Основы электрохимии. Электролиз. Часть 2
.pdfКатодные процессы, идущие с выделением водорода, используются для выполнения следующих операций:
обезжиривание на катоде, которое ведется в слабо кислых или щелочных растворах: ионы водорода, проникая через слои масла, разряжаются на поверхности металла, и водород, собираясь в пузырьки, уносит с собой пленку масла;
катодное травление, которое заключается в том, что водород диффундирует через пленку оксидов, разряжается на металле и пленка оксидов отделяется от поверхности металла. Процесс следует регулировать, поскольку водород диффундирует частично в металл и делает его хрупким. Для предотвращения данного процесса используют ингибиторы, собираясь на поверхности, они предотвращают проникновение водорода в металл.
Анодные процессы применяются для травления металла до нужной толщины, для снятия оксидных пленок и электрополирования металла:
анодное травление – изделие, поверхность которого необходимо обработать, помещают на анод (+), и металл начинает растворяться со скоростью, определяемой плотностью тока. Если необходимо осуществить не сплошное травление поверхности, а частичное, местное, то на поверхность изделия наносят «маску» (обычно полимерный лак) и вырезают нужную форму, подлежащую травлению. Так можно вытравливать шкалы, надписи и т. д. При последующем нанесении металлических покрытий анодное травление производится в той же ванне кратковременным переключением тока;
электрополирование заменяет собой трудоемкую операцию доводки металлических поверхностей, что особенно трудно при сложных конфигурациях изделий (до недавнего времени производилось вручную).
В процессе травления участки повышенной активности – выступы, шероховатости – после механической обработки подвергаются растворению быстрее и, подобрав соответствующий электролит и плотность тока, можно сгладить даже микровыступы, довести поверхность металла до зеркального блеска;
анодное оксидирование поверхности изделия применяется для защиты металла от коррозии и для декоративных целей (оксидирование стали, алюминия, медных сплавов).
1.4.1. Нанесение металлических покрытий – гальваностегия
Гальваностегия широко применяется на вагоно-, тепловозо- и электровозоремонтных заводах и ремонтных11мастерских. Этим методом наносят
хромовые, цинковые, никелевые покрытия. Нанесение металлических покрытий имеет разные цели: декоративные покрытия, коррозионно-стойкие и упрочняющие поверхность. Иногда при помощи металлических покрытий восстанавливают размеры деталей и повышают их эксплуатационные свойства. Перед нанесением на изделие металлического слоя необходимо тщательно очистить его поверхность (обезжирить и протравить), иначе металл осаждается неравномерно и его связь с основным металлом будет очень непрочной. Качественное покрытие должно обладать мелкокристаллической структурой, диффузионно связанной с основным металлом. В процессе не должно быть самопроизвольного осаждения одного металла на другой методом вытеснения. Выбор электролита, плотности тока и температуры определяется необходимым качеством наносимого покрытия.
Хромирование деталей используется для придания высокой поверхностной твердости, износостойкости, термостойкости и химической устойчивости. Хромирование проводят в электролитах, состоящих из хромовых кислот (H2CrO4 и H2Cr2O7), серной кислоты, сульфата циркония, кремнефторида калия, едкого натра при температуре 18 – 70оС и плотности тока от 1,5 до 10, 0 А/м2. Толщина покрытия в зависимости от назначения может быть до 300 мкм.
Цинкование изделий из чугуна и стали используют в практической деятельности для защиты узлов деталей машин от окисления. Для получения этого покрытия на деталь наносят цинк чаще всего из солянокислых, сернокислых электролитов. Оцинковывают резьбовые крепежные детали, различные фасонные изделия, трубы, арматуру. Толщина покрытия составляет обычно 6 – 30 мкм.
Железнение используют для восстановления дорогостоящих деталей, для получения коррозионно-стойких покрытий. Металлом покрывают коленчатые валы компрессоров вагонов-ресторанов, дизелей рефрижераторных поездов и секций и т. д. Используетсяэлектролит, состоящийизхлоридажелеза(II) исолянойкислоты.
Никелирование изделий используют для придания им высокой твердости, износостойкости, устойчивости против воздействия растворов щелочей, органических кислот. Никелирование не применяют для покрытия изделий, находящихся в контакте с минеральными кислотами и растворами, содержащими аммиак. Для никелирования используют сернокислые, фторборатные, кремнефтористые электролиты. Толщина покрытия составляет 3 – 30 мкм.
