Гальваническая ванна

Назначение гальванических покрытий:

• Защита от коррозии

• Защитно-декоративное

• Повышение электропроводности

• Повышение твердости и износостойкости

• Получение магнитных пленок

• Уменьшение коэффициента трения

• Улучшение способности к пайке

• Улучшение отражательной способности поверхности

▲ Задача

Рассмотрите электролиз водного раствора CuCl₂ на Cu-электродах. Напишите уравнения электродных процессов. Покажите ход поляризационных кривых.

Решение. Ионный состав раствора:

CuCl₂ → Cu²⁺ + 2Cl^-

H₂O → H⁺ + OH^-

рН =5  гидролиз соли слабого основания и сильной кислоты

Потенциалы возможных процессов:

[- K]: Е⁰_Сu2+/Cu = + 0,337В Е^р_Н+/Н2 = -0,059рН = -0,295В

Е⁰_Сu2+/Cu > Е^р_Н+/Н2  только один процесс

[+A]: Е^р_О2/ОН- =1,23-0,059рН = +0,935В; Е⁰_Сl2/Cl- = + 1,36В

Е⁰_Сu2+/Cu < Е^р_О2/ОН- < Е⁰_Сl2/Cl-

Электродные процессы:

[- K]: Cu²⁺ + 2е → Cu⁰

[+A]: Cu⁰ → Cu²⁺ + 2е (растворение электрода)

4ОН^- → О₂ ↑ + 2Н₂О + 4е

2Cl^- → Cl₂ + 2e

Поляризационные кривые

▲ Задача

Рассчитайте толщину никелевого покрытия на стальном изделии поверхностью 1 м² и изменение толщины Ni анода поверхностью 1 м² при э/х никелировании в течение 1 ч из водного раствора на основе Ni₂SO₄, если катодная плотность тока – 100 А/м², а анодная – 50 А/м². Выход по току Ni на катоде – 0,8, а на аноде – 0,9. Плотность Ni ρ=8,9 г/см³. (Гидролизом пренебречь, рН=7).

Решение.

Сравнивая значения электродных потенциалов, записываем последовательность возможных электродных процессов:

[- K]: Ni²⁺ + 2e → Ni

2Н⁺ + 2е → Н₂↑

[+A, Ni]: Ni → Ni²⁺ + 2e

4ОН^- → О₂ ↑ + 2Н₂О + 4е

По закону Фарадея

Толщина Ni покрытия на изделии равна:

Масса растворившегося никелевого анода:

Изменение толщины Ni анода:

=5,5 мкм

Электролиз в металлургии – рафинированиe

-K

Инертный

Электрод

+А

Металл c

Примесями

РастворН2so4

Пример: основной Ме – Со; примеси – Zn и Cu.

Как провести очистку в растворе H₂SO₄?

Ионный состав раствора:

H₂SO₄ → H⁺ + SO₄^2-

H₂O ↔ H⁺ + OH^- рН=1

На аноде: SO₄^2-, OH^-, Со, Zn, Cu

Выписываем все потенциалы

Е⁰_Н+/Н2= 0 В (т.к. рН=1)

Е^р_О2/ОН- =1,23-0,059рН = +1,17В;

Е⁰_Co2+/Co = - 0,277В

Е⁰_Zn2+/Zn = -0,76В;

Е⁰_Сu2+/Cu = + 0,337В

 [+A]: Zn⁰ → Zn²⁺ + 2е (в первую очередь, т.к. Е⁰_Zn2+/Zn< Е⁰_Co2+/Co)

Co⁰ → Co²⁺ + 2е

Cu не растворяется и выпадает в шлам, а затем ее собирают со дна.

На катоде: H⁺; Co²⁺; Zn²⁺

[- K]: 2Н⁺ + 2е → Н₂↑ сначала, пока с_Со=0

Cо²⁺ + 2е → Cо⁰ затем

а ионы Zn²⁺ остались в растворе

Так получают очень чистые Ме

▲ Задача

Рассмотрите процесс рафинирования Ni, содержащего примеси Zn и Cu в растворе H₂SO₄. Какие процессы будут протекать на катоде и аноде? Какое время нужно для проведения рафинирования при токе 500 А для выделения 5 кг никеля при выходе по току 98%?

