Wojciech Klimek Ćw. 10 Anodowanie Aluminium

III rok Metalurgia Data wykonania 29.10.2012

Gr. II, zespół VII Data oddania sprawozdania 12.11.2012

I. Wstęp teoretyczny

Elektroliza – całokształt zjawisk (szereg reakcji utleniania i redukcji) wywołanych przepływem prądu elektrycznego przez roztwory elektrolitów lub ich formę stopioną. Elektroliza jest procesem wymuszonym napięciem przyłożonym z zewnątrz.

Aluminium należy do grupy metali nieżelaznych, dzięki swoim właściwościom jest często wykorzystywany w przemyśle. Glin ma wysokie powinowactwo do tlenu i jest bardzo odporny na działanie korozyjne wielu składników chemicznych. Tą odporność zawdzięcza swojej warstewce tlenkowej, która tworzy się w sposób naturalny, są też różne technologie otrzymywania takich powłok o określonych właściwościach. Podczas anodowego utleniania aluminium otrzymujemy powłoki konwersyjne, czyli takie które posiadają wysoka twardość, przyczepność do podłoża i odporność na ścieranie w słabo agresywnym środowisku.

Reakcje elektrodowe podczas anodowania aluminium:

Anoda Al Al³⁺ + 3e

Katoda 2H⁺ + 2e H₂

Tlenek tworzy się w reakcji jonów Al³⁺ z jonami O^2-

O^2- powstaje z reakcji H₂O 2H⁺ + O^2-

W pierwszym etapie procesu anodowania aluminium powstaje cienka warstwa tlenku glinu (warstwa barierowa), która zmienia się w warstwę porowatą. Warstwa zaporowa tworzy się na skutek migracji jonów Al³⁺ w polu elektrycznym i ich reakcji z jonami O^2- lub OH^- z wytworzeniem bezwodnego Al₂O₃. Powoduje to wzrost oporu elektrycznego. Z drugiej strony, objętość tworzącego się tlenku jest większa niż metalu i stąd powstają naprężenia rozciągające wewnątrz warstwy tlenkowej, w wyniku czego następują pęknięcia w warstwie barierowej. Jest to głównym czynnikiem sprzyjającym formowaniu się porów, przez które następuje penetracja elektrolitu od strony zewnętrznej utworzonej warstewki. Wnętrza porów są obszarami, do których jest możliwy dostęp elektrolitu, co w konsekwencji prowadzi do powstania uwodnionego tlenku glinu, który ma charakter koloidalny o wysokim przewodnictwie elektrycznym. Na dnie porów konkurują ze sobą dwa procesy: tworzenie warstewki tlenkowej i roztwarzanie jej przez elektrolit. Przykładowo, warstewka tlenkowa w kontakcie z roztworem kwasu siarkowego ulega częściowemu roztworzeniu wg równania:

Al₂O₃ + 3H₂SO₄ > Al₂(SO₄)₃ + 3H₂O

II. Cel ćwiczenia

Celem ćwiczenia było sprawdzenie jak szybko powstaje i jak gruba jest warstewka tlenkowa na blaszce aluminium w procesie anodowania aluminium w elektrolizerze w zależności od gęstości prądu i stężenia elektrolitu. Poddanie trzech próbek barwieniu w różnych odczynnikach.

III. Wykonanie

1. podpięcie układu pomiarowego według schematu zawartego w instrukcji

2.wykorzystanie dwóch płytek ołowianych jako katody, jednej płytki aluminiowej jako anody(wcześniej zważona, zmierzona i oczyszczona)

3.pierwsza faza ćwiczenia to 3 pomiary w stałym elektrolicie (10% kwas siarkowy IV) o rożnych gęstościach prądu 1,2 i 3 A/dm², po każdym procesie wymiana elektrolitu, suszenie i ważenie anody, czas pomiaru 15 min dla wszystkich prób

4.kolejna część jak wyżej tylko stała gęstość prądu 1 A/dm² a różne stężenia kwasu ( 10%,15%,20%)

5. ostatni etap to barwienie trzech próbek jak tabeli tylko w stałej temperaturze

IV. Wyniki

Nr.	Masa początkowa anody [g]	Powierzchnia anody [cm^2]	Gęstość prądu [A/dm^2]	Stężenie kwasu [%]	Czas [min]	Masa końcowa anody[g]	Delta m
1	7,2792	28,38	1	10	15	7,2921	0,0129
2	7,0008	28,45	2	10	15	7,0245	0,0237
3	6,9836	29,24	3	10	15	7,0378	0,0542
4	7,1001	28,62	1	10	15	7,1085	0,0084
5	7,2183	28,54	1	15	15	7,2278	0,0095
6	7,2792	28,38	1	20	15	7,2921	0,0129

Nr.	z prawa Faradaya	AL2O3 m2 z prawa Faradaya	Al2O3 m3 rozpuszczone	Al2O3 w powłoce	y1 [g/cm-^2]	y2 μm	Wydajność procesu [%]
1	0,0839	0,1585	0,0617	0,0968	0,0034	11,0000	61,06
2	0,1678	0,3170	0,1255	0,1915	0,0067	21,7077	60,40
3	0,2516	0,4755	0,1696	0,3058	0,0105	33,7393	64,32
4	0,0839	0,1585	0,0662	0,0923	0,0032	10,4005	58,22
5	0,0839	0,1585	0,0651	0,0934	0,0033	10,5540	58,92
6	0,0839	0,1585	0,0617	0,0968	0,0034	11,0000	61,06

V. Obliczenia

Wszystkie przykłady obliczeniowe wykonane są dla pierwszego procesu

1. masa roztworzonego glinu wynikająca z Prawa Faradaya

(26,98/(3*96500))*1*15*60 = 0,083875648 [g]

2.masa tlenku glinu wynikająca z Prawa Faradaya

0,083875648*( 101,96/(2*26,98)) = 0,158487047 [g]

3.masa roztworzonego tlenku glinu

0,0129-0,0839+0,1585=0,0617[g]

4.masa tlenku pozostającego na powierzchni próbki

0,1585-0,0617=0,0968[g]

5.grubość warstwy tlenkowej

y₁=0,0968/28,38=0,0034[g/cm²]

y₂=[0,0968/(28,38*3,1)]*10⁴=11[μm]

6.wydajność procesu

Ƞ=(0,0968/0,1585)*100=61,06[%]

VI. Wykresy

VII. Wnioski

Wraz ze wzrostem gęstości prądu następuje wprost proporcjonalny wzrost masy Al. które przechodzi w tlenek (wynikający z prawa Faradaya). Natomiast praktyczna ilość tlenku w powłoce rośnie także liniowo ale wolniej ponieważ równocześnie następuje jego roztwarzanie przez elektrolit które również zwiększa się wraz ze wzrostem gęstości prądu. Wzrost stężenia H₂SO₄ nie zmienia teoretycznej masy tlenku w powłoce natomiast w praktyce zwiększa szybkość roztwarzania tlenku przez elektrolit i niewielki jej spadek. Wzrost grubości warstwy tlenkowej jest proporcjonalny do gęstości prądu. Wraz ze wzrostem gęstości prądu wzrasta wydajność. Wszelkie nieścisłości w uzyskanych wynikach spowodowane są błędami pomiarowymi .