Электролиз.Гальваностегия

Комитет Образования Российской Федерации

Южно-Уральский  государственный университет 

Кафедра Общей химии 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Электролиз 
 
 
 
 

                                                                                         Выполнил: студент

                                                                           группы ФМ-356

                                                                   Иванов П.Л. 

              Проверил: Коровин В.А. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Мурманск

2011 

Гальваностегия - электрохимический процесс нанесения на металлическое изделие защитного или (и) декоративного слоя другого металла. В основе гальваностегии лежит осаждение на изделии положительно заряженных ионов металлов из водных растворов их соединений (электролитов) при пропускании через раствор постоянного электрического тока. Гальваностегию проводят в гальванической ванне, куда наливают электролит. Для пропускания электрического тока через электролит в ванну погружают два металлических электрода -анод, присоединяемый к положительному полюсу источника постоянного тока, и катод - к отрицательному. Анод изготовляют из металла, растворяющегося в соответствующем электролите (из меди - при меднении, из никеля - при никелировании и т.д.). Катодом служит покрываемое металлом изделие.

Обязательные  условия успешной гальваностегии:

1) предназначенные для покрытия изделия, также как и анодные пластины, должны быть тщательно обезжирены, очищены от оксидов, отшлифованы и отполированы;

2) если в электролите появилась лёгкая муть или образовался осадок, электролит необходимо профильтровать;

3) при сборке электрической цепи гальванической ванны очень важно не спутать полюсы источника постоянного тока (анодные пластины подключают к положительному полюсу, а изделие - к отрицательному), при неправильном включении в электролите будет растворяться металл не анода, а изделия, что приведёт к порче электролита;

4) ровное плотное покрытие изделия металлом зависит от силы электрического тока, которая не должна превышать заданного предела; например, если допустимая плотность тока через электролит равна 0,1 А/дм2 и изделие имеет общую площадь 0,5 дм2, то ток не должен превышать 0,1х0,5 = 0,05 А (50 мА); при большей силе тока покрытие будет тёмным, непрочным; если изделие имеет заострённые части, ток следует уменьшить в 2...3 раза.

Изделия погружают  в гальваническую ванну под напряжением. Для этого их сначала подвешивают  на медных неизолированных проводниках  диаметром 0,68...1 мм к перекладине, подсоединяют к источнику электрического тока (при этом реостат включают на полное сопротивление) и опускают в ванну с электролитом. Затем, уменьшая сопротивление реостата, доводят ток до нормы.

В процессе гальваностегии изделие 2-3 раза вынимают из ванны на короткое время и осматривают. Если металл откладывается неравномерно, изменяют положение изделия, повернув его к аноду той стороной, на которой слой металла получился тоньше. 
Изделие, вынутое из ванны, как бы хорошо оно ни было отполировано, имеет матовую поверхность. Для придания блеска его полируют зубным порошком при помощи суконки. 
 
 
 
 

Виды  гальванических ванн:

1. В качестве гальванической ванны может быть использована любая стеклянная байка такого размера, чтобы покрываемый металлом предмет свободно в ней размещался и при этом не находился слишком близко от анодных пластин. Удобнее всего пользоваться четырехугольными стеклянными банками (рис. 1).

Рис. 1. Гальваническая ванная в четырехугольной стеклянной банке.

2. Из толстой медной проволоки или трубок делают поперечные перекладины, из которых две (а) служат для подвешивания никелевых или медных пластин - анодов, а третья (б) - для никелируемых или омедняемых предметов. В круглой банке анодную пластину приходится сгибать в виде цилиндра (с) (рис. 2).

Рис. 2. Гальваническая ванна в круглой банке.

Покрываемые предметы подвешивают на медных проволоках. Анодных пластин должно быть две. Важно, чтобы покрываемые предметы были обращены к анодам своими наибольшими  площадями и находились с ними примерно в параллельных плоскостях. Перекладины, к которым подвешиваются аноды и покрываемые предметы, необходимо снабдить клеммами для удобства и надежности соединения (см. рис. 1). Проволоки, которыми прикреплен анод к перекладине, должны находиться выше уровня электролита, особенно если они сделаны из другого металла. Анодные пластины включаются между собой параллельно и присоединяются обязательно к клемме "плюс" источника тока (аккумулятора или выпрямителя).