Зная плотность металла, площадь покрытия, практически полученный привес детали, можно определить толщину покрытия, микрон:
12
h = mпр · 104 / sd, |
(13) |
где mпр – полученный привес детали, г; s – площадь покрытия, см2;
d– плотность металла покрытия, г/см3.
Не все металлы одинаково хорошо осаждаются на данном металле, и для
получения плотных и прочных покрытий часто их делают многослойными. Например, декоративное и коррозионно-стойкое хромирование стали наносится в три слоя: медь – никель – хром, так как хром дает твердое, но пористое покрытие, которое упрочняет поверхность, а от коррозии не защищает. Можно осаждать не только чистые металлы, но и сплавы, подбирая соответствующим образом электролиты. Таким путем наносятся припои для пайки изделий в вакууме.
1.4.2.Гальванопластика или получение изделий путем электролиза
Врадиотехнике и в приборостроении требуются очень тонкостенные изделия сложной формы, которые изготавливают методом гальванопластики. Приготавливают алюминиевую форму, наносят на нее электролизом медный слой нужной толщины, затем форму растворяют в соляной кислоте или в щелочи, с которыми медь не реагирует. Получается изделие с толщиной стенок, исчисляемой микронами.
1.4.3. Электрохимическая обработка металлов
Электрохимическая обработка металлов представляет собой новый метод формообразования изделий из металлов любой прочности и твердости.
Электромеханическое шлифование и заточка инструмента. Шлифование изделий из высокотвердых материалов и заточка твердосплавного инструмента – процесс, требующий абразивных материалов высокой твердости (алмаз) и времени. Процесс можно ускорить анодным окислением поверхности и удалением получившихся продуктов обычными абразивными кругами, которые обладают электропроводностью. С этой целью абразивные круги изготавливают на металлической связующей основе или добавляют в обычную основу (магнезиальный цемент) графит для создания электропроводности. Разность потенциалов между изделием (+) и кругом (–) следует регулировать так, чтобы на поверхности изделия получались не оксиды, а гидроксиды, которые можно легко удалить.
13
Схема станка для электромеханического шлифования представлена на рис. 2.
Рис. 2. Схема установки для анодно-механической обработки металлов: 1 – абразивный круг, проводящий электрический ток; 2 – изделие; 3 – сборник
с электролитом; 4 – сопротивления R1 и R2 для регулирования процесса обработки; 5 – скользящий контакт
В качестве электролитов используют растворы силиката натрия (жидкое стекло) или другие электролиты, которые обладают большой вязкостью, поскольку между изделием и кругом должен все время сохраняться слой электролита, иначе круг начнет «затачиваться» изделием. В последнее время в этих процессах начали применять и алмазные круги, при этом увеличивается производительность.
Удельный расход электроэнергии при электролизе можно рассчитать по формуле:
W = I Uвτ/ mпр , |
(14) |
где I – сила тока, А;
Uв – напряжение на ванне, В; τ – время электролиза, ч;
mпр – практически полученный привес детали, г.
1.4.4. Электрохимический интегратор
Точность выполнения электрохимических законов и удобство измерения и преобразования электрических величин позволяют использовать электрохимические явления для создания разнообразных точных приборов – преобразователей тока, регистрирующих устройств и датчиков различного типа.
14
Например, электрохимический интегратор работает на принципе злектролиза, суммируя все импульсы тока, возбуждаемые по любому закону, в виде изменившихся концентраций электролита в анодном и катодном пространствах. Изменение концентраций измеряется колориметрически, или потенциометрически по уравнению для концентрационного элемента. Электролит выбирают по-прежнему: окислительно-восстановительная система, причем какая-либо форма ее должна иметь окраску, если используется визуальный или колориметрический метод. Схематическое устройство простейшего интегратора показано на рис. 3.
Рис. 3. Электрохимический интегратор:
1 – корпус; 2 – диффузионная перегородка; 3 – инертные электроды: 4 – индикаторный отсек; дающий показания цветности
Счетчики времени тоже представляют собой интеграторы, рассчитанные на длительный период эксплуатации.
Рис. 4. Интегратор – счетчик времени 1 – столбикртутинакатоде; 2 – электролит; 3 – столбикртутинааноде; 4 – корпус
По конструкции интеграторы могут быть весьма разнообразны; простейшая конструкция приведена на рис. 4 и состоит из столбика ртути в капилляре, разорванного каплей электролита. Ртуть на аноде переходит в раствор, а на катоде восстанавливается. Пузырек электролита, перемещаясь от катода к аноду, указывает суммарное машинное время.
