Исследование рассеивающей способности электролитов

Цель части III практикума – изучение распределения тока и металла в щелевой ячейке Молера, расчет рассеивающей способности электролитов по току, по металлу из данных по распределению тока и металла и расчет показателя рассеивающей способности электролита по току из поляризационных кривых и удельной электропроводности данного электролита.

Свойства и качество электрохимических покрытий определяются не только структурой, но и равномерностью распределения металла по толщине на поверхности покрываемых изделий.

Толщина электрохимических покрытий d, зависит от плотности тока i_k, продолжительности электролиза t и может быть вычислена с учетом выхода металла по току ВТ и электрохимического эквивалента q_i по формуле:

, где ¡ - плотность осаждаемого металла

Расчет по формуле дает представление лишь о средней толщине покрытия. На практике ток распределяется на поверхности электрода неравномерно, особенно при нанесении покрытии на изделия сложного профиля. Поэтому фактическая плотность тока и толщина покрытия на различных участках катода различны: на одних больше среднего значения, на других – меньше.

Это может отрицательно сказаться на коррозионных, защитных, механических и других свойствах покрытия, поскольку на отдельных участках его толщина может быть меньше минимально допустимой. В некоторых же случаях из-за неравномерного распределения тока вообще не удается получить сплошного покрытия, например, при нанесении покрытий на сложно профилированные изделия, имеющие малый диаметр отверстия, узкие углубления и т.д.

Распределение тока и металла по поверхности катода зависит от:

- геометрических факторов – размера и формы электродов и ванны, взаимного расположения анодов и катодов относительно друг друга и стенок ванны;

- от электрохимических факторов – удельной электропроводимости электролита – χ и поляризуемости электрода (½dE/di½= ½DE/Di½- отношения приращения потенциала при соответствующем изменении плотности тока) а также от вида зависимости выхода по току металла от плотности тока.

Различают первичное и вторичное распределение тока. Под первичным подразумевают такое распределение тока, которое зависит только от геометрических параметров и является наименее равномерным. Характерная особенность первичного распределения тока – его независимость от абсолютных геометрических размеров ванны. Оно одинаково для геометрически подобных систем любого масштаба.

Вторичное, или действительное, распределение тока отклоняется от первичного, как правило, в сторону большей равномерности. Оно зависит от поляризуемости катода ½dE/di½≈ ½DE/Di½, удельной электропроводимости раствора - χ и геометрических факторов.

Уравнение вторичного распределения тока имеет вид:

,

где – показатель рассеивающей способности потоку, который отражает влияние электрохимических факторов.

l_д, Dl и l_б – геометрические факторы.

1) Если << l_б, то , то распределение тока зависит только от геометрических параметров; РС электролита – плохая.

2) Если >>l_б, то - распределение тока будет хорошее, рассеивающая способность электролита – хорошая.

Если показатель рассеивающей способности R – большая величина, то дробь стремится к нулю, и i_б/i_д »1, то есть токи и толщина покрытия на дальнем и ближнем участках катода равны и РС электролита максимальна.

Рис. 1. Зависимость плотности тока от потенциала осаждения металла

Для 1-ой кривой ток больше на ближнем катоде.

Для 2-ой кривой очень маленькая разность между i_б и i_д; РС - хорошая.

Рис. 2. Зависимость плотности тока от потенциала осаждения металла

, для 2-ой кривой поляризуемость больше, следовательно РС лучше.

если æ₁ ≈ æ₂, то РС₁<РС₂

Рассеивающая способность электролита (РС) – это способность электролита давать равномерные по толщине покрытия на деталях сложного профиля или способность электролита изменять первичное распределение тока.

Поляризуемость – отношение изменения потенциала к изменению плотности тока или тангенс угла наклона поляризационной кривой.

Чем больше æ, тем лучше РС, но могут быть случаи, когда факторы, увеличивающие æ будут в большей степени снижать поляризуемость электрода, тогда влияние этих факторов будет отрицательным, и РС ухудшится.

Влияние анодной поляризации: если анод (An) близко расположен к катоду (Кt) и поляризация на An будет различна, в этом случае анодная поляризация будет оказывать влияние на РС.

При больших расстояниях между An и Kt анодная поляризация на РС электролита не влияет.

Рассеивающая способность по металлу (РС_м) – это отношение привеса металла на ближнем Kt к привесу металла на дальнем Kt

Распределение по току может не совпадать с распределением по металлу, поскольку вносит свой вклад ВТ металла в соответствии с уравнением:

Поскольку ВТ зависит от плотности тока, а на различных участках катода реализуются различные плотности тока, то и ВТ на различных участках поверхности тоже различный.

Рис.3. Зависимость ВТ от катодной плотности тока i_k

На рис.3 приведены различные типы зависимости ВТ от катодной плотности тока, которые могут встречаться на практике.

Более правильно сравнивать и

I случай: ВТ не изменяется с ростом i_k, то есть ВТ_б=ВТ_д

® распределение по металлу совпадает с распределением по току РС_т»РС_м

II случай: ВТ уменьшается с увеличением плотности тока ВТ _б<ВТ_д

Распределение Ме будет лучше, чем распределение тока РС_м>РС_т

III случай: С увеличением плотности тока (i_k) выход по току растет ВТ _б>ВТ_д

При этом распределение Ме будет хуже, чем распределение тока РС_т<РС_м

На практике часто не удается получать хорошее распределение Ме, тогда используют дополнительные аноды (для специальных целей – экраны – токопроводящие и токонепроводящие).

Чем больше расстояние между Kt и An, тем лучше РС.

Рассеивающая способность электролита рассчитывается по уравнению:

, где

a_n - (i_п/i_ср) – первичное распределение тока;

b_n- (i_n/i_ср) – вторичное (экспериментальное) распределение тока при расчете рассеивающей способности электролита по току (РС_т);

b_n=Dm/Dm_ср – распределение металла при расчете рассеивающей способности электролита по металлу (РС_м)

Методика проведения работы

Наиболее удобна для определения рассеивающей способности электролита щелевая ячейка Молера с пятисекционным катодом.

Разборный катод состоит из 5-ти отдельных секций – узких изолированных друг от друга пластин (1,8 см ширина, …. длина), закрепленных на оправке из токонепроводящего материала.

После подготовки катодные секции тщательно сушат и взвешивают на аналитических весах. Затем на их нерабочую сторону наносится в два-три слоя химически стойкий в исследуемом электролите лак. Подготовленные таким образом катодные секции помещают в специальный измерительный блок. Необходимо тщательно следить за равномерностью прижатия катодных секций к контактам измерительного блока. При выборе средней плотности тока необходимо исходить из того, что на ближних секциях катода плотность тока выше средней и поэтому i_ср должна быть такой, чтобы качество покрытия на ближних секциях было хорошим. Также необходимо проследить, чтобы катодные секции не сместились и не касались друг друга при помещении измерительного блока в ячейку. В ячейку заливают электролит до уровня 45-50 мм, помещают предварительно протравленный и промытый анод и включат ток.

Распределение тока определяют по падению напряжения на калиброванных сопротивлениях (сопротивления должны быть одинаковыми – по 0,05-0,1 Ом) включенных последовательно в цепь каждой катодной секции. Распределение металла оценивают по привесу секций за время электролиза. Ошибка, вносимая калиброванными сопротивлениями, в распределении тока, как показали специально проведенные эксперименты, довольно мала и ей можно пренебречь.

Рис.4 Схема для определения распределения тока и металла с помощью разборного катода в щелевой ячейке Молера.

Рис.5 Схема щелевой ячейки Молера.

Ячейка представляет собой плоский прямоугольный сосуд, вдоль одной из стенок которого (длиной l) располагается пятисекционный разборный катод. Анодом служит щель (шириной от 1 до 2% длины катода) между боковой стенкой и токонепроницаемой перегородкой, расположенной на расстоянии h от катода. Преимущество щелевой ячейки перед другими ячейками в том, что катодное распределение тока в ней не зависит ни от формы, ни от расположения находящегося за щелью реального анода. Кроме того щель, являющаяся в данном случае неполяризующимся анодом, не вызывает концентрационных изменений в растворе, а изменяя геометрические размеры ячейки (h и l), можно получить любое распределение плотностей тока на поверхности катода.

Наиболее удобны щелевые ячейки с разборным катодом общей длиной l=10 см и расстоянием между катодом и перегородкой, разделяющей катодное и анодное пространства h=4,25 см.

Для определения рассеивающей способности в ячейке Молера по вышеприведенному уравнению нужно знать значение первичного распределения тока a_п=(i_п/i_ср)₁.

Первичное распределение тока в щелевой ячейке рассчитывают по уравнению Гнусина-Зражевского или определяется экспериментально в растворе PbNO₃ (c низкой электропроводностью и поляризуемостью).

В данной работе рекомендуется использовать щелевую ячейку со следующими параметрами: длина l=10 см, ширина катодного пространства h=4,25 см, высота 7 см. Отношение максимальной плотности i_max к минимальной плотности тока i_min для первичного распределения тока в этой ячейке равно 10, т.е. эта ячейка моделирует детали довольно сложного профиля. Первичное распределение тока a_n = (i_n/i_ср)₁ в этой ячейке:

Пример.

Определить РС_т и РСм электролита при i_k=1 A/дм². Поверхность 1-го образца 0,1 дм², общая поверхность разборного катода 0,5 дм², I_об=0,5А.

1. Определение РС_т:

DU, B – падение напряжения, измеряется вольтметром.

По закону Ома рассчитываем распределение тока на каждой секции катода.

b_n=(i_n/i_ср)₂ – вторичное распределение тока

2. Определение РС_м

b_n – распределение металла, равное =½Dm/Dm _ср½

Что делать, если нет взаимности? А теперь спустимся с небес на землю. Приземлились? Продолжаем разговор...

Что вызывает тренды на фондовых и товарных рынках Объяснение теории грузового поезда Первые 17 лет моих рыночных исследований сводились к попыткам вычис­лить, когда этот...

ЧТО И КАК ПИСАЛИ О МОДЕ В ЖУРНАЛАХ НАЧАЛА XX ВЕКА Первый номер журнала «Аполлон» за 1909 г. начинался, по сути, с программного заявления редакции журнала...

Что способствует осуществлению желаний? Стопроцентная, непоколебимая уверенность в своем...

Не нашли то, что искали? Воспользуйтесь поиском гугл на сайте: