Главная страница
Навигация по странице:

  • Контрольные вопросы

  • Литература

  • Лаб_практ_ТЭХ1. Определение выхода по току


    Скачать 4.18 Mb.
    НазваниеОпределение выхода по току
    АнкорЛаб_практ_ТЭХ1.doc
    Дата12.06.2018
    Размер4.18 Mb.
    Формат файлаdoc
    Имя файлаЛаб_практ_ТЭХ1.doc
    ТипДокументы
    #18395
    страница1 из 3
      1   2   3

    Работа 1. Определение выхода по току.

    Введение.

    Цинковые или никелевые покрытия наносятся на стальные детали с целью защиты их от коррозии, придания изделиям декоративного вида и различных функциональных свойств (например, твердость, пластичность, электропроводность).

    Процессы электрохимического осаждения металлов из растворов электролитов очень часто сопровождаются побочной реакцией выделения водорода. Как правило, чем ниже рН раствора электролита (выше концентрация или активности ионов водорода, т.к. рН=-lg[H+]), тем большая доля тока, большее количество электричества, пропущенное через электролизер, затрачивается на выделение водорода, выход металла по току снижается.

    ВТi =

    Qпрак. - количество электричества фактически прошедшее через данную границу раздела или через электрохимическую систему. Электрохимическая система является замкнутым контуром, в котором последовательно включены проводники I-го и II-го рода.

    е- I рода




    1гр. I/II 2 гр. I/II

    II рода

    -

    Электрохимическая реакция протекает только на границе раздела, а т.к. электрохимическая реакция является замкнутым контуром, то количество электричества, прошедшее через любое производное сечение системы, одинаково.

    Qобщ. = Qпрак.

    Определение Qпрак.

    1. В разрыв проводника I-го рода ставится амперметр и замеряется время, в течение которого через систему проходил ток:

    Qпрак. =I

    1. Использование медного кулонометра.

    Кулонометр - это электрохимическая система, в которой не протекает побочных реакций. Все количество электричества, прошедшего через границу раздела электрод-раствор, тратится только на основную реакцию.

    По количеству полученного продукта на границе раздела на основании закона Фарадея рассчитывается Qпрак.. Для того, чтобы количество электричества, прошедшее через кулонометр и электрохимическую систему было одинаково, они включаются последовательно.

    Qi,теор.- это количество электричества, которое израсходовано на практически (фактически) полученный целевой продукт. Называется это количество электричества теоретическим потому, что рассчитывается на основании теории (по закону Фарадея), а не определяется экспериментально.

    Qi, теор. =; mi,прак.=

    ВТ=,

    где mпрак.- число граммов вещества, выделившегося на опыте;

    mтеор. - число граммов вещества по закону Фарадея.

    Следовательно,

    ВТi =



    при использовании медного кулонометра



    где: mi,прак.- масса металла, выделившегося на катоде, г; gм - электрохимический эквивалент осаждаемого металла; gм - электрохимический эквивалент меди, г/Ач; mCu - масса кулонометра, г; I - ток, А;  - продолжительность электролиза, ч.

    Цель работы:

    1. Изучение и овладение правилами сбора электрохимической цепи с последовательным включением электролизера и кулонометра; 2. Краткое ознакомление с процессами цинкования или никелирования из сернокислых электролитов; 3. Изучение влияния рН электролита на выход по току осаждаемого металла.

    Методика проведения работы:

    1. Собрать схему электролиза (плакат № 1).

    2. Определить ток, который необходимо установить на амперметре. Плотность тока задается преподавателем. Площадь поверхности образцов, на которые осаждают металл - 20 см2.

    3. Рассчитать время электролиза по заданной толщине покрытия из расчета 100% выхода по току (условно).

    4. Образцы из медной фольги обезжиривают венской известью, промывают водой, сушат с помощью фильтровальной бумаги, взвешивают и показания заносят в таблицу.

    5. Взвешивают катод медного кулонометра, показания заносят в таблицу.

    6. Образцы и катод медного кулонометра помещают в соответствующие электролизеры, включают электролиз и устанавливают с помощью движка реохорда соответствующее значение тока на амперметре.

