Изучение явления электролиза и его применение в технике.

X Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке

Изучение явления электролиза и его применение в технике.

Новиков К.С. 1
1ГБОУ РМЭ "Политехнический лицей-интернат"
Лапыгина Е.А. 1
1ГБОУ РМЭ "Политехнический лицей-интернат"
Автор работы награжден дипломом победителя I степени
Текст работы размещён без изображений и формул.
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF

Даже самое чудесное явление реально, если оно полностью согласуется с законами природы.

Майкл Фарадей

1. Цели, задачи и научная новизна исследования

Актуальность электролиза объясняется тем, что многие вещества получают именно пропусканием электрического тока через электролиты. Такие важные для промышленности вещества, как никель, натрий, чистый водород создают только с помощью этого метода. Также относительно легко можно получить чистые металлы, массовая доля самого элемента в которых стремится к ста процентам: алюминий и медь.

Цель: изучить электролиз, как явление, достигшее широко распространения в технике.

Задачи:

1. Изучить историю открытия явления электролиза.

2. Рассмотреть Законы Фарадея, анодные и катодные процессы, лежащие в основе процесса электролиза.

3. Определить области применения данного явления в промышленности.

4. Провести в домашних условиях опыт по электролизу раствора поваренной соли (NaCl), подтверждающего простоту данного явления.

5. Выполнить эксперимент и проанализировать результаты гальванического покрытия выбранного нами изделия слоем меди в домашних условиях.

Гипотеза:

Процесс электролиза – явление, характеризующееся не только распространенностью, но и простотой, что позволяет провести электролиз раствора и гальваностегию в домашних условиях с минимальными затратами.

2.Обзор литературы

2.1. Краткое определение и история открытия

Электролиз – это совокупность процессов, протекающих в растворе или расплаве электролита, при пропускании через него электрического тока. Электролиз является одним из важнейших направлений в электрохимии. Электрохимия, как наука, сформировалась на рубеже XVIII и XIX веков. 

Процесс электролиза — разложения веществ под действием электрического тока — был открыт английским физиком-экспериментатором Майклом Фарадеем (1791—1867). Несмотря на то, что Фарадей был самоучкой, он обладал большими познаниями в области химии и физики. Летом 1832 г. Фарадей провел эксперимент, с целью узнать: оказывает ли электрический ток химическое воздействие. Смочив куркумовую бумагу раствором сульфата натрия (Na2SO4), ученый поместил ее край против первого провода, собирающего отрицательный заряд, а другую часть соединил со вторым. Затем сделал 50 оборотов машинного диска, генерирующего ток путем трения о специальные подушки, — и «конец бумажки, обращенный к кончику разрядного провода, окрасился благодаря присутствию свободной щелочи». Но вызван ли данный эффект только действием тока? Фарадей изготовил электролитическую ячейку. У электродов располагались влажные индикаторные бумажки. Такие же бумажки находились у геля - твердообразной системы, содержащую соль - сульфат калия(K2SO4). Все это прокладывалось чистым гелем, который проводит ток как обыкновенный раствор. Пропуская ток через такую ячейку, Фарадей увидел, что индикаторные бумажки снова окрашивались только у электродов. Причем лакмусовая бумажка показывала, что у рядом расположенного электрода образуется кислота, а куркумовая - что у другого электрода образуется щелочь. Бумажки, находившиеся у геля, содержащего соль, которая при разложении дает продукты кислого и щелочного характера, и расположенные в середине ячейки, не окрашивались. Это значило, что электрохимическое действие происходит только у электродов [1, с 178]. Учёный изменил условия опыта, и теперь «не допускалось контакта металла с разлагаемым веществом». Смочив в растворе сульфата натрия (Na2SO4) куркумовую и лакмусовую бумажки, ученый сложил их вместе и на расстоянии от краев закрепил электроды, один из которых собирал положительный заряд, а другой — с разрядным проводом. [2, с 31] Через какое-то время в процессе вращения машины «сделалось очевидным разложение: край лакмусовой бумажки покраснел от выделившейся кислоты, а край куркумовой окрасился от выделения щелочи». Более того, кислота собралась около отрицательного края, а щелочь — возле положительного.
Позже Фарадей заметил, что площадь окрашенных участков на бумажках зависит от времени пропускания тока, и решил выяснить количественные соотношения в процессах воздействия электричества на растворы. [2, с 31].