15
2. КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ И ЗАДАНИЯ
Литература: [1, § 285; 4, § 57; 5, § 47].
Важным показателем качества образования является оценка уровня знаний обучаемого. Этот показатель, безусловно, важен как для преподавателя, так и для студента. Объективная оценка теоретических знаний и практических умений студента осуществляется при проведении стандартных процедур, в которых все обучаемые находятся в одинаковых условиях и для контроля используется одинаковый набор тестовых заданий.
К рассмотрению предлагаются некоторые тестовые задания. Рекомендуется выполнять задания по порядку, не пропуская ни одного. Если предложенное задание вызывает затруднение, перейдите к следующему. По мере выполнения всех упражнений, можно вернуться к пропущенному заданию. При необходимости можно использовать калькулятор и справочные таблицы. В тестах предусмотрен лишь один правильный ответ.
2.1. Тесты (уметь обосновать ответ)
Вариант 1 1. Какие окислительно-восстановительные процессы протекают при элек-
тролизе раствора сульфата серебра? |
|
|
|
а) К- |
2Н2О + 2ē = Н2° + 2ОН-; |
б) К- |
Ag+ + ē = Ag°; |
А+ |
2Н2О – 4ē = О2° + 4Н+; |
A+ |
2SO42- – 2ē = S2O82-; |
в) К- |
Ag+ + ē = Ag°; |
г) К- |
2Н2О + 2ē = Н2° + 2ОН-; |
А+ |
2Н2О – 4ē = О2° + 4Н+; |
A+ |
2SO42- – 2ē = S2O82-; |
д) К- |
Ag+ + ē = Ag°; |
|
|
A+ |
2Н2О + 2ē = Н2° + 2ОН-. |
|
|
2. Какое значение принимает потенциал водородного электрода, если |
|||
значение рН = 10? |
|
|
|
а) –0,41 В; б) –0,295 В; в) |
±0,00 В; |
г) –0,69 В; д) +0,23 В. |
|
3. При электролизе раствора сульфата меди на аноде выделилось 5,6 л газа. Какое количество вещества выделилось на катоде? Условия нормальные.
а) 64,5 г; б) 16,0 г; в) 32,8 г; г) 0,5 г; д) 11,2 г.
16
4. В каком случае происходит электролиз, если пропускают ток через растворы следующих соединений?
а) |
NaOH, |
NaCl, |
C2H5OH; |
б) H2SO4, |
Al2O3, |
H2O (дис); |
|
в) |
KOH, |
NaOH, |
H2SO4; |
г) K2O, |
C12H22O11, Al2(SO4)3; |
||
д) |
Al(OH)3, |
AgNO3, |
BaSO4. |
5. При рафинировании меди током в 25 А выделяется за 4 ч 112 г меди.
Рассчитайте выход по току. |
|
|
а) 94,41 %; |
б) 83,55 %; |
в) 71,75%; |
г) 68,56 %; |
д) 99,67%. |
|
Вариант 2
1.Какие окислительно-восстановительные процессы протекают на катоде
ианоде при электролизе едкого кали?
а) К- |
2Н2О + 2ē = Н2° + 2ОН-; |
б) К- |
К+ + ē = К°; |
А+ |
2Н2О – 4ē = О2° + 4Н+; |
А+ |
2Н2О – 4ē = О2° + 4Н+; |
в) К- |
2Н2О + 2ē = Н2° + 2ОН-; |
г) К- |
К+ + ē = К°; |
А+ |
4ОН- – 4ē = О2° + 2Н2О; |
А+ |
4ОН- – 4ē = О2° + 2Н2О; |
д) К- |
2Н+ + 2ē = Н2°; |
|
|
А+ |
2Н2О – 4ē = О2° + 4Н+. |
|
|
2. С помощью электролиза можно проводить очистку металлов от примесей. Какой анод используют при получении электролитически чистой меди, если электролизу подвергали сульфат меди (ΙΙ)?
а) Pt, |
б) C, |
в) Ni, |
г) Cu, |
д) Zn. |
3. Какое значение принимает потенциал кислородного электрода при стандартном давлении и значении рН = 5?