Аноды должны быть тщательно очищены от окислов, грязи  и обезжирены, так же как и предметы, предназначенные для покрытия металлом. Важным условием успешного никелирования и меднения является чистота. Если в электролите появилась легкая муть или образовался осадок, электролит необходимо профильтровать.

Рис. 3. Схема гальванической ванны.

На рис. 3 показана схема включения гальванической ванны. В качестве источника можно  использовать автомобильный аккумулятор  или выпрямитель (напряжением 6-12 В), питающийся от сети переменного тока напряжением 127-220 В. К. схеме необходимо подключать вольтметр и амперметр. Если поверхность покрываемого предмета менее 2 дм², можно использовать миллиамперметр на 500 мА. Сопротивление реостата должно быть порядка 8-10 ом, чтобы можно было изменять ток в пределах долей ампера. При сборке электрической цепи ванны очень важно не спутать полюсы у аккумулятора или выпрямителя, так как анодные пластины должны быть обязательно подключены к положительному полюсу, а деталь (предмет) - к отрицательному. При неправильном включении будет "растворяться" металл детали или предмета, что приведет к порче электролита. Ровное плотное покрытие предмета никелем или медью зависит от величины электрического тока, не превосходящей известного предела и зависящей от площади поверхности предмета. Например, если норма плотности тока равна 0,5 А на 1 дм² и предмет имеет общую поверхность около 0,5 дм², то ток не должен превышать 0,5 х 0,5=0,25 А. При большем токе никель или медь будут откладываться темным, непрочным, легко отделяющимся слоем. Если предмет имеет заостренные части, плотность тока следует уменьшить в 2-3 раза. Предметы погружают в ванну под напряжением. Для этого их сначала подвешивают на медных голых проводниках диаметром 0,8-1 мм к перекладине (медная трубка), подключают к источнику электрического тока (при этом реостат включают на полное сопротивление) и опускают в ванну с электролитом. Затем, уменьшая сопротивление реостата, доводят ток до нормы. Во время гальванизации деталь или предмет два-три раза вынимают из ванны на короткое время и осматривают. Если металл откладывается неравномерно, изменяют положение предмета, повернув его к аноду той стороной, на которой слой металла получается тоньше.

При правильном процессе никелирования никель откладывается  матовым, повсюду ровным, серебристым  слоем. Появление темных пятен свидетельствует о плохом обезжиривании. Тонкий слой металла откладывается на детали или предмете за 20-30 мин, толстый слой - за несколько часов. Предмет, вынутый из ванны, как бы хорошо он ни был предварительно отполирован, имеет матовую поверхность. Для придания блеска его полируют тончайшим мелом (зубным порошком) при помощи суконки. Можно также полировать крокусом, но очень осторожно, чтобы не повредить слой никеля.

Простейшая  гальваническая ванна  для электрохимического окрашивания металлических деталей в любой цвет

Для электрохимического окрашивания деталей из стали, латуни или меди необходимо собрать гальваническую ванну и электрическую схему, как показано на рисунке 6.

Рис. 6. Простейшая гальваническая ванна.

Электрод, подключенный к плюсовому зажиму элемента, делают из листовой меди. Минус элемента подключают к окрашиваемой детали. Необходимо следить за тем, чтобы детали не касались медной пластинки. В банку заливают специальный электролит и замыкают электрическую цепь. Через 2–3 мин начнется окрашивание. Вначале деталь станет коричневой, потом фиолетовой и т. д.

Все будет зависеть от времени:  
2 минуты — коричневый цвет,  
3 минуты — фиолетовый, 
3–5 минут — синий, 
5–6 минут — голубой, 
8–12 минут — желтый, 
12–13 минут — оранжевый, 
13–15 минут — красный,  
17–21 минут — зеленый цвет.