    7. Во время процесса 2-3 раза замеряют напряжение на каждом электролизере и показания вольтметра заносят в таблицу.

    8. По окончании электролиза образцы извлекают из электролизере, промывают водой, сушат и взвешивают. Катод медного кулономтера промывают, сушат и взвешивают. Результаты заносят в таблицу.

    9. Необходимо описать качество получаемых осадков. Например: матовый, блестящий, пористый, беспористый, цвет, прочность сцепления с основой.

    10. Производят расчет выхода металла по току и выхода по энергии. Данные заносят в таблицу.

    11. На основе расчетных данных о выходе металла по току рассчитывают фактическую толщину покрытия.

    Задание:

    Опыт 1. Определить выход никеля по току и качество никелевых покрытий в зависимости от рН электролита (ik=100, 200 A/м2 или 200, 300 А/м2).

    Опыт 2. Определить выход цинка по току и качество цинковых покрытий в зависимости от рН электролита (ik 100, 200 A/м2 или 200, 300 А/м2).

    Таблица 1. Экспериментальные и расчетные данные рпоцесса никелирования (цинкования). Толщина покрытия 10 мкм. Плотность тока ...... А/м2.




    Электролит № 1

    Электролит № 2

    1. рН электролита







    2. Время электролиза,  (мин).







    3. Масса образца до электролиза (г)







    4. Масса образца после электролиза (г)







    5. Изменение массы (г)







    6. Масса катода кулонометра до электролиза (г)







    7. Масса катода кулонометра после электролиза (г)







    8. Изменение массы катода кулонометра (г)







    9. Выход по току, %







    10. Определение фактической толщины покрытия, мкм







    11. Среднее напряжение на электролизере, В







    12. Средний расход электроэнергии на 1 м2 полученного покрытия, кВт/м2








    Контрольные вопросы

    1. Определение понятий: электрохимическая система, катод, анод, электролит.

    2. I-ый, II-ой законы Фарадея. Обоснование числа Фарадея.

    3. Кулонометры, классификация, принципы устройства.

    4. Выход металла по току и выход по энергии.

    5. Основные, побочные и вторичные реакции.

    Литература: С.С.Кругликов, М.М,Ярлыков Кинетика электрохимических реакций и методы исследования. М. МХТИ, 1981, с.3-30.

    Работа 2. Определение электропроводности электролита.

    Введение. Электролиты, подобно другим проводникам, оказывают сопротивление прохождению через них электрического тока. Хотя проводимость электролитов имеет иной механизм, чем у металлов, обладающих электронной проводимостью, однако, некоторые закономерности будут общими. В частности, сопротивление электролитов также подчиняется:

    Ом (1)

    где:  - удельное сопротивление, Омсм: l - расстояние между электродами, см; s - среднее поперечное сечение электролита, см2.

    Величина, обратная удельному сопротивлению называется удельной электропроводностью:

    =1/, Ом-1см-1 (2)

    В этом случае  численно будт равна электропроводности раствора электролита с поперечным сечением 1 см2 и расстоянием между электродами (длиной) 1 см.

    Характерным отличием электролитов - проводников II-го рода от электронных проводников является наблюдающееся у первых увеличение  при повышении температуры.

    Так как электропроводность электролитов обусловлена перемещением ионов в растворе, то величина удельной электропроводности определяется скоростью движения ионов, их концентрацией в растворе и температурой t, отличной от комнатной (180С). Практически зависимость  от температуры имеет линейную зависимость, т.е. может быть выражена уравнением:

    t=18[1+(t-18)], (3)

    где  - температурный коэффициент электропроводности.

    Для одно- одновалентного электролита при постоянной температуре эта зависимость выражается уравнением

    (4)

    где Uk и Ua - подвижности катионов и анионов, т.е. скорости их движения при градиенте потенциала 1В/см; Ci - концентрация ионов данного сорта.

    Чаще это уравнение принято записывать в форме:

    (5)

    где lk-Fuk и la=Fua - электропроводности катиона и аниона.

    Ввиду сложности зависимости =f( C) в электрохимии часто пользуются понятием эквивалентной электропроводности, которая облегчает математическую обработку некоторых закономерностей, присущих электролитам.

    Физически величину  можно определить, как электропроводность раствора, в котором растворен 1 г-экв электролита, заключенный между электродами, расположенными на расстоянии 1 см друг от друга. При этом поверхность каждого из электродов будет численно равна объему электролита, заключенному между этими электродами, т.к. V=sl, где V - объем электролита, содержащий 1 г-экв вещества, s - поверхность электродов, l - расстояние между ними.

    Поскольку l=1 см, то s=v/l=V (см2) (6)

    Этот объем V носит название разведение и будет обратно пропорционален концентрации

    V=1000/c, где c - концентрация г-экв/л.

    Видно, что с=V=1000/ci (7) Ом-1см2г-экв-1

    с=f(lk+la) (8)

    где f - коэффициент электропроводности.

    При повышении концентрации электролита наблюадется увеличение , однако, у ряда электролитов после некоторой оптимальной концентрации (обычно довольно высокой) может отмечаться иная зависимость (рис.1).



    Рис.

    Последнее объясняется резким усилением электростатических сил взаимодействия между ионами, что уменьшает их подвижность. Поэтому удобней пользоваться величиной, которая отражает зависимость только от одного фактора.

    В частности , выражая поводящие свойства всех ионов, входящих в состав одного г-экв, будет зависеть только от их подвижности (а для слабых электролитов и от степени диссоциации). Вследствие этого  с увеличением разведения ассимптотически стремится к величине - эквивалентной электропроводности при бесконечном разбавлении (рис.2). При бесконечном разбавлении раствора коэффициент электропроводности приближается к единице. По правилу Кольрауша эквивалентная электропроводность равна сумме электропроводностей отдельных ионов:

    =lk+la (9) и следовательно f=c/

    При бесконечно большом разбавлении (С0) эквивалентная электропроводность достигает значения предельной электропроводности.



    Рис.

    Цель и объем работы.

    Определить зависимость удельной электропроводности электролита от его концентрации (или от температуры, наличия посторонних электролитов и т.п.- по заданию преподавателя). Рассчитать величину эквивалентной электропроводности для контрольных точек (вид электролита - по заданию преподавателя).

    Объем выполняемой работы слагается из:

    1. Сборки электрической схемы и приготовления исследуемых растворов.

    2. Определения электролитической постоянной сосуда.

    3. Измерения сопротивлений исследуемых растворов.

    4. Расчета удельных и эквивалентных электропроводностей и графическое выражение их зависимости от заданного фактора.

    5. Сравнения экспериментальных и расчетных результатов со справочными данными.

    Методика измерения.

    Впервые измерения электропроводности растворов электролитов проводились в первой половине прошлого столетия. В этих измерениях применялся постоянный ток и электроды из различных металлов. Результаты первых измерений с применением постоянного тока оказались очень противоречивыми, слабо воспроизводимыми. Немецкий ученый Кольрауш показал, что основная причина плохой воспроизводимости электрических сопротивлений электролитов - применение постоянного тока. Прохождение постоянного тока сопровождается электролизом, измерением концентрации раствора электролита, возникновением диффузионных потоков веществ в электролите. Кольрауш предложил для измерения электропроводности применять переменный ток. Необходимость применения переменного тока при измерении электропроводности видно из сравнения прохождения постоянного и переменного тока через эквивалентную электрическую схему ячейки, которая может быть представлена комбинацией сопротивлений и емкостей.



    Рис.3. Эквивалентная электрическая ячейка для измерения электропроводности.

    Где: Rр-ции и Rр-ции - сопротивления электрохимической реакции на границе раздела M/L; Сд.э.с. и Сэ.д.с. - емкость Д.Э.С. на границе раздела M/L; Rр-ра - сопротивление раствора электролита между электродами.

    Поскольку сопротивление емкости, определяемое уравнением

    с=1/2fc (10), где:

    f - частота переменного тока; с - емкость д.э.с.

