Wydział: WYDZIAŁ METALI NIEŻELAZNYCH	Data wykonania : 06.05.2015
Kierunek: Metalurgia	ĆWICZENIE: 5
Temat: Kinetyka cementacji metali
Zespół nr: 2 Wykonała: Justyna Juszkiewicz	Ocena:

1. Wstęp teoretyczny

Cementacja jest to proces wypierania z roztworu jonów jednego metalu przez drugi, przy czym pierwszy z nich przechodzi ze stanu jonowego w metaliczny, a drugi z metalicznego w jonowy.

z₂ Me₁^z1+ + z₁ Me₂ → z₂ Me₁ + z₁ Me₂^z2+

W ćwiczeniu omawiany jest proces wypierania jonów miedzi z roztworu siarczanu cynkowego :

Cu²⁺ +  Zn → Cu + Zn²⁺

Reakcja anodowa: Zn → Zn²⁺ + 2e

Reakcja katodowa: Cu²⁺ →+ 2e Cu

Przez cementację można usunąć zanieczyszczenia bardziej elektrododatnie niż metal podstawowy, przy czym najczęściej cementację prowadzi się metalem podstawowym. Wynika z tego, że każdy metal bardziej elektroujemny powinien wypierać z roztworu jony metali bardziej elektrododatnie.

Ogólny schemat procesu cementacji jonów metalu bardziej szlachetnego (M^m+) na podkładce z metalu mniej szlachetnego (N)

Jeżeli metal wypierający stosowany jest w nadmiarze, to proces będzie przebiegał do wyrównania potencjałów termodynamicznych lub, co jest równoznaczne, do wyrównania potencjałów elektrochemicznych.

Proces cementacji biegnie na granicy faz : ciało stałe - ciecz. Można wyróżnić w nim trzy etapy:

1. transport jonów metalu wytracanego do powierzchni metalu aktywnego

2. reakcja elektrochemiczna

3. transport jonów metalu wytracającego do wnętrza roztworu

Na szybkość cementacji wpływa:

• Odległość między metalami w szeregu napięciowym (różnica potencjałów normalnych)

• Temperatura i pH roztworu

• Czystość metalu którym cementujemy

• Mieszanie

• Powierzchnia metalu cementującego

1. Cel ćwiczenia

Celem ćwiczenia jest określenie etapu powolnego cementacji miedzi cynkiem z kwaśnego roztworu siarczanowego na podstawie badania wpływu intensywności mieszania na szybkość wytrącania miedzi.

1. Wykonanie ćwiczenia

Taśmę cynkową (wytrawioną wcześniej w kwasie azotowym i dokładnie opłukaną wodą) umieszczamy w zlewce o objętości 1 dm³ i kładziemy na mieszadle magnetycznym.

Oznaczamy początkowe stężenie jonów miedzi w roztworze. Zawartość miedzi w próbkach oznaczamy zawsze metodą miareczkowania jodometrycznego.

Do zlewki wlewamy 800 cm³ kwaśnego roztworu siarczanu miedzi CuSO4, uruchomiamy mieszadło i rozpoczynamy pomiar czasu. W odpowiednich odstępach czasu pobieramy próbki elektrolitu o objętości 10 cm³. Próbki nie mogą zawierać wycementowanego proszku miedzi metalicznej. Wyniki oznaczeń notujemy w tabeli.

Wykonujemy trzy serie pomiarowe dla trzech szybkości mieszania stosując nowe porcje elektrolitu i wytrawioną taśmę cynkową.

Oznaczanie stężenia jonów Cu²⁺ na drodze miareczkowania jodometrycznego.

Pobieramy 10 cm³ próbki elektrolitu i dodajemy do niego kilka kropel roztworu amoniaku NH₃, roztwór barwi się na granatowo. Następnie zobojętniamy roztwór 2 M roztworem kwasu octowego CH₃COOH.Kiedy nastąpi zmiana zabarwienia z granatowego na niebieskie dodajemy stały jodek potasu KI. Dodajemy go aż do uzyskania klarownego roztworu o intensywnie brązowej barwie. Tak przygotowaną próbkę miareczkujemy 0,1 M roztworem tiosiarczanu sodu Na2S2O3 aż do otrzymania słomkowo - żółtej barwy. Następnie dodajemy do próbki kilka kropel roztworu skrobi by miareczkowany roztwór zabarwił się na czarno lub granatowo. Miareczkowanie kontynuujemy do całkowitego odbarwienia roztworu.

1. Tabela wyników i obliczenia

Szybkość mieszania ω, obr/min	Numer próbki	Czas	Objętość Na2S2O3 ν Na2S2O3, cm^3	Objętość elektrolitu νE, cm^3	Masa Cu^2+ w elektrolicie m, g	log(m/m0)	A'
		t, min	zegarek
100	1	0	0,00	24,2	800	12,2936	0
	2	5	5,00	22,9	790	11,487785	-0,0294428
	3	15	15,00	22,5	780	11,14425	-0,0426282
	4	25	25,00	21,5	770	10,512425	-0,0679762
	5	35	35,00	19,5	760	9,4107	-0,1160571
	6	60	60,00	15,3	750	7,286625	-0,2271527
300	1	0	0,00	24,1	800	12,2428	0
	2	5	5,00	22,0	790	11,0363	-0,0450573
	3	15	15,00	18,0	780	8,9154	-0,1377399
	4	25	25,00	16,1	770	7,872095	-0,1917904
	5	35	35,00	15,1	760	7,28726	-0,2253165
	6	60	60,00	14,8	750	7,0485	-0,2397841
500	1	0	0,00	23	800	11,684	0
	2	1	1,00	21,6	790	10,83564	-0,032737
	3	3	3,00	20,8	780	10,30224	-0,0546599
	4	5	5,00	19,1	770	9,338945	-0,0972937
	5	10	10,00	16,8	760	8,10768	-0,1586949
	6	20	20,00	10,1	750	4,810125	-0,3854352
	7	30	30,00	3,9	740	1,83261	-0,8045215
Temperatura	T	19,9	°C
Objętość próbek	Vp	10	cm^3
Masa molowa miedzi	MCu	63,5	g/mol
Stężenie Na2S2O3	cNa2S2O3	0,1	mol/dm^3

Obliczenie masy Cu²⁺ w elektrolicie

$$m = \frac{c_{Na2S2O3} \bullet v_{Na2S2O3} \bullet v_{E} \bullet M_{\text{Cu}}}{1000 \bullet v_{P}}$$

gdzie:

c _Na2S2O3 – stężenie roztworu Na₂S₂O₃ [mol/dm³]

v _Na2S2O3 – objętość roztworu Na₂S₂O₃ zużytego na miareczkowanie [cm³]

vE – objętość elektrolitu, w którym biegnie proces cementacji [cm³]

MCu – masa molowa miedzi [g/mol]

vP – objętość próbki elektrolitu pobranej do miareczkowania [cm³]

Przykładowe obliczenia:

• Obliczenia dla próbki nr 1 przy szybkości mieszania 100 obr/min:

$$C_{\text{Na}_{2}S_{2}O_{3}} = 0,1\ \lbrack\frac{\text{mol}}{\text{dm}^{3}}\rbrack$$

V_Na2S2O3 = 24, 2 [cm³]

V_e = 800 [cm³]

$$M_{\text{Cu}} = 63,5\ \lbrack\frac{g}{\text{mol}}\rbrack$$

V_p = 10[cm³]

$$m = \frac{0,1 \bullet 24,2 \bullet 800 \bullet 63,5}{1000 \bullet 10} = \mathbf{12,2936}\mathbf{\ \ \lbrack g\rbrack}$$

• Obliczenia dla próbki nr 2 przy szybkości mieszania 100 obr/min:

$$\ \ \ \ \ \ \ \ m = \frac{0,1 \bullet 22,9 \bullet 790 \bullet 63,5}{1000 \bullet 10} = \mathbf{11,487785}\mathbf{\lbrack g\rbrack}$$

• Obliczam $\log\frac{m}{m_{0}}$ dla powyższych danych

$$\log\frac{m}{m_{0}} = \frac{11,487785}{12,2936} = \mathbf{- 0,0294428}$$

• Wyznaczam graficznie wartość stałej A’ dla czasu pomiaru t=60 [min] i ω=100 [obr./min]:

A^′ = 0, 0037

Stała A została odczytana ze współczynnika kierunkowego prostej wykresu $\log\left( \frac{m}{m_{0}} \right) = f(t)$.

1. Wykresy

2. Dyskusja wyników

Analizując wykres zależności masy jonów miedzi znajdujących się w elektrolicie od czasu przeprowadzania procesu możemy zauważyć, iż ilość jonów Cu²⁺ zmniejsza się wraz z upływem czasu. Należy jednak zauważyć , że przy niskiej prędkości mieszania (100 obr./ min) proces cementacji zachodził prawie tak samo jak przy średniej prędkości mieszania (300 obr./min). Bardzo prawdopodobne jest w takim przypadku wystąpienie błędu w postaci niedokładnego pomiaru czasu, błędów podczas miareczkowania bądź nieprecyzyjnym przefiltrowaniem próbki. Istnieje także możliwość, ze różnica miedzy tymi prędkościami była tak nieduża, że aż nieznaczna dla tego procesu. Dla największej prędkości mieszania (500 obr./min) proces cementacji zachodzi stanowczo szybciej niż dla niskiej i średniej wartości. Można wiec wywnioskować, że wraz ze wzrostem prędkości mieszania, maleje grubość warstwy dyfuzyjnej, co ma wpływ na przyspieszenie procesu.

Wyznaczając linie trendu na wykresach log(m/m₀) od czasu dla trzech szybkości mieszania, możemy odczytać współczynniki kierunkowe tych prostych. Dla szybkości mieszania 100 obr./ min oraz 300 obr./min współczynnik A’ równy jest 0,0037. Wynika to z tego, że w przypadku tych dwóch prędkości proces zachodził bardzo podobnie. Przedstawiając zależność stałej A’ od szybkości mieszania widzimy wyraźnie, że stała ta rośnie wraz ze wzrostem szybkości mieszania.

1. Wnioski

Proces cementacji, to jeden ze sposobów wydzielania metali z roztworów wodnych. Opiera on się na wytrącaniu jonów metalu bardziej szlachetnego przez metal mniej szlachetny z roztworu soli metalu bardziej szlachetnego. Aby przeprowadzić proces cementacji muszą zaistnieć odpowiednie warunki. Do podstawowych należy warunek termodynamiczny. Przeprowadzenie procesu jest możliwe i ekonomiczne gdy reakcja jest reakcją samorzutną, czyli ∆G <0, a co z tym się wiąże, gdy mamy dostatecznie dużą różnicę potencjałów elektrodowych dwóch metali.

• prędkość mieszania ma wpływ na szybkość reakcji;

• etapem powolnym reakcji jest dyfuzja, ponieważ zastosowanie mieszania ma wpływ na ilość wydzielonej miedzi z roztworu;

• prędkość mieszania ma wpływ na grubość warstwy dyfuzyjnej;

• im mniejsza jest warstwa dyfuzyjna tym współczynnik A’ jest większy ,a proces cementacji zachodzi szybciej.

$$A = \ \frac{\text{DS}}{2,303V\delta}$$

1. Bibliografia

1. „http://www.chfie.agh.edu.pl/hydro/5.pdf”