, заусеницы и устраняют другие неровности, а затем шлифуют на наждачных кругах проволочных щеток. Для полного удаления окислов с поверхности металла широко применяют травле­ние слабыми растворами серной или соляной кислот. Масла и другие жиры удаляют обработкой разбавленными растворами щелочей и органическими растворителями: керосином, бензином, дихлорэтаном и др.

Гальваническое хромирование и никелирование - одно из наибо­лее распространенных покрытий. Хром и никель устойчивы во влажной атмосфере и длительное время сохраняют блеск, так как пассивирующая пленка, образующаяся на поверхности, обладает высокой прозрач­ностью, предохраняет от быстрого окисления и поэтому даже в усло­виях высокой температуры (800°С) защищает стальные изделия.

Защитно-декоративному хромированию и никелированию подвергаются стальные, медные, латунные, алюминиевые изделия.

Осаждения хрома производится из электролита, содержащего в качестве основного компонента не соль хрома, как в большинстве других гальванических процессов, а хромовый ангидрид CrО₃.

Для осаждения хрома в защитно-декоративных целях применяет электролит следующего состава и оптимальные условия:

Cr0₃ 250 г/дм³

H₂SO₄ 2,5 г/дм³

При никелировании в качестве электролита используется раствор NiSO₄. Блестящие хромовые и никелевые покрытия могут быть получены непосредственно из электролита только при условии осаждения их на полированной поверхности. Толщина покрытия составляет 10-15 мк. Процессы хромирования и никелирования проводят при катодной плотности тока 1-10 А/дм² и при 20-50⁰С.

2.1. Основные закономерности электрохимических процессов

В основе электрохимических процессов лежат законы Фарадея.

Первый закон Фарадея. Количество вещества, выделяющееся на электродах, прямо пропорционально количеству прошедшего через электролит электричества.

Второй закон Фарадея. Одно и тоже количество электричества выделяет у электродов различные вещества в количествах, пропорциональных их химическим эквивалентам (эквивалентным массам), причем для выделения одного грамм-эквивалента любого вещества требуется пропустить 96500 Кл или 26,8 А·ч электричества.

Теоретическое количество вещества (г), выделяющееся на электродах, рассчитывают по уравнению, объединяющему оба закона Фарадея:

_{, (1)}

где Е - электрохимический эквивалент, г/А·ч;

– сила тока, А;

Т – время электролиза, ч.

Электрохимический эквивалент показывает, какое количество вещества должно выделяться на электроде при прохождении 1 A·ч электричества.

Электрохимический эквивалент вещества определяют по формуле

, (2)

где А- атомная масса вещества;

F - число Фарадея;

n - валентность осаждаемого металла.

Число Фарадея (или постоянная Фарадея) F = 96500 Кл или А·ч

Электрохимические эквиваленты некоторых ионов приведены в табл. 1.

Важными параметрами электрохимического процесса являются выход по току и коэффициент использования электричества.

Выход по току - это отношение массы вещества, осажденного на изделия практически в результате затраты определенного коли­чества электричества, к массе вещества, которое должно было бы выделиться теоретически в соответствии с законами Фарадея:

(3)

где - масса вещества, осажденного фактически при электролизе (определяются путем взвешивания образца до и после покрытия), г;

– масса вещества, которая должна выделиться теоретически по законам Фарадея, г.

Таблица 1