Akademia Górniczo-Hutnicza

Wydział Metali Nieżelaznych Kierunek metalurgia

metalurgia proszków

Laboratorium 1

Otrzymywanie proszków metali nieżelaznych: Cu w wyniku elektrolizy z roztworów wodnych

lista uczestników:

Damian Krupiński

Karol Krukowski

Bartosz Jakimko

Justyna Juszkiewicz

Kraków, 09 marca 2015

1 Wprowadzenie

Metody wytwarzania proszków

Mechaniczne:

- mielenie

- kruszenie

- rozbijanie

- obróbka skrawaniem

Fizykomechaniczne:

- rozpylanie

- granulacji

Fizyczne:

- odparowanie i kondensacja

Chemiczne:

- redukcja tlenków i innych związków

- dysocjacja tlenków i innych związków

- korozja międzykrystaliczna

- samorozpad

- hydrogenizacja

-dehydrogenizacja

Fizykochemiczne:

- redukcja metalotermiczna 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

• Mielenie przebiega w młynach kulowych, kulowo-udarowych, wibracyjnych, wirowo-udarowych lub kruszarkach. Otrzymany proszek jest drobnoziarnisty. Metodę tę stosuję się do rozdrabniania materiałów kruchych.

• Obróbka skrawaniem polega na piłowaniu, szlifowaniu i zdzieraniu. Metodę tę najczęściej stosuje się w produkcji proszków magnezu.

• Rozpylanie to rozbicie na krople strugi ciekłego metalu. Metodą tą wytwarza się najczęściej proszki żelaza, aluminium, stopów cynku, cyny i ołowiu.

• Metoda parowania i kondensacji dzieli się na dwa etapy. Pierwszy etap polega na przeprowadzeniu ciekłego metalu w stan gazowy, drugi na kondensacji par metalu na chłodzonych powierzchniach. Metodą tą wytwarza się m.in. cynk, kadm, magnez.

• Redukcja związków metali to wywołanie reakcji chemicznych prowadzących do uzyskania czystego metalu lub jego tlenku niższego rzędu.

• Synteza i dysocjacja karbonylków. W początkowym etapie związek chemiczny reaguje z tlenkiem węgla. Produktem reakcji jest karbonylek metalu w stanie gazowym. W drugiej fazie karbonylek ulega dysocjacji termicznej związanej z wydzielaniem czystego metalu i tlenku węgla powracającego ponownie do reakcji ze związkiem metalu. Metoda stosowana jest głównie do produkcji proszków niklu i żelaza. Jest kosztowna i niebezpieczna.

Otrzymywanie proszków miedzi metodą elektrolizy

W procesie tym jako elektrolit używany jest kwaśny roztwór siarczanu miedzi. Katoda wykonana jest w miedzi. Ze względu na rodzaj anody można wyróżnić dwa sposoby przeprowadzania procesu:

• Z zastosowaniem anody nierozpuszczalnej

• Z zastosowaniem anody rozpuszczalnej

Otrzymywanie proszków miedzi metodą elektrolizy z zastosowaniem anody nierozpuszczalnej

Anoda w tym procesie wykonana jest np. z ołowiu, grafitu, stali kwasoodpornych lub aluminium. W trakcie procesu anoda nie zmienia swojej masy. Źródłem jonów miedzi jest elektrolit. Po podłączeniu prądu kationy miedzi wędrują w okolice katody, gdzie następuje ich zobojętnienie, co prowadzi do osadzenia się proszku miedzi na katodzie. W tym samym czasie w okolicach anody następuje wydzielanie pęcherzyków tlenu, pochodzących z procesu utleniania wody.

Reakcje:

A(+): H₂O = 2H⁺ + 0,5 O₂ + 2e

K(-): Cu²⁺ + 2e = Cu

Sumaryczna reakcja chemiczna w elektrolizerze:

Cu²⁺ + H₂O = 2H⁺ + 0,5 O₂ + Cu

W oparciu o reakcję anodową można stwierdzić, że podczas przebiegu procesu zmienia się skład chemiczny elektrolitu.

Otrzymywanie proszków miedzi metodą elektrolizy z zastosowaniem anody rozpuszczalnej

Anoda w tym procesie wykonana jest z miedzi, jest ona jednocześnie źródłem jonów. Po podłączeniu prądu (napięcie 3V) następuje roztwarzanie anody w elektrolicie. Powstałe kationy miedzi przechodzą w okolice katody, gdzie następuje redukcja i osadzanie się proszku miedzi na elektrodzie.

Reakcje:

A(+): Cu= Cu²⁺ + 2e

K(-): Cu²⁺ + 2e = Cu

Sumarycznie:

Cu_A = Cu_K

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

Anoda w tym procesie wykonana jest ze srebra, jest ona równocześnie źródłem jonów. Po podłączeniu prądu (napięcie 1 do 1,3V) następuje roztwarzanie anody w elektrolicie. Elektrolit stanowi azotan srebra. Powstałe kationy srebra przechodzą w okolice katody, gdzie następuje redukcja i osadzanie się proszku srebra na elektrodzie.

Reakcje:

A(+): Ag= Ag⁺ + e

K(-): Ag⁺ + e = Ag

Sumarycznie:

Ag_A = Ag_K

_Katoda

Rys.1. Schemat elektrolizera

2. Przebieg ćwiczenia

Cel ćwiczenia: Celem ćwiczenia było zapoznanie się z procesem otrzymywania proszków miedzi i srebra w wyniku elektrolizy z roztworów wodnych.

Rys.2. Uproszczony schemat stanowiska badawczego (otrzymywanie proszku miedzi).

Podczas ćwiczenia przeprowadzaliśmy wytwarzanie proszku Cu metodą elektrorafinacji. Po podłączeniu układu ustawiliśmy natężenie prądu 2 A (przez 10 min). Zważyliśmy sączek wraz ze szkiełkiem zegarkowym. Ściągnęliśmy proszek miedzi z elektrody i przepłukaliśmy go, po czym sączek z osadem umieściliśmy na szkiełku zegarkowym i włożyliśmy do suszarki na 10-12 min w temperaturze 80°C. Po wysuszeniu osadu zważyliśmy go na wadze analitycznej.

Tab.2. Zestawienie pomiarów i obliczeń

Masa sączka i szkiełka zegarkowe [g]	36,699
Masa sączka i szkiełka zegarkowe i osadu [g]	36,988
Masa osadu [g]	0,2289
Teoretyczna masa uzyskanej miedzi [g]	0,384
Wydajność procesu [%]	72,5

Obliczenia teoretycznej masy miedzi, która powinna wydzielić się na katodzie.

A = 2πrl + πr²

A=0,000722m²

r- promień walca [m]

l-wysokość walca [m]

$j = \frac{I}{A}$ [$\frac{A}{m^{2}}$]

I = A * j

I= 0,000722* 4026

I= 2,9 [A]

j- gęstość prądowa [$\frac{A}{m^{2}}$]

I- natężenie prądu [A]

A- pole powierzchni [m²]

m = kIt

m_t1 = 0, 000332 * 2, 9 * 600

m_t1 = 0, 5777g

m_t2 = 0, 000332 * 2 * 600

m_t2 = 0, 3984g

$$k = \frac{M}{\text{zF}}$$

gdzie:

m – masa teoretyczna [g]

m_t1- masa teoretyczna w przemyśle

m_t2- masa teoretyczna w doświadczeniu

k – równoważnik elektrochemiczny

I – natężenie prądu [A]

t – czas [s]

M – masa atomowa

z – ilość wymienianych elektronów podczas elementarnej reakcji elektrodowej

F – stała Faraday’a

$$k = \frac{64}{2 \bullet 96500} = 0,000332$$

Obliczenia masy miedzi, która wydzieliła się na katodzie.

Masa uzyskanego proszku miedzi

m_u = 36, 988 − 36, 699 = 0, 289[g] −  masa uzyskanej miedzi

Obliczenia wydajności procesu elektrolizy.

$$\eta = \ \frac{m_{u}}{m_{t}}\ \bullet 100\%$$

$$\eta = \ \frac{0,289}{0,3984}\ \bullet 100\% = 72,5\% - wydajnosc\ procesu\ elektrolizy$$

2. Wnioski

W trakcie ćwiczeń otrzymaliśmy proszek miedzi oraz srebra. Podczas procesu elektrolizy CuSO₄ wydzielał się wodór, a proszek miedzi osadzał się na katodzie. Po przepłukaniu i osuszeniu obydwu osadów mogliśmy stwierdzić, że ilość miedzi oceniona optycznie jest większa niż srebra, czego nie potwierdziły wskazania wagi. Jest to spowodowane bardziej rozwiniętą strukturą miedzi (jest bardziej porowata). Dendryty miedzi w trakcie elektrolizy narastały na sobie globularnie tworząc owalne, zwarte wydzielenia. W przypadku srebra dendryty narastały jeden na drugim przez co bardzo łatwo odpadały od katody. Proszek miedzi to drobny pył barwy rudej. W proszku tym zauważyliśmy powstałe aglomeraty miedzi.

2. Literatura

1. Ciaś A., Pieczonka T., “Własności proszków metalicznych i ich badania”, Kraków, (1978);

2. Ciaś A., Frydrych H., Pieczonka T., “Zarys metalurgii proszków”, Warszawa. (1992).