Решение.

Ионный состав раствора:

H₂SO₄ → H⁺ + SO₄^2-

H₂O ↔ H⁺ + OH^- рН=2

Запишем потенциалы возможных электродных процессов

Е^р_О2/ОН- =1,23-0,059рН = +1,112В;

Е^р_Н+/Н2 = -0,059рН = -0,118В

Е⁰_Ni2+/Ni = - 0,250В

Е⁰_Zn2+/Zn = -0,76В;

Е⁰_Сu2+/Cu = + 0,337В

Т.к. Е⁰_Zn2+/Zn < Е⁰_Ni2+/Ni < Е⁰_Cu2+/Cu < E^p_O2/OH- то первым на аноде окисляется Zn, затем очищаемый Ме – Ni, примеси Cu не растворяются, а выпадают в осадок (шлам).

Т.к. Е⁰_Ni2+/Ni > Е⁰_Zn2+/Zn и потенциал ионов Ni²⁺ ↑, чем ионов Zn²⁺, то на катоде осаждается чистый никель.

В начале процесса в растворе отсутствуют ионы Ni²⁺ и на катоде выделяется Н₂.

 [+A]: Zn⁰ → Zn²⁺ + 2е

Ni⁰ → Ni²⁺ + 2е

[- K]: 2Н⁺ + 2е → Н₂↑

Ni²⁺ + 2е → Ni⁰

Время для рафинирования по закону Фарадея (М_э,Ni=29,5 г/моль):

или τ = 9,27 ч

Хлорный электролиз

▲ Задача

Определите объем Cl₂, выделившийся при электролизе водного раствора NaCl на платиновых электродах, если объем выделившегося при этом Н₂ - 44,8 мл. Выход по току хлора – 80%.

Решение. Ионный состав раствора:

NaCl → Na⁺ + 2l^-

H₂O ↔ H⁺ + OH^-

рН =7 гидролизa соли

Потенциалы возможных процессов:

Е^р_Н+/Н2 = -0,059рН = -0,41В

Е^р_О2/ОН- =1,23-0,059рН = +0,81В;

Е⁰_Сl2/Cl- = + 1,36В

Е⁰_Сl2/Cl- - Е^р_О2/ОН- < 1  возможны оба процесса

Электродные процессы:

[- K]: 2Н⁺ + 2е → Н₂↑

[+A]: 4ОН^- → О₂ ↑ + 2Н₂О + 4е

2Cl^- → Cl₂ + 2e

По закону Фарадея:

Количество электричества, прошедшее через электроды:

q_k = q_a =I·τ





Рис. 2.3 Зависимость напряжения U на ячейке , энергозатрат W^э от плотности тока для электролизеров различных типов:

1 – промышленные щелочные электролизеры и их усовершенствованные модификации (70-95°С),

2 – электролизеры с твердополимерным электролитом (90-110°С; 0-30 Атм),

3 – высокотемпературные твердо-оксидные электролизеры (900°С).

(Характеристики приведены без учета энергозатрат на источники питания электролизеров и возможных тепловых потерь.)

топливо е^- ® окислитель

вход

Щелочной ТЭ H2 + 2OH- ® 2H2О + 2ē		¬ OH-		1/2O2 + H2O + 2ē ® 2OH-
Твердополимерный ТЭ H2 ® 2H+ + 2ē		H+ ®		1/2O2 + 2H+ + 2ē ® H2O
Фосфорнокислый ТЭ H2 ® 2H+ + 2ē		H+ ®		1/2O2 + 2H+ + 2ē ® H2O
Расплавно-карбонатный ТЭ H2 + CO32- ® H2O + CO2 + 2ē CO + CO32- ® 2CO2 + 2ē		¬ CO32-		1/2O2 + CO2 + 2ē ® CO32-
Твердо-оксидный ТЭ H2 + O2- ® 2H2O + 2ē CO + O2- ® CO2 + 2ē CH4 + 4O2- ® 2H2O + CO2 + 6ē		¬ O2-		1/2O2 + 2ē ® O2-

Рис. 3.1. Основные процессы в топливных элементах различных типов.