а) 0,64 В; |
б) 0; |
в) 1,89 В; |
г) |
3,75 |
В; |
д) 8,58 В. |
4. Аноды из каких веществ относятся к инертным? |
|
|
||||
а) Cu, Zn, Au; |
б) Al, Ni, Cu; |
в) |
C, Ag, |
Pb; |
||
г) Pd, C, |
Pt; |
д) C, Zn, Cu. |
|
|
|
|
5. Какое количество веществ выделится на электродах при электролизе растворагидроксидакалияприпрохождениичерезраствортокасилой6,7 Автечение1 ч?
а) |
0,54, |
4,02 г; |
б) |
0,25, |
2,00 г; |
в) 5,03, 10,75 г; |
г) |
0,25, |
4,02 г; |
д) |
1,25, |
5,00 г. |
|
|
|
|
|
|
17 |
|
Вариант 3
1. Через последовательно включенные в цепь постоянного тока растворы (А) нитрата серебра, раствора (В) сульфата меди (ΙΙ) и раствора (С) хлорида золота (ΙΙΙ) пропустили ток силой 5 А в течение 20 мин. Какова масса веществ
выделившихся на катоде? |
|
|
|
|
|
|
||
а) |
вещество А – 1,00, |
В – 1,00, |
С – 1,00 г; |
|
|
|||
б) |
вещество А – 3,35, |
В – 1,00, |
С – 2,55 г; |
|
|
|||
в) |
вещество А – 6,67, |
В – 2,05, |
С – 4,00 г; |
|
|
|||
г) |
вещество А – 6,67, |
В – 4,00, |
С – 12,00 г; |
|
|
|||
д) |
вещество А – 3,35, |
В – 12,00, |
С – 2,55 г. |
|
|
|||
2. Сколько времени потребуется для полного разложения двух молей во- |
||||||||
ды током силы 2 А? |
|
|
|
|
|
|
|
|
а) 3,56 ч; |
б) 15,64 ч; |
в) 53,6 ч; |
г) |
62,12 ч; |
д) 83,5 ч. |
|||
3. В каком случае на аноде выделяется кислород, на катоде – водород, ес- |
||||||||
ли проводили электролиз следующих растворов? |
|
|
|
|||||
а) |
Na2SO4, |
KNO3, |
Ca(NO3)2; |
|
|
|
||
б) |
NaNO3, |
KCl, |
|
MgCI2; |
|
|
|
|
в) |
K2SO4, |
AlCl3, |
NaI; |
|
|
|
||
г) |
KI, |
Pb(NO3)2, |
NaOH; |
|
|
|
||
д) |
NaCl, |
AgNO3, |
H2SO4. |
|
|
|
||
4. Какое значение принимает потенциал кислородного электрода при |
||||||||
стандартном давлении и значении рН = 10? |
|
|
|
|||||
а) 3,58 В; |
б) 2,46 В; |
в) 1,23 В; |
г) |
0,64 В; |
д) 0,95 В. |
|||
5. Какой должна быть сила тока, чтобы за 10 ч на катоде при электролизе сульфата никеля (ΙΙ) выделилось 47 г никеля при выходе его по току 80 %?
а) 25,48 А; б) 10,76 А; в) 5,42 А; г ) 8,69 А; |
д) 2,55 А. |
Вариант 4 1. Какие окислительно-восстановительные процессы протекают на элек-
тродах при электролизе раствора серной кислоты? |
|
||
а) К- |
2Н2О + 2ē = Н2° + 2ОН-; |
б) К- |
2Н+ + 2ē = Н2°; |
А+ |
2Н2О – 4ē = О2° + 4Н+; |
А+ |
2Н2О – 4ē = О2° + 4Н+; |
18
в) К- |
|
2Н2О + 2ē = Н2° + 2ОН-; |
г) К- |
2Н+ + 2ē = Н2°; |
||||||
|
A+ |
2SO42- – 2ē = S2O82-; |
|
|
A+ |
2SO42- – 2ē = S2O82-; |
||||
д) К- |
|
2Н2О + 2ē = Н2° + 2ОН-; |
|
|
|
|
||||
|
А+ |
|
4ОН- – 4ē = О2° + 2Н2. |
|
|
|
|
|||
2. |
Какой объем водорода (н. у.) выделится при пропускании электричес- |
|||||||||
кого тока силой 2 А в течение 42 мин через раствор серной кислоты? |
||||||||||
|
а) 0,13 л; |
|
б) 0,72 л; |
|
в) 0,58 л; |
г) 0,68 л; |
д) 1,2 л. |
|||
3. При |
электролизе сульфата |
никеля |
на аноде протекает процесс: |
|||||||
2Н2О – 4ē = О2° + 4Н+. Из какого материала сделан анод? |
|
|||||||||
а) никель; |
б) медь; |
в) золото; |
|
г) калий; |
д) магний. |
|||||
4. |
Какое значение принимает потенциал водородного электрода при зна- |
|||||||||
чении рН = 10? |
|
|
|
|
|
|
|
|
||
а) |
–0,59 В; |
б) –0,30 В; |
|
в) 0,30 В; |
г) |
0,59 В; |
д) 1,23 В. |
|||
5. |
За десять минут из раствора платиновой соли ток силой 5 А выделил |
|||||||||
1,517 г платины. Какова эквивалентная масса платины? |
|
|
||||||||
а) 10,75; |
|
б) 37,5; |
|
в) 48,8; |
г) 65,37; |
д) 103,5. |
||||
Вариант 5
1. При электролизе водного раствора NаOH на аноде выделилось 2,8 л ки-
слорода (н. у.). Сколько водорода выделилось на катоде? |
|
|||
а) 2,8 л; |
б) 5,6 л; |
в) 11,2 л; |
г) 22,4 л; |
д) 44,8 л. |
2. При электролизе водного раствора солей значение рH в приэлектродном пространстве одного из электродов возросло. Какое соединение подвергалось электролизу?