    Из уравнения видно, что в случае постоянного тока (f=0) с=, т.е. постоянный ток проходит только по сопротивлению электрохимической реакции. Поэтому эквивалентная электрическая схема ячейки для постоянного тока должна быть представлена в виде трех постедовательно соединенных сопротивлений



    Рис.4. Эквивалентная электрическая схема ячейки для постоянного тока.

    Электрическое сопротивление ячейки в этом случае равно сумме сопротивлений, превышающей сопротивление раствора. В зависимости от соотношения  Rр-ции и Rр-ра можно ожидать разной степени приближения к истинной величине сопротивления раствора, что и объясняет невоспроизводимость данных по измерению удельной электропроводности с использованием постоянного тока.

    Как следует из уравнения (10) при повышении частоты переменного тока сопротивление емкости (с) уменьшается и при достаточно больших частотах (10-100 кГц) сRр-ции, в этом случае эквивалентная электрическая схема границы раздела может быть представлена в виде одной емкости д.э.с., а эквивалентная электрическая схема ячейки в виде:



    Рис. . Эквивалентная электрическая схема ячейки для переменного тока высокой частоты.

    С целью дальнейшего снижения сопротивления границы раздела M/L (с), т.е. увеличения точности измерения Rр-ра, применяя развитие поверхности электрода путем нанесения на них слоя Pt черни, что позволяет увеличить емкость д.э.с. на 2-3 порядка.

    Таким образожм увеличение f и Сд.э.с. позволяет снизить переходное сопротивление на границе раздела до таких малых величин, что эквивалентная электрическая схема ячейки может быть представлена только одним сопротивлением раствора.

    Экспериментальная работа.

    Работа заключается в измерении сопротивления раствора электролита, залитого в специальный сосуд, имеющий два стационарно укрепленных платиновых электрода (рис. ). Расстояние между электродами делается очень малым (2-3 мм) для плохо проводящих растворов, и большим для хорошо проводящих растворов (4-6 см).

    Рис. Ячейки для измерения электропроводности.

    Конструкция сосудов должна обеспечивать хорошее термостатирование, удобства промывки электродов, заполнения ячейки и удаления из нее электролита. Во избежание значительного тепловыделения в ячейки рекомендуется измерения проводить при очень малых токах и очень быстро.

    Используя закон Ома, можно рассчитать величину удельного сопротивления , зная общее сопротивление раствора R:

    (11)

    Отсутствие величин l и s, которые не могут быть определены обычными измерительными методами из-за некоторой непрямолинейности силовых линий, неравномерности распределения тока по поверхности электродов и т.д., восполняется экспериментальным определением их соотношения l/s=С - электрической постоянной сосуда.

    Для нахождения С измеряют R1 какого-нибудь раствора электролита, но с уже известной величиной . При этом С=R/ (12). В качестве эталонного электролита обычно используют 0,02N или 0,1N растворы KCl, удельные электропроводности которых при t=250C равны 0,002765 и 0,01289 Ом-1см-1 соответственно.

    Для измерения электропроводности чаще всего применяют схему мостика Уитстона (рис. ).



    В этой схеме а и b - сопротивления, которые могут быть постоянными и переменными, Rм - магазин сопротивления, Rх - электролитическая ячейка, Н - нуль-инструмент (электронный осциллограф). Схема питается слабым переменным током высокой частоты, устраняет возможную электродную поляризацию, влияние которой будет проявляться при использовании постоянного тока и даже переменного тока промышленной частоты.

    Наличие же электродной поляризации приведет к завышению экспериментальных значений сопротивления по сравнению с действительными величинами. Для того, чтобы полностью устранить влияние поляризации, а так же для увеличения электрической емкости ячейки, иногда применяют электроды не из гладкой, а из платинированной платины, истинная поверхность которой в несколько раз больше кажущейся поверхности.

    Собирают схему и заполняют сосуд раствором KCl нужной концентрации.

    Затем включают генератор звуковой частоты при =1000HZ сначала при небольшой амплитуде. Подбирают сопротивление Rм до минимума тока, проходящего через нуль-инструмент - электронный осциллограф. Большая точность измерений достигается путем увеличения выходной мощности генератора звуковой частоты (описание моста переменного тока см. ниже).