Экспериментатором был проведен решающий опыт, где было замечено, что величина пятна на фильтровальной бумаге, пропитанной раствором йодистого калия (KI), вокруг прижатой к ней платиновой пластины одинакова, если пропускать одно и то же количество тока от разных источников. А значит, размер пятна (то есть величина химического действия тока) прямо пропорционален времени пропускания тока, иначе говоря, количеству электричества.

Проанализировав свои наблюдения, Фарадей сформулировал теорию электролиза: «жидкости, поддающиеся этому процессу, состоят из частиц с противоположными зарядами». [2, с 31] Под действием тока одна частица, связанная в молекулу с другой частицей, испытывает действие иных противоположно заряженных частиц, вступает с ними в соединение и продвигается вперед. Это повторяется до тех пор, пока впереди есть противоположно заряженные частицы, с которыми можно соединиться. Однако у электродов частицу уже не будут окружать другие частицы и, оказавшись под воздействием неуравновешенных сил, она вылетит наружу,

«где и выделится». Изучение электролиза позволило ему открыть два закона, управляющие этим процессом.

2.2. Законы Фарадея, лежащие в основе электролиза

10 декабря Фарадей записал первый закон электролиза: «Химическая сила прямо пропорциональна абсолютному количеству прошедшего электричества». Иначе, масса вещества, образующегося на электроде, прямо пропорциональна количеству электричества, прошедшего через расплав (электролит) (Приложение 1).

В каждый из трех сосудов с водными растворами азотнокислого серебра (AgNO3), сернокислой меди (CuSO4) и хлористого алюминия(AlCl3), ученый погрузил по два электрода, последовательно соединив их с электрической батареей при помощи куска проволоки (Приложение 2). Оказалось, что количество металла, выделенного в каждом из сосудов, т.е. серебра, меди и алюминия, находилось точно в таком соотношении, в каком эти металлы участвовали бы в химической реакции. На 108 граммов серебра (Ag) приходилось 31,7 грамма меди (Cu) и 9 граммов алюминия (Al). Независимо от характера химического соединения, подвергнутого электролизу, вес появившегося на электродах металла или газа всегда оставался определенны [3, с 31].

Так был открыт второй закон Фарадея: «При одинаковом количестве электричества (электрическом заряде, прошедшем через электролит), масса вещества, выделившегося при электролизе, пропорциональна отношению молярной массы вещества к валентности» (Приложение 3).

Возможность окисления и восстановления веществ электрическим током открыла широкие перспективы как для научных исследований, так и для химической и металлургической технологии.

2.3. Сущность процессов электролиза

Электролиз — это окислительно-восстановительный процесс, протекающий на электродах при прохождении постоянного электрического тока через расплав или раствор электролитов.

Для осуществления электролиза к отрицательному полюсу внешнего источника постоянного тока присоединяют катод, а к положительному полюсу — анод, после чего погружают их в электролизер (емкость) с раствором или расплавом электролита.

Электролиз отличается от обычных окислительно-восстановительных реакций. При электролизе полуреакции разделены в пространстве: восстановление происходит только на катоде, а окисление – на противоположном электроде – аноде.

Электроды, как правило, бывают металлические, но применяются и неметаллические, например графитовые (проводящие ток).

На поверхности электрода, подключенного к отрицательному полюсу источника постоянного тока (катоде), ионы, молекулы или атомы присоединяют электроны, т.е. протекает реакция восстановления. На положительном электроде (аноде) происходит отдача электронов, т. е. реакция окисления. Таким образом, сущность электролиза состоит в том, что:

процесс на аноде A (+): анион отдает электроны и окисляется  

процесс на катоде K (-): катион принимает электроны и восстанавливается

Электролиз расплавов:

Если анион кислородсодержащий, то будет образовываться оксид элемента, входящего в состав аниона, и кислород. Если же анион бескислородный, то будет происходить окисление с образованием простого вещества [3, с 32].

При сильном нагревании твердый хлорид натрия плавится. Полученный расплав содержит подвижные ионы натрия и хлора, освободившиеся из кристаллической решетки, поэтому проводит электрический ток. Если в расплав опустить угольные электроды, присоединенные к источнику тока, ионы приобретают направленное движение: катионы Na+ движутся к отрицательно заряженному электроду – катоду, анионы Cl – к положительно заряженному электроду – аноду [3, 35].

На катоде ионы Na+ получают электроны и восстанавливаются до металла:

 Na+ +e → Na (восстановление),

а на аноде ионы Cl– отдают электроны и окисляются до свободного хлора:

2Cl –2e→Cl2 (окисление).

Таким образом, в результате процесса электролиза расплав хлорида натрия разлагается на простые вещества:

K (−):2Na+ + 2e → 2Na

A (+):2Cl − 2e → Cl2

Суммарное уравнение электролиза: 2Na+ + 2Cl → эл. ток 2Na+Cl2  

Электролиз растворов протекает сложнее, чем электролиз расплавов. Во-первых, необходимо учитывать участие молекул воды. Во-вторых, характер образующихся продуктов во многом зависит от материала электродов, поэтому применяют следующие практические правила.

Процессы на аноде зависят от материала анода и природы анионов. Анод бывает: а) нерастворимыми или инертными (Pt, Au, Ir, графит, уголь и др.); б) растворимыми (активными), изготовленными из металлов – Cu, Ag, Zn, Feи других металлов (кромеPt, Au) (Приложение 4).

Процессы на катоде НЕ зависят от материала катода, а зависят только от положения металла в ряду напряжений (Приложение 5).

Самым распространённым примером является электролиз раствора хлорида натрия (NaCl):

Натрий – активный металл, стоит в ряду напряжений левее водорода, поэтому на катоде восстанавливается вода и выделяется водород. Хлорид-ион не содержит атомов кислорода, поэтому на аноде он окисляется и выделяется хлор:

K (-): 2H2O + 2e¯=H2↑+2OH|1

A (+): 2Cl− 1e¯*2=Cl2↑|1

При сложении уравнений полуреакций получаем сокращенное ионное уравнение электролиза:

2Cl-- + 2H2O→H2 + Cl2 + 2OH.

Если добавить в левую и правую часть по два иона Na+, которые в самом электролизе не участвуют, получим молекулярное уравнение электролиза раствора хлорида натрия:

2NaCl(p−p) + 2H2O→эл.ток H2↑+Cl2↑+2NaOH

При электролизе раствора доступного и дешевого вещества, хлорида натрия, получилось сразу три ценных продукта: водород, хлор и щелочь. Именно поэтому электролиз широко используется в разных отраслях промышленности.

2.4 Применение электролиза в металлургии

2.4.1 Электроочистка – рафинирование меди

Благодаря высоким показателям электро- и теплопроводности, медь получила широкое распространение в области электротехники для изготовления проводов (монтажные, обмоточные), силовых кабелей, системных блоков, радиаторы отопления, трубы, кондиционеры и других механизмах. Широкое распространение металл получил и в области архитектурного строительства. Кровля, фасады, различные декоративные элементы – все это можно изготовить абсолютно любой формы и уровня сложности.

По этой причине медь должна быть чистой и не содержать примесей, ухудшающих ее свойства. С этой целью проводят электролитическое рафинирование: катоды – тонкие листы чистой меди и аноды – толстые пластины еще не очищенной меди, которые погружаются в раствор сульфата меди (CuSO4).

При подаче напряжения величиной от 0,2 до 0,4 вольт медь, содержащаяся в аноде, окисляется с образованием катионов (Cu2+), которые переходят в раствор. Из-за активности анода его масса будет уменьшаться, что называется процессом анодного растворения. На катоде будут выделяться только атомы Cu0 (Приложение 6). Примеси осядут на дно, превращаясь анодным шламом, который используется для получения серебра и золота [3].

Таким образом, при рафинировании меди происходит получение чистой меди на катоде под действием электрического тока.

