5. Экспериментальная часть

Цель работы:

1. Провести электролиз растворов электролитов для получения некоторых гальванопокрытий, используемых в производстве изделий радиоэлектронной аппаратуры.

2. Установить особенности разряда ионов на катоде и аноде в зависимости от состава электролита и материала анода.

3. Познакомиться с важным показателем эффективности процесса электролиза – выходом по току.

4. Приобрести навыки использования величин электродных потенциалов для определения направления электродных процессов.

Опыты проводят в приборе, представленном на рис. 1.

Рис. 1. Установка для проведения электролиза: 1- электролизер; 2 - электроды; 3 - источник постоянного тока (выпрямитель)

Опыт 1. Получение медных покрытий.

Меднение проведите на стальных образцах размером 1х5 см². Предварительно образцы обезжирьте в щелочном растворе, а затем декапируйте в растворе HCl (1:1). Для меднения используйте электролит состава (г/л): сернокислая медь CuSO₄· 5H₂O – 250; серная кислота H₂SO₄ -50; спирт этиловый C₂H₅OH – 8. Аноды – из меди. Режим электролиза: температура в ⁰С – 20-25; плотность тока в А/дм² – 1,0.

Налейте в электролизер раствор электролита, погрузите электроды и присоедините их к выпрямителю: к аноду – медный, а к катоду – стальной. Включите выпрямитель и выставите напряжение на вольтметре соответственно катодной плотности тока. Через несколько минут прекратите электролиз и отметьте на катоде красный налет меди. Напишите уравнения катодного и анодного процессов. Напишите уравнения электродных реакций.

Проведите испытание медного покрытия. Для этого измерьте электросопротивление медного покрытия и сравните его с электросопротивлением железного образца, не покрытого медью.

Опыт 2. Получение никелевых покрытий. Определение выхода по току никеля из сернокислого электролита.

Никелирование проведите на стальных образцах размером 1х5 см². Предварительно образцы обезжирьте в щелочном растворе, а затем декапируйте в растворе H₂SO₄ (1:1). Для никелирования используйте электролит состава (г/л): сернокислый никель NiSO₄· 7H₂O – 180; сернокислый натрий Na₂SO₄ · 10H₂O – 50; сернокислый магний MgSO₄ · 7H₂O – 30; хлористый натрий NaCl – 10; борная кислота H₃BO₃ – 25; рН 5.0 -5,5. Аноды – из никеля.

Режим электролиза: температура в ⁰С –20 - 25; плотность тока в А/дм² – 1,0. Продолжительность электролиза 10 минут.

Для проведения опыта соберите установку согласно схеме, представленной на рис. 2.

Рис. 2. Установка для определения выхода по току никеля

При электроосаждении никеля из сернокислого электролита на катоде протекают два сопряженных процесса восстановления

Ni²⁺ + 2ē = Ni⁰

2Н⁺ + 2ē = Н₂.

Большая часть тока расходуется на выделение никеля. Остальная часть тока – на выделение водорода. Определение выхода по току никеля производят по формуле

ВТ_Ni = m_{Ni практ} / m_{Ni теор.} · 100 % (1)

,

где m_{Ni практ.} – привес никеля на катоде; m_{Ni теор.} – масса никеля, теоретически рассчитанная по закону Фарадея и определяемая в зависимости от прошедшего электричества Q = Iτ (I – сила тока, τ - длительность электролиза) :

m_{Ni теор.} = Q ·K_Ni, (2)

где K_Ni – электрохимический эквивалент никеля, равный

К_Ni = Э_Ni / F = 29,4/26,8 = 1,09 г/А.ч (3)

где Э_Ni – химический эквивалент никеля (58,8 г/моль /2); 26,8 А/ч. - число Фарадея.

В реальных условиях протекания электролиза величину F определяют с помощью кулонометра, который включается в схему последовательно с электролизером для никелирования. Медный кулонометр представляет собой стеклянный сосуд емкостью 250 мл, заполненный электролитом состава: (г/л): CuSO₄ · 5H₂O – 250; H₂SO₄ – 50; C₂H₅OH – 5. В электролит погружают медные электроды. При прохождении электрического тока через электролит на электродах кулонометра протекают следующие электрохимические реакции:

А: Cu – 2ē = Cu²⁺ (окисление)

К: Cu²⁺ + 2ē = Cu⁰ (восстановление)

Количество электричества, протекающего через ячейку медного кулонометра, можно определить по формуле

, (4)

где m_Cu – масса медного катода кулонометра; К_Cu – электрохимический эквивалент меди.

г/А·ч, (5)

где Э_Cu – химический эквивалент меди.

Из сопоставления формул (3) и (5) следует:

m_{Ni теор.} = 1,09/1,19 · m_{Cu практ. =} 0,92 · m_{Сu практ.}

Таким образом, зная привес медного катода, можно рассчитать m_{Ni теор.} и определить выход по току никеля:

ВТ_Ni = m_{Ni практ.} / 0,92· m_{Сu практ.} · 100 % (6)

Результаты запишите в таблице.

Масса электродов	Катод с медным покрытием ( кулонометр)	Катод с никелевым покрытием
Масса катода до опыта
Масса катода после опыта
Привес образца

Для характеристики коррозионной стойкости полученных никелевых покрытий необходимо определить число пор на поверхности испытываемых образцов. С этой целью необходимо изготовить три стальных образца, покрытых никелем при различном времени электролиза – 5, 10 и 20 минут. Затем на поверхность образцов наложите фильтровальную бумагу, смоченную раствором состава (г/л): K₄[Fe(CN)₆] -10; NaCl – 20. Через 10 мин. подсчитайте число образующихся синих точек – сквозных пор до железной основы. Оцените влияние времени электролиза (толщины катодного осадка) на пористость никелевых покрытий и их коррозионную стойкость.

Опыт 3. Получение кадмиевых покрытий

Кадмирование проведите на стальных образцах размером 1х5 см²в установке рис.1. Предварительно образцы обезжирьте в щелочном растворе, а затем декапируйте в растворе HCl (1:1). Для кадмирования используйте электролит состава (г/л): сернокислый кадмий CdSO₄· 8/3 H₂O – 60; сернокислый алюминий Al₂(SO₄)₃ · 18H₂O -25; сернокислый аммоний (NH₄)₂SO₄ – 30; столярный клей или желатина 0,5; рН 3,5-5,5. Аноды – из кадмия. Режим электролиза: температура в ⁰С –20 - 25; плотность тока в А/дм² – 1,0; продолжительность электролиза – 5 минут.

Налейте в электролизер раствор электролита, погрузите электроды и присоедините их к выпрямителю: к аноду – кадмиевый, а к катоду – стальной. Включите выпрямитель и выставите напряжение на вольтметре соответственно катодной плотности тока. Затем образец промойте и высушите и опустите в раствор для хроматирования состава (в г/л): K₂Cr₂O₇ – 15; НNO₃ – 10. Продолжительность хроматирования – 5 сек. при комнатной температуре. Затем образец промоте и протрите фильтровальной бумагой. Сравните внешний вид нехроматированного образца и хроматированного. Определите пористость кадмиевых осадков хроматированных и нехроматированных по методике, указанной в опыте 2 и сделайте соответствующие выводы по коррозионной стойкости покрытий.

Напишите уравнения катодного и анодного процессов кадмирования.

Опыт 4. Получение цинковых покрытий

Цинкование проведите на стальных образцах размером 1х5 см²в установке рис.1. Предварительно образцы обезжирьте в щелочном растворе, а затем декапируйте в растворе HCl (1:1). Для цинкования используйте электролит состава (г/л): сернокислый цинк ZnSO₄· 7 H₂O – 200; сернокислый алюминий Al₂(SO₄)₃ · 18H₂O -30; сернокислый натрий Na₂SO₄ · 10H₂O – 50; декстрин – 10; рН 3,5-4,5. Аноды – из цинка. Режим электролиза: температура в ⁰С – 20 - 25; плотность тока в А/дм² – 2,0; продолжительность электролиза – 5 минут.