а) Mg(NO3)2; |
б) NiSO4; |
в) CuCl2; |
г) AgBr; |
д) AuCl3. |
|
3. |
Какой процесс протекает при электролизе водного раствора хлорида |
||||
олова (II) на оловянном аноде? |
|
|
|
||
а) Sn0 – 2ē = Sn2+; |
б) 2Cl- – 2ē = Cl02; |
|
|||
в) 2H2O – 4ē = O2 + 4H+; |
г) 2H2O + 2ē = H02 +2OH-; |
||||
д) 2SO42- – 2ē = S2O82-. |
|
|
|
||
4. Чему равен потенциал водородного электрода в нейтральной среде? |
|||||
а) |
0,00 В; |
б) –0,41 В; |
в) –0,76 В; |
г) +0,34 В; |
д) 1,23 В. |
19
5. При пропускании электрического тока через медный кулонометр и раствор хлорида натрия на катоде кулонометра выделилось 2,56 г меди, а в растворе об-
разовалось 3,12 |
г едкого натра. Каков выход едкого натра по току? |
|||
а) 97,5 %; |
б) 85,6 %; |
в) 75,4 %; |
г) 62,5 %; |
д) 53,7 %. |
Вариант 6
1.При электролизе раствора хлорида меди (II) масса катода увеличилась на 3,2 г. Что произошло при этом на медном аноде?
а) выделилось 0,11 л Cl2; б) выделилось 0,56 л O2;
в) выделилось 0,56 л H2;
г) перешло в раствор 0,10 моля Cu2+; д) перешло в раствор 0,05 моля Cu2+.
2.При электролизе водного раствора соли значение рH в приэлектродном пространстве одного из электродов уменьшилось. Какой раствор подвергался электролизу?
а) Ag2SO4; |
б) MgCl2; |
в) KOH; |
г) NaO; |
д) CsBr. |
|||
3. Какие металлы не будут разряжаться на катоде при электролизе водных |
|||||||
растворов их солей? |
|
|
|
|
|
||
а) Mg, |
Fe, |
Ag; |
б) Au, |
Zn, |
Cu; |
в) Mg, |
Na, K; |
г) K, |
N, |
Ag; |
д) Cu, |
Zn, |
Fe. |
|
|
4. При электролизе раствора бромида металла, образующего однозарядный катод, содержащего 41,2 г этой соли, выделилось 4,48 л водорода (н. у.). Бромид какого металла взяли, если разложение соли считать полным?
а) литий; б) натрий; в) калий; г) цезий; д) франций.
5. В каком случае электролиз сводится лишь к разложению воды?
а) NaOH, AgNO3; б) NaOH, NaCl; в) NaOH, K2SO4; г) AuCl3; Mg(NO3)2; д) MgCO3; NiSO4.
Вариант 7 1. Какие окислительно-восстановительные процессы протекают на элек-
тродах при электролизе нитрата бария? |
|
|
|
а) К- |
Ва2+ + 2ē = Ва°; |
б) К- |
2Н2О + 2ē = Н2° + 2ОН-; |
А+ |
2Н2О – 4ē = О2° + 4Н+; |
А+ |
2Н2О – 4ē = О2° + 4Н+; |
|
|
20 |
|