2.4.2 Производство алюминия

Известно, что в чистом виде алюминий в природе не встречается. По этой причине его получали химическим методом: восстановление оксида алюминия (Al2O3). Таким путем добиться этого чрезвычайно сложно, так как связь двух элементов (кислорода и алюминия) очень прочная. Уже первое знакомство с алюминием наглядно продемонстрировало все сложности, которые ожидали ученых на этом пути. Получаемый металл был похож на серебро, легким и при этом дорогим, поэтому в то время алюминий считался элитным материалом, предназначенным для изготовления украшений и предметов роскоши. Первыми продуктами из алюминия считаются медали с барельефами Наполеона III, который всячески поддерживал развитие производства алюминия, и Фридриха Вёлера, а также погремушка наследного принца Луи-Наполеона, выполненная из алюминия и золота [4]. Ситуация изменилась с открытием более дешевого электролитического способа производства алюминия в 1886 году. Его одновременно и независимо друг от друга разработали французский инженер Поль Эру и американский студент Чарльз Холл. Предложенный ими метод подразумевал электролиз расплавленной в криолите окиси алюминия (Al2O3) и давал прекрасные результаты: получался алюминий с малой долей примесей. И 18 ноября 1888 года, между Швейцарским металлургическим обществом и немецким промышленником Ратенау было подписано соглашение об учреждении Общества алюминиевых заводов с общим капиталом в 10 миллионов швейцарских франков. На его торговой марке было изображено солнце, восходящее из-за алюминиевого слитка, что должно было символизировать зарождение алюминиевой промышленности. За пять лет производительность завода возросла более чем в 10 раз. Если в 1890 году в Нейгаузене было выплавлено всего 40 тонн алюминия, то в 1895 году – 450 тонн [4]. Технология производства сохранилась и до наших дней. Производят алюминий из глинозема – окиси алюминия (Al2O3). Окись растворяют в криолите –минерале из группы природных фторидов состава Na3AlF6. Жидкий расплав является электролитом. Емкость ванны заполняется расплавленным криолитом, создающий электролитическую (токопроводящую) среду при температуре 950°С [5]. Роль катода выполняет дно ванны, а анода – погружаемые в криолит угольные блоки длиной около 1,5 метров и шириной 0,5 метра. Под воздействием электрического тока связь между алюминием и кислородом разрывается – алюминий осаждается на дне ванны, образуя слой в 10-15 см, а кислород соединяется с углеродом, входящим в состав анодных блоков, и образует углекислый газ. Каждые полчаса при помощи автоматической системы подачи глинозема в ванну загружается новая порция сырья (Приложение 7).

Расплавленный алюминий в ковшах доставляется в литейный цех алюминиевого завода. Полученный чистый алюминий разливают в специальные формы, в которых металл приобретает свою твердую форму. Самые маленькие слитки алюминия называются чушками, они имеют вес 6 до 22,5 кг. Получив алюминий в чушках, потребители вновь расплавляют его и придают тот состав и форму, которые требуются для их целей (Приложение 8).

Благодаря открытию явления электролиза алюминий стал применяться в самых разных сферах и дал толчок для развития целых отраслей. В 1891 году в Швейцарии создается первый пассажирский катер Le Migron с алюминиевым корпусом. А через три года шотландская судостроительная верфь Yarrow&Со представила изготовленную из алюминия 58-метровую торпедную лодку. Этот катер назывался «Сокол», был сделан для военно-морского флота Российской империи и развивал рекордную для того времени скорость в 32 узла.
В 1894 году американская железнодорожная компания New York Railroad начала выпускать специальные легкие пассажирские вагоны, сидения которых были выполнены из алюминия. А всего через 5 лет на выставке в Берлине Карл Бенц представил первый спортивный автомобиль с алюминиевым корпусом.

Но настоящую революцию алюминий совершил в авиации, за что навсегда заслужил свое второе имя – «крылатый металл». В этот период изобретатели и авиаторы во всем мире работали над созданием управляемых летательных аппаратов – самолетов.17 декабря 1903 года американские авиаконструкторы братья Уилбур и Орвилл Райт впервые в истории человечества совершили полет на управляемом летательном аппарате «Флайер-1» с двигателем, детали которого были изготовлены из алюминия.

В 1970-х возросшие объемы производства алюминия в мире и спрос приводят к тому, что этот металл становится биржевым товаром. Торги алюминиевыми контрактами в 1978 году начинаются на Лондонской бирже металлов (LME) – старейшей в мире бирже, образованной в 1877 году. С тех пор цена на первичный алюминий становится единой для всего мира и формируется в ходе биржевых торгов на LME.

В 2013 году мировая алюминиевая промышленность преодолела новый рубеж – производство металла превысило 50 млн тонн. Дальнейшее развитие отрасли связано с ростом потребления на фоне глобальных процессов индустриализации. Алюминий будет активнее использоваться в автомобилестроении как замена стали, которая в несколько раз тяжелее, а также в электроэнергетике, вытесняя существенно более дорогую медь. По прогнозам аналитиков, к 2023 году спрос на алюминий превысит 80 млн тонн в год.

Таким образом, история развития алюминиевой отрасли действительно уникальна. На протяжении тысячелетий этот металл оставался загадкой и ценился наряду с золотом, и всего за столетие, благодаря открытию явления электролиза, стал самым востребованным конструкционным материалом во всем мире.

2.4.3 Гальваностегия: никелирование и хромирование

Гальваностегия – это процесс покрытия изделия тонким слоем (плёнкой) металла (Ni, Zn, Cr, Au. Ag), с целью защитить его от коррозии, повысить стойкость на износ. Данные цеха расположены на многих металлургических заводах. Среди покрываемых металлов наибольшее распространение получили никель (Ni) и хром (Cr). Никель хорошо выдерживает механическую деформацию, также не подвергается коррозии при длительном хранении. Хром, в свою очередь обладает высокой износоустойчивостью, повышенной твердостью, стойкостью перед воздействием химических веществ и перепадами температур.

Для начала, рассмотрим покрытие металлов никелем, что получило название никелирование. Никелированием называют комплекс процедур, в результате которых на поверхности какого-либо металлического изделия создается тонкая пленка из никеля

Используется оно для того, чтобы улучшить исходные физические характеристики основного металлического сплава: [6]

1. Повышение коррозийной устойчивости. Никель обладает высокой химической инертностью, поэтому он не вступает в контакт с кислородом и водой, что позволит избежать коррозии.

2. Защита от слабых кислот и щелочей. Никель выдерживает воздействие слабых химических реагентов, и с его помощью можно создать дополнительный слой, защищающий основной материал от кислот и щелочей.

3. Никель обладает приятным серебристо-серым блеском, поэтому никелирование может выполняться и для декоративных нужд. Украшение металлических игрушек, создание красивых никелированных каркасов и так далее.

Принцип применения никелирования очень прост: металлический элемент подключается к катоду и помещается в водную среду с большим содержанием никеля, который выступает в растворе в качестве электролита — после этого включается электрический ток, проходящий через никелевые аноды, происходит достаточно равномерное распределение никеля по всей поверхности металлического объекта [7].

Перед проведением гальванического никелирования с поверхности металлического объекта нужно удалить тонкую оксидную пленку, которая будет препятствовать нанесению никеля. Для удаления пленки используется грубая наждачная бумага — с ее помощью оксидная пленка снимается очень легко, а каких-либо серьезных усилий прилагать не нужно.

Далее необходимо промыть металлический объект водой, чтобы избавиться от остатков оксидной пленки — затем металл обрабатывается содовым раствором и снова очищается с помощью воды. Стоит обратить внимание, что крупные жесткие детали обрабатывать наждачной бумагой сложно, для их очистки рекомендуется использовать специальное очистительное оборудование. Хороший пример — пескоструйные аппараты, которые снимают оксидную пленку за счет воздействия на поверхность металла песка, который в данном случае выступает в качестве абразива.

Итак, можно приступать непосредственно к никелированию:

Состав электролитического раствора — сернокислый никель (NiSO₄), борная кислота(H₃BO₃), фтористый калий (NaF) и хлористый калий (KCl), а также хлорид натрия (NaCl)и формалин, 1 литр воды [7].

В ванну наливается электролит и в нее помещается два никелевых анода по краям ванны, в центре помещается деталь для обработки, которая подключена к отрицательному полюсу. Затем запускается электричество на 30-40 минут. Во время работы анодный и электролитический никель под действием электрических сил перемещаются на поверхность металлического элемента, который обладает отрицательной полярностью. При прохождении электрического тока никель прочно прикрепляется к металлу, что приводит к образованию тонкой пленки на основе никеля (Приложение 9).

Гальваническое хромирование — это один из способов создания на поверхности изделий тонкого слоя из чистого хрома, который почти в два раза тверже железа, имеет приятный серебристый цвет и отлично полируется. Хромовые покрытия применяют в защитных и в декоративных целях. 

При хромировании анионы возникают непосредственно из электролита, основой которого является раствор хромовых кислот, образующихся при растворении хромового ангидрида (CrO3) в воде. При приготовлении электролита сначала в воде разводится серная кислота из расчета 1.5–2.5 г/л, а затем добавляется хромовый ангидрид в количестве 150–250 г/л [8]. В такой технологии катодом обычно является обрабатываемая деталь, а в роли нерасходуемого анода выступают пластины или облицовка ванны. Аноды изготавливают из свинца или его сплавов (с оловом и сурьмой). Хромовая кислота (H2CrO4) обладает сильными коррозионными свойствами, поэтому при производстве оборудования для хромирования применяют кислотостойкие материалы (Приложение 10). Кроме того, в связи с постоянным убыванием хрома электролит необходимо периодически регенерировать, добавляя в него хромовый ангидрид и расходуемые в процессе хромирования реагенты. Вид поверхности и механические свойства хромового покрытия напрямую зависят от компонентов электролитического раствора, степени его нагрева и плотности тока. Однако хромирование алюминия и его сплавов требует особого подхода к предварительной обработке поверхности этих металлов, т. как на них всегда присутствует устойчивая оксидная пленка.

2.4.4. Гальванопластика

Гальванопластика – это способ снятия металлических копий с рельефа предмета, происходящий под воздействием электрического тока.

Гальванопластику создал русский ученый Борис Семенович Якоби в 1836 г. При опытах с элементами Даниеля, Якоби "...увидел несколько почти микроскопических царапин напильника, точно соответствующих друг другу: вогнутые на поверхности цилиндра и рельефные - на поверхности отдельного листочка. Гальванопластика явилась следствием этого тщательного исследования». Заметив интересное явление, ученый сразу же начал поиск его технического применения. 5 декабря 1838г. на заседании Академии наук был прочитан доклад Якоби об изобретении техники гальванопластики и продемонстрированы образцы гальванопластических копий гравированных печатных форм [8].

В принципе гальваностегия схожа с гальванопластикой. Однако существуют различия: для последнего характерно осаждение метала, выделяющегося при электролизе, на поверхности изделия. Покрытие достигает толщины 0,25-2 мм и полностью воспроизводит форму изделия. В результате образуется точное воспроизведение детали.

Так делают копии, например, металлических табличек.

Образец помещается в ванну, где заливается расплавленным парафином. Когда воск застывает, его разнимают с изделием. Так как воск не проводит электрический ток, то поверхность покрывают токопроводящим слоем – графитом. Теперь это является катодом, который помещают в ванну с электролитом – медным купоросом (CuSO4). Роль анода выполняет медная пластинка, подвешенная параллельно покрываемой детали. Аноды должны быть тщательно очищены от окислов, грязи и обезжирены, также, как и предметы, предназначенные для покрытия металлом (лучше всего для этого подходит Венская известь – продукт обжига известняка, мела и других карбонатных пород) [8].

В результате на катоде будет выделяться слой меди, который впоследствии будет разъединен с изделием. Последний этап проведения работ — полировка. Понадобится станок со специальной щеткой. Обработку нужно проводить аккуратными движениями, чтобы не стереть нанесенный слой. Необходимая копия готова (Приложение 11).

Похожим методом получаются и металлические скульптуры, снятые с гипсовых.

Для этого нужно часть изделия покрыть токопроводящим слоем, затем поместить в ванну с электролитом. После снимают отпечатки, соединяют их в единое целое и спаивают, получая копию скульптуры.

Чаще гальванопластика применяется при изготовлении ювелирных изделий: копий монет, орденов, украшений, статуэток. Из наиболее популярных материалов, который применяются для проведения рабочего процесса является медь.

У гальванопластики есть ряд преимуществ как метода формования:
1) высокая точность воспроизведения микро- и макрогеометрического сложного рельефа поверхности, на которую производится электроосаждение металла;
2) низкая стоимость оснастки и оборудования, что позволяет часто менять конструкцию; деталей;
3) тождественность деталей, снимаемых с одной модели;
4) в условиях многосерийного производства возможность одновременно изготовлять большое количество деталей, которое определяется размерами ванн и мощностью источников тока;
5) малые затраты труда по сравнению с такими методами формообразования, как литье, штамповка, механическая обработка.

Гальванопластика, точно так же, как и гальваностегия, стали возможны благодаря явлению электролиза, что подтверждает огромное значение явления электролиза в жизни человека.

3. Экспериментальная часть

1. Для подтверждения гипотезы о простоте явления электролиза выполним в домашних условиях электролиз раствора поваренной соли – хлорида натрия (NaCl).

2. С целью доказать, что гальваника получила распространение не только в промышленности, но и в быту, выполним эксперимент по покрытию слоем меди поверхности изделия – монеты

3.1. Оборудование, реактивы, ход эксперимента

3.1.1 Для проведения опыта по электролизу раствора понадобится

(Приложение 12):

Аккумулятор литий-ионный Ultrafire BRC 18650 3.7V– 3 шт.

Батарейный отсек для 3-х АКБ 18650 – 1 шт.

Графитовые стержни – 2 шт.

Емкость с водой.

Поваренная соль – хлорид натрия (NaCl).

Роль анода и катода будут выполнять грифельные стрежни. Материал не влияет на процессы на катоде, анод же в данном случае инертный (грифель). Стержни прикрепляем к проводам.

Получив раствор хлорида натрия, помещаем в него провода со стрежнями, не касаясь аккумулятором воды.

3.1.2. При покрытии слоем меди выбранного изделия – монеты, необходимы

(Приложение 14):

Аккумулятор литий-ионный Ultrafire BRC 18650 3.7V– 3 шт.

Батарейный отсек для 3-х АКБ 18650 – 1 шт.

Медь сернокислая (II), 5-водная – 500 гр.

Пластиковые цилиндрические ёмкости – 2 шт.

Медная пластина 30×50мм – 1 шт.

Медный провод длиной 1 метр, с сечением 1.5мм – 2 шт.

Монета номиналом 1 рубль – 1 шт.

Карандаш с мягким грифелем 4В – 1шт.

3.2 Результаты и их обсуждение

3.2.1. Согласно правилам, при электролизе раствора хлорида натрия будет происходить выделение газов двух типов: водорода и хлора, и щелочи (NaOH). Действительно, выделяются пузырьки газов – водорода и хлора. Данные газы были собраны в пробирки и идентифицированы. Водород -- поднесением зажженной лучины к пробирке, после чего раздается глухой хлопок, что говорит об отсутствии в составе газа примесей. Хлор – помещением в пробирку кусочка влажной ткани – окраска материи обесцвечивается. Также образуется щелочная среда, о наличии которой будет свидетельствовать изменение окраски индикатора фенолфталеина с бесцветного на фиолетовый. Данные признаки говорят о прохождении процесса электролиза в растворе (Приложение 13).

3.2.2. При пропускании электрического заряда через раствор медного купороса пластина меди является активным анодом, монета, покрытая слоем графита для лучшей проводимости тока, – катодом, на поверхности которой и образуется слой меди (Приложение 15). Распределение данного слоя зависит от нескольких факторов, среди которых – концентрация CuSO4 .

Зависимость концентрации сульфата меди (II) от качества покрытия поверхности:

Описание

№раствора

Масса медного купороса и добавляемой воды, г

Содержание сульфата меди, %

Характеристика образующегося на монете слоя меди

Фотография покрываемого изделия

1 раствор

100, 00

(CuSO4*5H2O)

500, 00

(H2O)

10, 67

неравномерный, легко снимается с поверхности монеты салфеткой

 

2 раствор

120,00

(CuSO4*5H2O)

400, 00

(H2O)

14, 77

увеличение толщины и покрываемой им площади

 

Описание

№раствора

Масса медного купороса и добавляемой воды, г

Содержание сульфата меди, %в

Характеристика образующегося слоя меди

Фотография покрываемого изделия

3 раствор

150, 00

(CuSO4*5H2O)

350, 00

(H2O)

19, 2

более равномерное покрытие поверхности изделия

 

4 раствор

165,00

(CuSO4*5H2O)

275, 00

(H2O)

24

высокая скорость осаждения; толщина слоя, по сравнению с предыдущими образцами, значительно больше

 

Данная таблица демонстрирует: чем выше концентрация соли в растворе, тем равномернее слой, осаждаемый на изделии.

