ROK	Nr zespołu:	Lp.	Nazwisko	Imię	Sporządził/ła
III	IV	1	Szela	Rafał
GRUPA		2
		3
	Data: 08.04.2016	4

Ćwiczenie Nr 7

Temat ćwiczenia:

Wpływ gęstości prądu na postać osadów katodowych miedzi.

1. Wstęp teoretyczny:

Osady miedzi otrzymywane na drodze katodowego osadzania z kwaśnych roztworów siarczanowych mogą charakteryzować się różnorodną budową. W zależności od warunków prowadzenia elektrolizy uzyskuje się warstewki metaliczne lśniące, gładkie, zwarte, dobrze przylegające do podłoża lub osady luźne, gąbczaste, proszkowe o tak rozdrobnionym ziarnie, iż mają kolor czarny. Między tymi strukturami granicznymi występują stany pośrednie, o wielkości ziaren zmieniających się w szerokich granicach.

Metale osadzane elektrolitycznie posiadają zwykle strukturę krystaliczną (przy odpowiednio dobranym składzie roztworu można uzyskać strukturę amorficzną). Podstawowymi czynnikami, które wpływają na jakość osadów katodowych są: gęstość prądu, stężenie jonów metalu w kąpieli, temperatura, intensywność cyrkulacji roztworu i obecność substancji dodatkowych. Jeśli proces elektrolizy prowadzi się w stałych warunkach składu kąpieli, temperatury i mieszania, wówczas struktura wydzielanego metalu jest uzależniona od stosowanej gęstości prądu. Wzrost katodowej gęstości prądu prowadzi do tworzenia się warstewek coraz mniej zwartych, o coraz drobniejszym ziarnie, a w końcu osadów proszkowych.

W procesie tzw. elektrokrystalizacji można wyróżnić dwa etapy narastania warstwy metalicznej:

• tworzenie zarodków krystalizacji (nukleacja)

• wzrost kryształów

Oba etapy biegną z określonymi szybkościami. Jeśli szybkość nukleacji jest większa od szybkości wzrostu kryształów wówczas tworzą się osady drobnokrystaliczne lub proszkowe. Natomiast jeśli szybkość wzrostu kryształów jest większa od szybkości tworzenia się zarodków krystalizacji wówczas tworzą się zwarte warstewki grubokrystaliczne.

Szybkość zarodkowania zwiększa się ze wzrostem gęstości prądu, spadkiem stężenia jonów metalu przy granicy faz: katoda-elektrolit oraz wzrostem intensywności hamowania procesu (np. poprzez stosowanie związków kompleksujących, dodatków organicznych), którego miarą jest nadnapięcie (rys.7.1). Jeśli reakcja katodowa biegnie w obszarze aktywacyjnym (nadnapięcie aktywacyjne) wówczas powstają zwykle osady zwarte o strukturze kolumnowej i równoosiowe. W obszarze kontroli dyfuzyjnej tworzą się luźne osady dendrytyczne i proszki. Maksymalną szybkość zarodkowania osiąga się zatem w warunkach prądu granicznego (nadnapięcie dyfuzyjne) – w tych warunkach szybkość redukcji jonów osiąga najwyższą wartość, a stężenie jonów metalu przy powierzchni elektrody jest bliskie zeru. Należy zatem sądzić, iż proszki metaliczne można uzyskać na drodze elektrolizy gdy stosunek stosowanej gęstości prądu do gęstości prądu granicznego jest równy lub większy od jedności (i/igr ≥ 1).

1. Cel ćwiczenia:

Celem ćwiczenia jest określenie wpływu gęstości prądu i intensywności mieszania elektrolitu na strukturę osadów katodowych miedzi otrzymywanych z kwaśnego roztworu siarczanowego.

1. Przebieg ćwiczenia:

Podczas ćwiczenia należy jakościowo ocenić wpływ gęstości prądu i szybkości mieszania roztworu na postać osadu katodowego miedzi. Ćwiczenie obejmuje trzy etapy:

1. wyznaczenie katodowych krzywych polaryzacyjnych redukcji jonów Cu2+

2. otrzymywanie osadów miedzi w oparciu o warunki prądowe określone w etapie I osad zwarty, proszkowy, gąbczasty)

3. jakościowa ocena jakości otrzymanych osadów katodowych

   1. Blaszki ze stali nierdzewnej, które będą stanowić katodę w elektrolizerze, należy przeczyścić papierem ściernym, przepłukać wodą, alkoholem i wysuszyć w strumieniu ciepłego powietrza. Wyznaczyć pole powierzchni elektrody.

   2. Zestawić układ pomiarowy według schematu przedstawionego na rys.7.4. Elektrolizer ustawić na mieszadle magnetycznym. Elektrolizer i naczynko pośrednie oraz klucz elektrolityczny łączący oba naczynia należy napełnić kwaśnym roztworem siarczanu miedzi CuSO4. Klucz elektrolityczny łączący naczynko pośrednie ze zlewką, w której zanurzona jest elektroda NEK (w KClnas) należy napełnić nasyconym roztworem chlorku potasu KCl.

   3. Wyznaczyć katodowe krzywe polaryzacyjne1 przepuszczając przez katodę prąd o natężeniach podanych w tabeli 7.1. Wartości potencjału należy odczytać po upływie ok. 30s od momentu ustawienia danej wartości natężenia prądu. Uzyskane wyniki zanotować w Tabeli 7.1. Krzywe należy wyznaczyć w roztworze niemieszanym i mieszanym (2 szybkości rotacji mieszadła).

1. Uzyskane wyniki:

Pole powierzchni katody S = 0,087dm2

Natężenie prądu I, mA	Gęstość prądu i, A/dm2	Potencjał katody E, mV (NEK)	Potencjał katody E, mV (NEW)
		Bez mieszania	Z mieszaniem
0 40 60 80 100 120 140 160 180 200 220 240 260 280 300	0 0,45977 0,68966 0,91954 1,14943 1,37931 1,60920 1,83908 2,06807 2,29885 2,52874 2,75862 2,98851 3,21839 3,44828	+77 +60 +45 +21 -19 -49 -66 -85 -105 -132 -197 -252 -284 -376 -387	+74 +45 +5 -34 -56 -69 -77 -85 -97 -116 -133 -161 -191 -280 -312

Natężenie prądu I = 140 A Mieszanie: NIE

Czas t, min.	Potencjał katody E, mV (NEK)	Potencjał katody E, mV (NEW)	Charakterystyka osadu katodowego
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15	86 87 81 76 74 70 69 68 67 69 70 69 70 67 71 68	330 331 325 320 318 314 313 312 311 313 314 313 314 311 315 312

Charakterystyka osadu: Powstaje gruboziarnisty osad o miedzianym kolorze. Powstały osad jest zwarty.

Natężenie prądu I = 280 A Mieszanie: NIE

Czas t, min.	Potencjał katody E, mV (NEK)	Potencjał katody E, mV (NEW)	Charakterystyka osadu katodowego
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15	191 188 180 177 172 178 176 177 178 173 175 174 176 173 179 176	435 432 424 421 416 422 420 421 422 417 419 418 420 417 423 420

Charakterystyka osadu: Powstaje osad o średnich rozmiarach i miedzianym kolorze. Powstały osad jest proszkowy.

Natężenie prądu I = 391 A Mieszanie: NIE

Czas t, min.	Potencjał katody E, mV (NEK)	Potencjał katody E, mV (NEW)	Charakterystyka osadu katodowego
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15	351 343 314 302 278 272 269 274 272 268 273 270 271 269 264 266	595 587 558 546 522 516 513 518 516 512 517 514 515 513 508 510

Charakterystyka osadu: Powstaje bardzo drobnoziarnisty osad o miedzianym kolorze. Powstały osad jest gąbczasty.

Natężenie prądu I = 140 A Mieszanie: TAK

Czas t, min.	Potencjał katody E, mV (NEK)	Potencjał katody E, mV (NEW)	Charakterystyka osadu katodowego
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15	143 131 123 118 113 110 108 105 103 101 99 97 95 93 91 88	387 375 367 362 357 354 352 349 347 345 343 341 339 337 335 332

Charakterystyka osadu: Powstaje bardzo drobnoziarnisty osad o miedzianym kolorze. Powstały osad jest gąbczasty.

Natężenie prądu I = 280 A Mieszanie: TAK

Czas t, min.	Potencjał katody E, mV (NEK)	Potencjał katody E, mV (NEW)	Charakterystyka osadu katodowego
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15	605 545 474 452 437 362 315 284 263 242 229 203 191 163 149 128	849 789 718 696 681 606 559 528 507 486 473 447 435 407 393 372

Charakterystyka osadu: Powstaje ziarnisty osad o ziarnach większych niż bez mieszania i miedzianym kolorze. Powstały osad jest proszkowy.

Natężenie prądu I = 391 A Mieszanie: TAK

Czas t, min.	Potencjał katody E, mV (NEK)	Potencjał katody E, mV (NEW)	Charakterystyka osadu katodowego
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15	752 719 654 629 584 440 398 301 228 417 401 389 364 343 321 305	996 963 898 873 828 684 642 545 472 661 645 633 608 587 565 549

Charakterystyka osadu: Powstaje drobnoziarnisty osad o ziarnach większych niż bez mieszania i miedzianym kolorze. Powstały osad jest zwarty.

1. Obliczenia:

Potencjał elektrody kalomelowej względem NEW (w temp. 20 oC)

E0(NEK) = 241,5 – 0,76 x (t0 – 25) = 241,5 –0,76 x (20– 25) = 244 [mV]

ΔE=E₊‒E_-

E_-=E₊+ΔE

E_-=244+77

E_-=321 [mV]

1. Dyskusja nad wynikami:

Na podstawie uzyskanych wyników możemy wywnioskować że w różnych potencjałach powstają inne typy osadów katodowych. W wysokich wartościach potencjałów otrzymujemy osady gąbczaste. Przy wartościach średnich otrzymujemy osady proszkowe, a wartościach niskich otrzymujemy osady zwarte. Po dołączeniu do procesu mieszania możemy zauważyć, że przy tych samych wartościach potencjałów ziarna osadu staja się większe. Przy stałych wartościach napięcia podczas przeprowadzania elektrolizy różnica potencjałów maleje jak i również maleje wydajność procesu.

1. Wnioski:

Rodzaj osadu katodowego zależy od warunków prowadzenia procesu elektrolizy. Przy dużej gęstości katodowej prądu, powstaje bardzo luźny osad. Przy średnich wartościach gęstości katodowej prądu tworzą się osady gąbczaste. Dla małej gęstości katodowej prądu tworzą się osady lite. Przy zwiększeniu intensywności mieszania elektrolitu uzyskujemy gruboziarniste cząstki proszku. W miarę narastania osadu, zwiększa się powierzchnia katody, co powoduje zmniejszenie gęstości prądu a co za tym idzie zmniejszenie rożnicy potencjału podczas elektrolizy i obniżenie wydajności procesu.