    На основе найденной величины Rx рассчитывают постоянную сосуда С. Затем производят измерение сопротивления исследуемых растворов электролитов. После каждого измерения сосуд ополаскивается сначала несколько раз дистиллированной водой, затем применяемым в последующем опыте раствором электролита и только тогда заливается раствор для измерения.

    Примечание: Включение схемы производится только после ее проверки преподавателем или лаборантом.

    Оформление отчета.

    Отчет должен содержать небольшое теоретическое введение, кратко сформулированную цель работы, методику эксперимента с электрическими схемами, описанием и эскизом применяемого сосуда (ячейки), экспериментальные и расчетные данные в сводных таблицах и графиках, обсуждение результатов, выводы и использованную литературу.

    Например. Цель работы: снять зависимость удельной и эквивалентной электропроводности раствора H2SO4 или CuSO4 от концентрации (разведения).

    Зависимость электропроводности раствора H2SO4(CuSO4) от концентрации. Температура - ______. Постоянная сосуда _________.

    Концентрация раствора электролита

    а

    б

    в

    г

    д

    Проводимость раствора, I/R, см
















    Удельная электропроводность,  Ом/см
















    Разведение раствора, V мл/г-экв
















    Эквивалентная электропроводность,  Омсм2/г-экв
















    Концентрации а,б,в,г,д для растворов электролитов H2SO4 и CuSO4 соответственно равны: H2SO4(г-экв/л): 0.1; 0.5; 1.0; 2.0; 4.0. CuSO4 (г-экв/л): 0.1; 0.2; 0.4; 1.0; 2.0. По данным эксперимента должны быть изображены также графические зависимости: =f( C) и =f(v).

    Контрольные вопросы.

    1. Что называется удельной и эквивалентной электропроводностью? Их физический смысл и взаимосвязь.

    2. Как влияет температура и концентрация раствора электролита на удельную и эквивалентную электропроводность?

    3. Предельная электропроводность. Физический смысл.

    4. Связь эквивалентной электропроводности при данной концентрации с предельной электропроводностью и концентрацией раствора электролита. Электрофоретический и релаксационный эффект.

    5. На чем основан принцип действия мостовой схемы измерения электропроводности. Составляющие схемы, назначение.

    6. Эквивалентная схема электролитической ячейки.

    7. Что такое постоянная сосуда? Как ее определить?

    Литература.

    1. Антропов Л.И. Теоретическая электрохимия. М., Высшая школа, 1975, с.98-116, 121, 126-128, 130.

    2. Дамаскин Б.Б., Петрий О.А. Электрохимия, М., Высшая школа, 1987, с.65-69.

    Приложение.

    Инструкция по эксплуатации моста переменного тока Р 5021.

    1. Включите в сеть: мост переменного тока З 5021, индикатор баланса моста Ф 582 и генератор переменного тока Г3-36. Прогреть приборы в течение 30 мин. Установить напряжение на генераторе 1,52,5В.

    2. Переведите переключатель «Чувствительность» индикатора Ф 582 в положение, при котором размах вертикального отклонения составит 5-6 мм на его экране. Добейтесь вращением ручки «Настройка» максимального вертикального отклонения луча.

    3. Установите схему замещения: последовательное соединение емкости С и проводимости Ст1

    При балансе моста проводимость Ст1 равна проводимости раствора электролита Ст1=1/Rр-ра, а емкость С соответствует последовательно включенным емкостям двойного электрического слоя каждого из электродов: С=Сд.э.с.Сд.э.с./ Сд.э.с.д.э.с., где Сд.э.с. и Сд.э.с. - емкости двойного электрического лося при эквивалентной схеме ячейки:


    1. Нажмите кнопку переключателя «Поддиапазоны» на Р 5021, соответствующую III поддиапазону.

    2. Произведите уравновешивание измерительной цепи моста вращением ручек магазинов С и Ст1 и, следя за размером вертикального отклонения по экрану индикатора Ф 582, которое в случае правильного направления уравновешивания будет уменьшаться, вращайте ручки управления магазинов С и Ст1 до минимального вертикального размаха луча на экране Ф 582.

    Блок-схема установки.
      1   2   3
    написать администратору сайта