Wydział: Mechaniczny	Ćwiczenia laboratoryjne z chemii	Grupa:B3
Semestr: III Kierunek: mgr	Ćwiczenie nr: 5 Wyznaczanie wydajności prądowej procesu elektrolizy oraz grubość powłoki galwanicznej	Zespół:2 Borysławski Łukasz Jędrzejewski Mariusz Kiraga Paweł

1. Wstęp teoretyczny

Przemiany chemiczne zachodzące w przewodniku elektrolitycznym związane z przepływem prądu i zobojętnianiem jonów na elektrodach nazywamy elektrolizą. Podczas elektrolizy zachodzi trwały rozpad elektrolitu pod wpływem prądu.

Elektroliza stanowi najprostszy i najsilniejszy układ utleniająco-redukujący. Reduktorem jest katoda, gdyż dostarcza elektrony -kationy, które się redukują. Utleniaczem jest anoda, gdyż elektrony, które przez to się deelektrolizują czyli utleniają.

Pierwsze prawo Faradaya (pierwsze prawo elektrolizy)

Masa M substancji wydzielonej na elektrodzie jest wprost proporcjonalna do ładunku elektrycznego Q, jaki przepłynął przez elektrolit, czyli:

M= k*Q =k*l*t

Jeżeli przez elektrolit w ciągu czasu t płynął prąd stały o natężeniu I.

Stała Faraday'a=96500

Współczynnik proporcjonalności k nazywamy równoważnikiem elektrochemicznym danej substancji. Jest on liczbowo związany równy masie substancji, jaka wydziela się na elektrodzie na skutek przepływu przez elektrolit jednostkowego ładunku elektrycznego. Współczynnik k zależy od chemicznej natury danej substancji.

Drugie prawo Faradaya (drugie prawo elektrolizy)

Stosunek równoważników elektrochemicznych różnych substancji jest równy stosunkowi ich równoważników chemicznych k_x (gramorównoważników) tj.:

Równoważnik elektrochemiczny jest masą substancji jaką wydzieli w czasie elektrolizy ładunek jednego Kulomba.

Wydajność prądowa
% jest to stosunek masy m₁ substancji pożądanej otrzymywanej w wyniku elektrolizy rzeczywiście do jej ilości m przewidywanej teoretycznie

Im mniej szlachetny jest metal odkładający się na katodzie tym więcej wydziela się wodoru. Zatem wydajność prądowa jest ściśle związana z położeniem metalu w szeregu napięciowym.

Powłoki galwaniczne

Wytwarzanie powłok galwanicznych jest domeną galwanostegii, będącej najważniejszym działem galwanotechniki. Do powłok tej grupy należą powłoki nakładane z kąpieli galwanicznej lub przy zastosowaniu zewnętrznego źródła prądu. Grubość jedno- lub wielowarstwowych powłok może przekraczać nawet 50 µm. Pojęcie powłok galwanicznych obejmuje następujące grupy powłok:

Powłoki elektrolityczne

Powłoka elektrolityczna jest powloką metalową nałożoną w procesie elektrolitycznym przy zastosowaniu zewnętrznego źródła prądu. Powłoki te dzielą się na:

- kąpielowe- nanoszone na przedmioty zanurzane w wannach z elektrolitem; przedmioty pokrywane metalem połączone z ujemnym biegunem źródła prądu tworzą katodę, natomiast anodę stanowią płyty z metalu odkładanego, uzupełniające ubytek metalu w elektrolicie, lub z materiałów nierozpuszczalnych (ołów, grafit)- wtedy ubytek metalu z elektrolitu uzupełnia się przez dodawanie odpowiednich soli. W ten sposób jest wytwarzana przeważające ilość powłok, w Polsce niemal 100%

- tamponowe- nanoszone miejscowo na wybrane fragmenty przedmiotu tworzącego jedną elektrodę za pomocą nasączonego elektrolitem tamponu lub szczotki pozostających w kontakcie z drugą elektrodą

Jakość powłok elektrolitycznych (szczelność, wielkość kryształów, twardość) oraz szybkość odkładania zależą od rodzaju elektrolitu, jego stężenia, temperatury oraz od gęstości prądu.

Powłoki chemiczne (bezprądowe)

Są to powłoki metalowe uzyskiwane w wyniku reakcji chemicznej bez udziału prądu elektrycznego doprowadzanego z zewnątrz. W zależności od mechanizmu reakcji można je uzyskać przez:

-wymianę: metal mniej szlachetny (bardziej elektroujemny) wypiera z roztworu metale bardziej szlachetne (bardziej elektrododatnie) np. przedmiot stalowy zanurzony w roztworze siarczanu miedziowego pokrywa się miedzią, proces zachodzi tylko od momentu pokrycia powłoką całego przedmiotu (od momentu, gdy zachodzi syk kąpieli z podłożem przedmiotu), w związku z czym uzyskuje się tylko powłoki bardzo cienkie 0,02-0,5µm, które mogą być stosowane głównie jako dekoracyjne i niekiedy techniczne.

- kontakt; metal bardziej szlachetny (anoda) osadza się na powierzchni metalu mniej szlachetnego (katoda) w roztworze, w wyniku stykania się przedmiotu pokrywanego z metalem kontaktowym. Powłoki katodowe są znacznie grubsze niż uzyskiwane przez wymianę, ich grubość wynosi 1-2µm i dobrze nadają się do pokrywania części drobnych

- redukcję (chemiczną): pierwiastek metaliczny z postaci jonowej (z roztworu) przechodzi do postaci wolnej (metalicznej) wskutek przyłączenia do jonu odpowiedniej liczby elektronów od substancji zdolnej do oddawania elektronów (elektronodawczej), zwanej reduktorem(zwykle jest nim związek organiczny). W roztworze rzadziej znajdują się sole proste, a częściej związki kompleksowe metalu jakim pokrywa się podłoże wyrobu. Redukcja rozpoczyna się w momencie dodania reduktora do kąpieli i przebiega e całej masie roztworu, z czego tylko niewielka część osadza się jako powłoka na podłożu. Dlatego jest to metoda mało ekonomiczna. Jest stosowana głównie w przypadkach, gdy inne metody, głównie elektrolityczna, zawodzą.

Częściej stosowane jest pistoletowe natryskiwanie roztworu niż zanurzanie w roztworze. Odmianą redukcji chemicznej jest pokrywanie katalityczne zachodzące w przypadku, gdy kąpiel (przygotowana za związku kompleksowego i reduktora) zetknie się z katalizatorem, którym może być (ale nie musi) podłoże metalowe przedmiotu pokrywanego; reakcję redukcji musi natomiast katalizować metal osadzany- występuje wtedy autokataliza i następuje osadzanie powłoki aż do żądanej grubości. Reakcja redukcji przebiega tylko na powierzchni katalizującej.

Powłoki konwersyjne

Są to powłoki niemetalowe wytwarzane na powierzchni metalu w postaci związków metali podłoża, np. powłoki chromianowe na cynku, kadmie, srebrze lub powłoki tlenkowe na stali i aluminium. Można je podzielić na:

- chemiczne- gdy powłoka powstaje przy zwykłym zanurzeniu metalu w roztworze (tzw. Oksydowanie), np. powłoki tlenowe na aluminium i jego stopach, stali, miedzi i jej stopach.

-elektrochemiczne (anodowe)- gdy procesem kieruje prąd elektryczny przepływający przez elektrolizer, a metal pokrywany stanowi anodę (tzw. Oksydowanie anodowe lub anodyzowanie), np. powłoki tlenkowe na aluminium i jego stopach, stali, miedzi i jej stopach, cynku, kadmie.

Powłoki konwersyjne są to głównie powłoki ochronne, stosowane również jako podwarstwy rzadziej jako powłoki techniczne (głównie technologiczne) i dekoracyjne przez uzyskiwanie efektów barwnych (głównie barwienie aluminium lub elektrolityczne platynowanie miedzi). Najczęściej stosowane grubości powłok konwersyjnych wynoszą kilka do kilkudziesięciu µm.

Sposoby ochrony metali przed korozją.

Zastosowanie właściwych materiałów do danego środowiska. Zastosowanie powłok ochronnych takich jak:

- powłoki lakiernicze

- powłoki z tworzy sztucznych

- powłoki galwaniczne

2. Opracowanie wyników.

- natężenie prądu elektrolizy I = 0,6 A

- czas elektrolizy t = 30 min

- początkowa masa płytki m₁ = 41,216 g

- końcowa masa płytki m₂ = 41,789 g

- przyrost masy powłoki
m = 0,573 g

- powierzchnia powłoki miedzianej S = 158,4 cm²

I[A]	U[V]	t[min]
0,885	0,78	0
0,89		1
0,894		2
0,898		3
0,901		4
0,904	0,72	5
0,907		6
0,909		7
0,911		8
0,914		9
0,916	0,71	10
0,917		11
0,920		12
0,922		13
0,923		14
0,926	0,71	15
0,926		16
0,927		17
0,93		18
0,93		19
0,932	0,7	20
0,933		21
0,933		22
0,934		23
0,936		24
0,937	0,7	25
0,937		26
0,937		27
0,938		28
0,940		29
0,939	0,7	30

Obliczamy średnią grubość powłoki miedzianej ze wzoru:

gdzie:

x- grubość powłoki miedzianej w µm

S- powierzchnia nałożonej powłoki w cm²

d- gęstość powłoki miedzianej d= 8,92 g/cm³

10⁴- współczynnik przeliczeniowy (z cm na µm)

x = 4,05 µm

Obliczamy wydajność prądową elektrolizy:

gdzie:

η- wydajność prądowa

k- równoważnik elektrochemiczny dla Cu²⁺ k_Cu = 0,0196 g/A* min

η = 1,39

Obliczamy zużycie energii elektrycznej

Z = 0,00013 kWh/dm²

Otrzymana powłoka miedziana była matowa i miała słabą przyczepność. Powłokę można było łatwo zdjąć z płytki.

3, Wnioski.

Po przeprowadzeniu ćwiczenia jesteśmy w stanie określić grubość otrzymanej powłoki, a także wyliczyć zużycie prądu potrzebnego do wytworzenia tej powłoki.

---