Налейте в электролизер раствор электролита, погрузите электроды и присоедините их к выпрямителю: к аноду – цинковый, а к катоду – стальной. Включите выпрямитель и выставите напряжение на вольтметре соответственно катодной плотности тока.

Получите цинковые покрытия на трех стальных образцах при различной продолжительности электролиза – 3, 6 и 10 мин. Определите пористость двух первых образцов методом нанесения пасты. Пасту нанесите на поверхность образцов кистью и выдержите 10 мин, а затем подсчитайте число окрашенных в розовый цвет участков, соответствующих числу пор.

Приготовление пасты: 2 ч. фенантролина растворите в 10 мл 0,1 М раствора НСl, введите двуокись титана из расчета 10-15 г на 10 мл раствора. Смесь тщательно перемешайте до однородной массы.

Третий образец опустите в раствор для хроматирования (по методике опыта 3). Определите пористость хроматированных образцов методом нанесения пасты и сравните пористость трех образцов.

Напишите уравнения катодного и анодного процессов цинкования.

Опыт 5. Получение хромовых покрытий

Хромирование проведите на образцах из медной фольги размером 2х5 см²в установке рис.1. Предварительно образцы обезжирьте в щелочном растворе, а затем декапируйте в растворе H₂SO₄ (1:1). Для хромирования используйте электролит состава (г/л): сернокислый хром Cr₂(SO₄)₃·6H₂O – 100; сернокислый алюминий Al₂(SO₄)₃ · 18H₂O -100; сернокислый аммоний (NH₄)₂SO₄ – 30; сульфосалициловая кислота - 15; рН 1,5-2,5. Аноды – из платины. Режим электролиза: температура в ⁰С –30 - 35; плотность тока в А/дм² – 20, 30 и 40 А/дм²; продолжительность электролиза – 5 минут. Сравните внешний вид катодных осадков. Сделайте вывод о влиянии электролиза на структуру и внешний вид покрытий. С помощью микроскопа МИМ-7 определите наличие сетки трещин на поверхности хромовых покрытий.

Опыт 6. Получение серебряных покрытий

Серебрение проведите на образцах из медной фольги размером 2х5 см²в установке рис.1. Предварительно образцы обезжирьте в щелочном растворе, а затем декапируйте в растворе H₂SO₄ (1:1). Для серебрения используйте нецианистый железосинеродистый электролит состава (в г/л): хлористое серебро AgCl - 3; железосинеродистый калий K₄[Fe(CN)₆] -10; кальцинированная сода Na₂CO₃ · 10H₂O – 25; анод- серебряный. Режим электролиза: температура в⁰С – 15-25; плотность тока в А/дм² – 0,15.

Испытайте серебряные покрытия на паяемость и электропроводимость.

Опыт 7. Получение покрытий сплавом олово-никель.

Покрытии сплавом Sn-Ni проведите на образцах из медной фольги размером 2х5 см²в установке рис.1. Предварительно образцы обезжирьте в щелочном растворе, а затем декапируйте в растворе H₂SO₄ (1:1). Для осаждения покрытий используйте электролит состава (в г/л): хлористый никель NiCl₂ · 2H₂O 250; хлористое олово SnCl₂ · 2H₂O 45; фтористый натрий NaF -30; фтористый аммоний NH₄F – 35; рН 4,5-5,0. Режим электролиза: температура в⁰С – 50; плотность тока в А/дм² – 2,0.

На два стальных образца нанесите покрытие сплавом олово-никель, изменяя продолжительность электролиза от 5 до 10 мин. Определите пористость покрытий методом наложения фильтровальной бумаги, смоченной раствором K₄[Fe(CN)₆] и NaCl (опыт 2) и сравните с пористостью никелевых покрытий.

Сравните паяемость покрытий сплавом олово-никель с паяемостью никелевых покрытий.