Лекция №12

NF

М

m= ¾ It

где M- молекулярный (или атомный) вес выделенного вещества, n-число

электронов в суммарном уравнении электрохимической реакции.

Опыт показал, что зависимость потенциала электрода от плотности тока описывается уравнением Тафеля

j = a + blg i

где a и b- постоянные. В координатах j - lg i поляризационная кривая (ПК) представляет собой прямую с наклоном b, который называют тафелевским наклоном.

Таким образом, анодная и катодная ПК могут быть представлены парой прямых. Точка пересечения которых отвечает равновесному потенциалу электрода и току обмена реакции (рис. 1)

j

Red = Ox + ne - анодный процесс

анодная поляризационная кривая

j_p

Ox + ne = Red -катодный процесс

катодная поляризационная кривая

i_o lg i

Рис. 1. Схема поляризационных кривых (ПК).

Разность h = j- j_р называют перенапряжением. Уравнение Тафеля чаще записывают не через потенциала, а через перенапряжение

h= а + blg i

В электролизере на электродах одновременно протекают две независимые электрохимические реакции

Ox1 + ne = Red1

Red2 = Ox2 + ne

и для каждой из этих реакций теоретически можно построить свою па-

ру анодных и катодных ветвей поляризационных кривых (cм. ниже рис. 2)

j

Red1 = Ox1 + ne

j_р(Ox1/Red1)

Ox1 + ne = Red2

j_р(Ox2/Red2) Red2 = Ox2 + ne

Ox2 + ne = Red2

lg i

Рис.2 Схема поляризационных кривых для двух независимых реакций электролизера

.

Каждой из этих реакций отвечает свой равновесный потенциал, который определяется уравнением Нернста. Их разность определяет так называемое напряжение разложения

U_{разлож.}= j_р(Ox1/Red1) - j_р(Ox2/Red2₎

т.е. минимальное напряжение, которое необходимо приложить к электролизеру от внешнего источника тока, для того чтобы мог начаться процесс электролиза.

Электролизом раствора хлорида натрия в промышленности получают газообразный хлор и щелочь. На аноде протекает реакция окисления хлорид ионов с образованием газообразного хлора

2Сl^- = Cl₂ + 2e анодный процесс

а на катоде восстановление воды с образованием щелочи и выделением водорода

2H₂О + 2e = Н₂ + 2OH^- катодный процесс

Электролизом соединений алюминия в промышленности получают алюминий. Аналогичным образом получают и магний.

В технологии используется также электрохимическая размерная обработка. Сущность такой обработки состоит в том, что деталь подключается к положительному полюсу источника тока, а обрабатывающий инструмент - к отрицательному. В зазор между деталью и инструментом с большой скоростью пропускают раствор электролита, что обеспечивает анодное растворение металла заготовки и вынос продуктов растворения. Электрохимическая размерная обработка позволяет провести обработку деталей из материалов, трудно обрабатываемых механическими способами, или деталей сложной формы.

Гальванические покрытия широко применяются в различных отраслях промышленности для защиты изделий от коррозии, увеличения срока службы и придания им красивого декоративного вида. В технологии широко используются такие процессы нанесения гальванических покрытий, как цинкование, кадмирование, меднение, никелирование, хромирование, лужение, серебрение, золочение, электролитическое осаждение сплавов..

Анодирование- получение оксидов на поверхности металлов и полупроводников при анодной поляризации в кислородсодержащих средах с ионной проводимостью.

За счет образования анодного оксида изменяются поверхностные свойства материала: твердость, электрическое сопротивление, термостойкость, изностойкость, каталитическая активность и др.

Широко распространена технология анодирования алюминия, титана, тантала, ниобия, кремния, германия, арсенида галлия.

В зависимости от вида кислородсодержащей среды, заполняющей межэлектродное пространство, различают анодирование: в водных растворах электролитов, в расплавах солей, в газовой плазме, плазменно-электролитическое.

Анодирование в водных растворах электролитов наиболее распространенный и универсальный способ, легко поддающийся автоматизации. Площадь одновременно анодируемых в ванне изделий определяется только вместимостью ванны и мощностью источника тока и достигает 100 м² и более. В качестве электролитов применяют водные растворы кислот или щелочей. Основное назначение оксидов, полученных этим методом, -защита металлических изделий от коррозии, декоративная отделка, упрочнение поверхности, применение в качестве диэлектрика конденсаторов, основы для фотографического слоя, полупроводниковых переходов, подслоя для лаков и красок и др.

В электролитах борной кислоты, буры, нитратов, фосфатов, бикарбонатов получают тонкие (до 1 мкм) плотные оксиды.

В электролитах кислот хромовой, серной, щавелевой, фосфорной, а также сульфатов получают оксиды до 250 мкм. Эти оксиды имеют двухслойную структуру: тонкий, прилегающий к металлу слой имеет плотную упаковку; наружный слой-пористый.

В растворах хлорида или фторида анодный оксид не возникает; происходит травление металлов.

Для получения оксидов толщиной 150-250 мкм обычно требуется охлаждение электролита и изделия.

Цветостойкие покрытия получают:

- анодированием в двух- и трехкомпонентных электролитах, содержащих ароматические сульфокислоты и серную кислоту;

- в растворах неорганических солей реакций двойного обмена-осаждением в порах оксида цветного неорганического соединения;

- в растворах неорганических солей с использованием переменного тока.

Непрозрачные защитно-декоративные эмаль-покрытия имеют толщину в несколько десятков мкм, обладают высокой твердостью и хорошей адгезией. Их получают в электролитах на основе хромовой и щавелевой кислот и их солей.

Установка для анодирования представляет собой ванну, заполненную электролитом, в которую помещены два электрода: катод и окисляемое изделие-анод.

Наиболее распространенный электролит при анодировании алюминия - водный раствор серной кислоты. Катод выполняют из свинца, графита или коррозионно-стойкой стали. Часто применяемый режим толстослойного анодирования: концентрация серной кислоты 200 г/л; плотность тока 2.5-5 А/м²; напряжение 15-120 В; температура электролита -4-4⁰С; продолжительность анодирования 240 мин; толщина покрытия до 175 мкм.

В радиоэлектронной промышленности анодирование в водных растворах электролитов применяется при производстве конденсаторов.

Анодирование в расплавах солей применяют для получения оксидов повышенной толщины и микротвердости, в частности, на меди и железе. В качестве электролита используют расплавы солей с температурой до 400⁰С. Это метод применяют для создания диэлектрика высоковольтных конденсаторов и электроизоляционных покрытий.

Анодирование в газовой плазме. Различают анодирование в плазме тлеющего разряда постоянного тока и в плазме высокочастотного разряда. Анодирование ведут под колпаком вакуумной установки при пониженном давлении. На два электрода, служащие для разряда, подают напряжение 500-1500 В. Анодирование в газовой плазме ведут в среде кислорода или атмосферного воздуха, обычно при давлении 1-100 Па. Максимальная толщина окислов достигает 800 нм. Анодирование в газовой плазме широко применяют в микроэлектронике.

Плазменно-электролитическое анодирование имеет особенности, заключающиеся в том, что окисляемый образец - анод помещают в электролит, а катод размещают над анодом выше уровня электролита. Этот способ является промежуточным между анодированием в водных растворах электролитов и плазменным анодированием.

Дата добавления: 2014-12-08