В результате эксперимента на поверхности монеты образуется шероховатый осадок (Приложение 16). Медное покрытие подвержено к дендритообразованию при осаждении в случае упущений с технологической точки зрения, к которым относится и присутствие анодного шлама в растворе [8]. Частички шлама являются центрами кристаллизации, и ток идет не на образование новых частиц меди, а расходуется на разрастание дендритов (Приложение 17). Они могут появляться и в других случаях, например – превышение рекомендованной плотности тока.

4. Выводы

1. Электролиз – явление, характеризующееся своей простотой, в чем можно убедиться, пропуская электрический ток через растворы электролита, в нашем случае – NaCl и CuSO4, в домашних условиях.

2. Однако в то же время для получения качественного и равномерного покрытия изделия в гальванотехнике необходимо провести эксперимент по подборке условий, с дальнейшим анализом полученных данных, что и было выполнено.

3. Электролиз играет огромную роль в промышленности: получение металлов, покрытие изделий слоем, продлевающим срок службы и предохраняющим от коррозии. Важно данное явление и для снятия копий с произведений искусства (скульптур, статуй, лепнин).

Список литературы

1. Никольский А.Б., Суворов А.В. Химия: учебник для вузов. СПб, Химиздат, 2001. - 512 с.

2. Фиошин М.Я., Павлов В. Н., Электролиз в неорганической химии, М., 1976. - 106 с.

3. Фиошин М.Я., Смирнова М. Г., Электрохимические системы в синтезе химических продуктов, М., 1985. - 256 с.

4. История алюминиевой отрасли [Электронный ресурс]// Сайт об алюминии, 2015. URL:https://aluminiumleader.ru/history/industry_history/(дата обращения: 20.04.2020)

5. Как производится алюминий [Электронный ресурс] // Сайт об алюминии, 2015. URL: https://aluminiumleader.ru/production/how_aluminium_is_produced/ (дата обращения 20.04.20)

6. Гальванопластика и гальваностегия [Электронный ресурс] // НПП электрохимия, 2011.URL: https://zctc.ru/sections/galvanoplastika (дата обращения 22.04.2020)

7. Технология гальванического и химического никелирования [Электронный ресурс] // Интернет-портал о современных методах металлообработки, 2020. URL: https://martensit.ru/ximicheskaya/nikelirovanie/(дата обращения 26.04.20)

8. Сферы применения и особенности гальванопластики [Электронный ресурс] // Интернет-журнал про металлы и сплавы, 2020.URL: https://metalloy.ru/obrabotka/galvanoplastika (дата обращения 22.04.2020)

Приложение1.

Наглядное изображение первого Закона Фарадея

Приложение 2

Три сосуда с водными растворами азотнокислого серебра (AgNO3), сернокислой меди (CuSO4) и хлористого алюминия (AlCl3) и двумя электродами, подключенные к общему источнику тока.

Приложение 3

Наглядное изображение второго Закона Фарадея:

Приложение 4

Анодный процессы в водных растворах электролитов:

Приложение 5

Катодные процессы в водных растворах электролитов:

Прим: стоит обратить внимание, что катионы водорода будут восстанавливаться только при электролизе растворов кислот

Приложение 6

Рафинирование меди:

Приложение 7

Ток для производства алюминия
Для запуска двигателя автомобильный аккумулятор должен обеспечить электрический ток в 300-350 А в течение 30 секунд. То есть в 1000 раз меньше, чем нужно одному электролизеру для постоянной работы.

Приложение 8

Самые маленькие слитки алюминия называются чушками, они имеют вес 6 до 22,5 кг.

Приложение 9

Процесс никелирования:

Приложение10

Процесс хромирования:

Приложение 11.

Панно «Российскому флоту быть!», выполненное методикой гальванопластики

Приложение 12

О борудование для опыта, раствор соли NaCl:

Приложение 13

Выделение газов двух типов на катоде и аноде: водорода и хлора соответственно

Приложение 14

Оборудование для гальваностегии:

Приложение 15

Пропускание электрического тока через раствор медного купороса:

Приложение 16

Образование дендритов на поверхности монеты:

Приложение 17

Снимок дендритов под микроскопом на медном покрытии:

 

Просмотров работы: 1084