1

ĆWICZENIE 1

Otrzymywanie proszków metali nieżelaznych: Cu i Ag, w wyniku

elektrolizy z roztworów wodnych.

1. Metody wytwarzania proszków.

Wytwarzanie proszków obejmuje zespól procesów mechanicznych i fizykochemicznych, które
mają na celu uzyskanie określonego materiału w postaci proszku. Proszek może być produktem
mechanicznego rozdrobnienia materiału bez zmiany jego składu chemicznego lub produktem
reakcji chemicznych z innych substancji. Obecnie z każdego metalu o znaczeniu technicznym
można uzyskać proszek.

Metody wytwarzania proszków:

mechaniczne

fizykomechaniczne

fizyczne

chemiczne

fizykochemiczne

- mielenie
- kruszenie
- rozbijanie

- obróbka

skrawaniem

- rozpylanie
- granulacja

- odparowanie
i
kondensacja

- redukcja tlenków
i innych związków
- dysocjacja
tlenków
i innych związków
korozja między-
krystaliczna
- samo rozpad
- hydrogenizacja -
dehydrogenizacja

- redukcja metalo-

termiczna soli

- redukcja roztworów

wodnych
soli wodorem

- redukcja roztworów

wodnych soli przez
wypieranie

- elektroliza

roztworów wodnych
soli

- elektroliza

stopionych soli

- synteza i dysocjacja

karbonylków

- zol - żel

2. Otrzymywanie proszku miedzi i srebra metodą elektrolizy.

Proszki miedzi i srebra otrzymuje się metodą elektrolizy, gdzie reduktorem (dostarczenie
elektronów) jest prąd elektryczny. Proszki miedzi otrzymuje się metodą elektrolizy kwaśnych
roztworów siarczanu miedzi, a proszki srebra metodą elektrolizy roztworu azotanu srebra.
Metal lub przewodnik elektronowy zanurzony w roztworze elektrolitu nazywa się elektrodą.
W każdym procesie elektrochemicznym bierze udział co najmniej jedna para elektrod.
Reakcję elektrodową, w której elektrony są substratami nazywamy reakcją katodową. W
reakcji katodowej zachodzi zawsze redukcja. Elektrodę, na której zachodzi reakcja anodowa
nazywamy anodą. Cechą reakcji anodowej jest utlenianie substancji.

Elektrolityczne otrzymywanie metali może odbywać się w roztworach wodnych lub solach
stopionych.

2

Proszki miedzi otrzymuje się metodą elektrolizy kwaśnych roztworów siarczanu miedzi, a proszki
srebra metodą elektrolizy roztworu azotanu srebra

Rozkład roztworów związków metali lub ich soli pod wpływem przepływu prądu stałego
zachodzi zgodnie z zależnością:

W przemysłowych procesach elektrolizy z roztworów wodnych rozróżnia się dwa sposoby
przeprowadzenia procesu:

z anodą nierozpuszczalną

Podczas wytwarzania proszków w metodzie elektrolitycznej z nierozpuszczalną anodą
źródłem jonów metalu jest elektrolit. W tej metodzie anoda wykonana jest np. z grafitu, stali
kwasoodpornych lub aluminium. W wyniku procesu elektrolizy, masa anody nie zmienia się
w czasie elektrolizy; zmianie ulega skład chemiczny elektrolitu.

Elektrolizer z anodą nierozpuszczalną schematycznie można przedstawić następująco:

Pb, PbO

2

|(Cu

2+

, S0

4

-

, H

2

0)| Cu

Pb, PbO

2

przedstawiają tutaj nierozpuszczalną anodę ołowiową, na której wydziela

się podczas elektrolizy tlen.

Reakcje anodowe i katodowe przebiegają zgodnie z równaniami:

H

2

O = 2H

+

+ 0,5 O

2

+ 2e

Cu

2+

+ 2e = Cu

Sumaryczna reakcja chemiczna w elektrolizerze:

Cu

2+

+ H

2

O = Cu + 0,5 O

2

+ 2H

+

Zmiana entalpii swobodnej tak napisanej reakcji jest większa od zera (



G°>0), co oznacza,

że proces nie zachodzi samorzutnie w kierunku z lewej strony na prawą.

z anodą rozpuszczalną

Podczas wytwarzania proszków w metodzie elektrolitycznej z rozpuszczalną anodą źródłem
jonów metalu jest anoda wykonana z metalu poddawanego elektrolizie. W wyniku procesu
elektrolizy, masa anody zmniejsza się w wyniku jej rozpuszczania, a skład chemiczny
elektrolitu zmienia się nieznacznie.

3

2.1 Otrzymywanie proszku miedzi metodą elektrolizy (proces z rozpuszczalnymi anodami –
elektrorafinacja)
Przykładem elektrolizera z anodą rozpuszczalną jest wanna do elektrorafinacji miedzi.
Zachodzą tam reakcje:

Cu = Cu

2+

+ 2e (anoda)

Cu

2+

+ 2e = Cu (katoda)

Dodając do siebie obie reakcje elektrodowe otrzymamy:

Cu

A

= Cu

K

Czyli jedynym efektem obserwowanym jest przenoszenie miedzi z anody (A) na katodę (K).
W praktyce w procesie elektrolizy stosujemy napięcie 3 V, potrzebne do pokonania oporów
omowych i napięć na elektrodach. Pod wpływem przepływającego przez elektrody prądu
następuje roztwarzanie metalu z anody w elektrolicie, a następnie wydzielenie metalu na
katodzie. Metal z anody przechodzi do roztworu w postaci kationów, które ulegają
zobojętnieniu w przestrzeni katody i osadzają się na jej powierzchni. W zależności od
gęstości prądu oraz stężenia elektrolitu można uzyskać różny stopień granulacji proszku.

Elektrorafinacja miedzi:
Skład elektrolitu:
koncentracja miedzi Cu:

10-18 g/l

koncentracja H

2

SO

4:

130-200 g/l

Temperatura: 35-50

◦

C

Gęstość prądu:
- gęstość katody:

4026 A/m

2

- gęstość anody:

420 A/m

2

Powstający osad na katodzie strąca, a następnie poddaje się go płukaniu, suszy w suszarkach
próżniowych i w kolejnym etapie redukuje wodorem. W rezultacie uzyskuje się proszek o
kształcie dendrytycznym i wielkości poniżej 45 μm i zawartości Cu powyżej 99,9%.

2.2 Otrzymywanie proszków srebra metodą elektrolizy (proces z rozpuszczalnymi anodami –
elektrorafinacja)

Analogiczne reakcje zachodzą w przypadku srebra:

Ag = Ag

+

+ e (anoda)

Ag

+

+ e = Ag (katoda)

Dodając do siebie obie reakcje elektrodowe otrzymamy:

Ag

A

= Ag

K

Także w tym przypadku stosuje się napięcie 1 do 1,3 V potrzebne do pokonania oporów i
napięć na elektrodach.

4

3. Otrzymywanie proszków miedzi i srebra metodą elektrolizy (proces z rozpuszczalnymi
anodami – elektrorafinacja):

Elektrorafinacja srebra:

Skład elektrolitu:
koncentracja Ag - 60 g/l
koncentracja HNO

3

- 130 g/l

temperatura: 35 – 45

◦

C

Gęstość prądu:
- gęstość katody: 1000 – 2000 A/m

2

Metodą elektrolizy możliwe jest wytworzenie proszków większości metali, a otrzymany
materiał charakteryzuje się bardzo wysoką czystością i dobrymi własnościami (dobrą
formowalnością i aktywnie się spiekają).

Schemat procesu:

Teoretyczna masa miedzi (I Prawo Faraday’a):

m = k · I · t

m – teoretyczna masa miedzi [g], k – równoważnik chemiczny, I – natężenie prądu [A], t – czas procesu[s]

Wydajność procesu elektrorafinacji metali określa współczynnik wydajności prądowej:



Przy prawidłowo dobranych parametrach, sprawność metody jest większa od 70%.

Sprawozdanie:

Opisać proces otrzymywania proszków srebra i miedzi metodą elektrolizy.
Przedstawić schemat procesu (elektrolizera).
Obliczyć teoretyczną ilość srebra / miedzi, jaka powinna wydzielić się na katodzie.
Obliczyć wydajność elektrolizy w oparciu pomiar masy wydzielonego osadu katodowego lub
ubytku masy anody.

ANODA (+) KATODA (-) ANODA (+)