На 1 л электролита  требуется:  
Медного купороса — 60 г  
Сахара рафинада — 90 г  
Едкого натра — 45 г   

Приготовляют электролит следующим образом. В раствор медного купороса объемом 200–300 мл добавляют 90 г сахара и тщательно размешивают. Отдельно в 250 мл воды растворяют 45 г едкого натра и к нему небольшими порциями, постоянно помешивая, приливают раствор медного купороса с сахаром. Затем добавляют воду, чтобы получился 1 л раствора.

При работе с  едким натром необходимо соблюдать  осторожность! Чтобы цвета были более  контрастными, в готовый электролит добавляют 20 г безводной соли углекислого  натрия. После окрашивания деталь промывают водой, сушат и покрывают  бесцветным лаком. 

Рецепты электролитов для  гальванических ванн

Электролит для быстрого омеднения

Сернокислая медь (медный купорос) — 250 г  
Серная кислота концентрированная — 20 г  
Хромовый ангидрид — 2 г  
Вода — до 1 л

Рабочая температура  от 18 до 25°С, рекомендуется перемешивание. Плотность тока 5 А/дм².   

Электролит для матового никелирования

Сернокислый никель — 217,5 г  
Хлористый никель — 46,5 г  
Борная кислота — 31 г  
Вода — до 1 л

Рабочая температура  ванны 50–70°С, плотность тока 1,5–5 А/дм², рН 5,2–5.8.   

Электролит для никелирования (твердое покрытие)

Сернокислый никель — 150 г  
Хлористый аммоний — 20 г  
Борная кислота — 25 г  
Вода — до 1 л

Рабочая температура  ванны 50–60°С, плотность тока 2,5–5 А/дм², рН 5,6–5.9.   

Электролит для декоративного хромирования

Хромовый ангидрид — 400 г  
Серная кислота концентрированная — 4 г  
Вода — до 1 л

Рабочая температура 25–65°С, плотность тока 20–50 А/дм².   

Электролит для хромирования (твердое покрытие)

Хромовый ангидрид — 250 г  
Серная кислота концентрированная — 2,5 г  
Вода — до 1 л

Рабочая температура 25–65°С, плотность тока 20–50 А/дм².   

Электролит для лужения

Оловяннокислый  натрий — 75 г  
Едкий натр — 11,5 г  
Уксуснокислый натрий — 25 г  
Вода — до 1 л

Рабочая температура 65–70°С, плотность тока 2–4 А/дм².   

Электролит для серебрения

Хлористое серебро  — 40 г  
Железосинеродистый калий (красная кровяная соль) — 200 г  
Поташ — 20 г  
Вода — до 1 л

Температура электролита 20–80°С, плотность тока 1–1,5 А/дм². Анод из серебра.  

Как рассчитать концентрацию раствора

Концентрация  раствора характеризуется количеством  того или иного вещества, растворенного  в единице объема воды или другой жидкости. Концентрация раствора в  подавляющем большинстве случаев  должна быть строго определенной. Поэтому  следует отказаться от составления растворов на глазок.

Концентрация растворов выражается:

1) в частях (например, 100 частей воды, 37 частей серной кислоты и 16 частей двухромовокислого калия) или

2) в процентах (например, 21-процентный водный раствор едкого калия).

Иногда концентрация раствора выражается отношением (например, водный раствор серной кислоты 1:10; это означает, что нужно взять 1 часть серной кислоты и 10 частей воды).

Во всех случаях (части и проценты) имеются в  виду весовые соотношения веществ.

Для определения  весовых количеств воды можно пользоваться мензуркой, считая число кубических сантиметров соответствующим числу граммов, а для химикалиев - аптекарскими весами (достаточна точность до 0,5 г).

Перерасчет водных растворов с процентов по весу на части

При составлении растворов, концентрация которых дана в процентах в таблице, вес раствора принимается за 100%. Поэтому, например, для приготовления 21-процентного раствора едкого кали отмеряют 21 часть этого вещества и 79 частей воды. Такие отвешивания не всегда удобны, поскольку чаще всего приходится исходить из объема или веса необходимого раствора, чтобы не приготовлять его в излишке. Тогда делают арифметические перерасчеты. Однако их можно избежать, если воспользоваться приведенной таблицей, которая позволяет определить, какое количество по весу вещества нужно на 100 частей или 100 см³ воды, если известна концентрация в процентах. Например, на 100 см³ 21-процентного водного раствора едкого кали приходится 26,58 части едкого кали.  

Что необходимо знать  о несовместимости химических веществ

Несовместимость химических веществ проявляется  в том, что при случайном смешивании, а иногда и при хранении рядом  они вступают в реакцию. Если реакция  сопровождается выделением большого количества тепла, то может произойти взрыв или самовозгорание. В других случаях воздействие веществ друг на друга приводит к соединению их и потере первоначальных свойств, в результате чего вещества становятся непригодными к употреблению. Вот некоторые несовместимые химические вещества:

Азотная кислота несовместима с глицерином, спиртом, эфирными маслами, смолами, сахаром, фенолом, опилками, ватой.

Алюминиевые квасцы несовместимы с едкими щелочами (едкий  натр, едкое кали, нашатырный спирт), клеем и желатиной.

Аммиак (нашатырный спирт) и нашатырь несовместимы с формалином (формальдегидом) и йодом.

Бура несовместима с квасцами, нашатырем, серной кислотой, соляной кислотой.

Йод несовместим  с аммиаком (нашатырным спиртом).

Кислоты несовместимы с мылом и щелочами (содой, поташом, известью и др.).

Марганцовокислый  калий несовместим с органическими  веществами - эфирами, винным спиртом, глицерином, танином, а также с  аммиаком, нашатырем, серой, йодом, углем.

Сера несовместима с марганцовокислым калием, хлорной  известью.

Серная кислота (купоросное масло) несовместима со скипидаром, спиртом и бензином.

Спирт несовместим  с хромовой кислотой, марганцовокислым калием, клеем, желатиной, казеином.   

Обезжиривание в ваннах с растворителями

Сильно загрязненные детали можно грубо обезжирить промывкой  в керосине или скипидаре. После этого детали промывают в техническом бензине, техническом бензоле, ксилоле или толуоле. Тщательное и окончательное обезжиривание достигается погружением или промывкой в чистом бензине, трихлорэтилене или других растворителях.

Недостатком этих веществ является их огне- и взрывоопасность (бензин, бензол, ксилол, толуол) и ядовитость паров (трихлорэтилен, бензин, бензол, ксилол, толуол). Поэтому с ними разрешается работать только в хорошо вентилируемых помещениях.

В настоящее  время широко применяются фреоны. В отличие от вышеуказанных веществ фреон не взрывоопасен, не ядовит, не разрушает пластмассы, лакокрасочные покрытия и т.п.

Фреон-113 (трихлортрифторэтан) - самое лучшее обезжиривающее средство из группы фреонов. Это легкоподвижная прозрачная жидкость с низкой температурой кипения (47,6°С). Иногда фреон-113 смешивают с другими растворителями - ацетоном, спиртом и т.д.

Иногда фресковые  обезжиривающие ванны снабжают ультразвуковыми  излучателями или используют кипящий  фреон, что максимально ускоряет растворение жиров. Фреон не имеет широкого применения из-за высокой стоимости.   

Химический раствор для обезжиривания цветных металлов:

Жидкое стекло — 26 г 
Тринатрийфосфат — 8 г  
Углекислый натрии безводный — 4 г  
Вода — до 1 л

Все вещества растворяют в воде и доводят объем до 1 л.  
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Практическая  часть

CdSO₄

Стандартные условия; pH<7.

Теоретическую массу скандия, выделившегося при электролизе, можно рассчитать с помощью объединенного закона Фарадея:

Учитывая, что выход по току , рассчитывается практическая масса скандия, восстановленного на катоде: