Гальванічні покриття

Тольяттинский машинобудівний техникум.

РЕФЕРАТ.

на тему:

" Гальванічні покриття «.

Виконав: Кірєєв А.Н.

Грн. Еге 15−3 (т).

Тольятті 2003.

1. Гальванічні покрытия.

2. Гальваностереотипия.

3. Гальванотехника.

4. Гальваностегия.

5. Гальванопластика.

6. Электрохимия.

1. Гальванічні покриття металевої плівки завтовшки від часткою мкм до десятих часткою мм, що завдають методом електролітичного осадження на поверхню металевих виробів з метою захисту їхню відмінність від корозії і механічного зносу, і навіть повідомлення поверхні спеціальних фізичних і хімічних свойств.

2. Гальваностереотипия (від гальванопластика… і стереотип), спосіб виготовлення копій форм високої друку (стереотипів) методом гальванопластики. Р. у світі (1839) була застосована у Експедиції заготовления державних паперів у Петербурзі для розмноження друкованих форм. Вона містить: матрицирование, власне электролитическое осадження металу (зазвичай міді) на матрицю щоб одержати друкованої форми (коли обложений шар металу сягає потрібної товщини — 0,25—0,30 мм, його відділяють від матриці) й оздоблення. Р. дає точніше відтворення оригінальної (вихідної) форми, ніж звичайний литої стереотип. Зносостійкість мідних гальваностереотипов — до 200—250 тис. відбитків (цинкових —25—30 тис. відбитків), а після додаткового покриття їх тонким шаром заліза чи нікелю — мільйон відбитків. Гальваностереотипы застосовуються переважно для друкування книжок і журналів із великим кількістю ілюстрацій, і навіть багатотиражних кольорових репродукций.

3. Гальванотехника, область прикладної електрохімії, що охоплює процеси електролітичного осадження металів на поверхню металевих і неметалевих виробів. Р. включає: гальваностегию — отримання на поверхні виробів міцно зчеплених із нею тонких металевих покриттів і гальванопластику — отримання легко отделяющихся, щодо товстих, точних копій з різних предметів, т. зв. матриць. Відкриття і технічна розробка Р. належать російському вченому Б. З. Якобі, що ж він доповів 5 жовтня 1838 на засіданні Петербурзької АН.

Р. полягає в явище электрокристаллизации — осадженні на катоді (покрываемом виробі в гальваностегии чи матриці в гальванопластике) позитивно заряджених іонів металів з водних розчинів їх сполук при пропущенні через розчин постійного електричного струму. Кількісно гальванотехнические процеси регулюються за законами Фарадея з урахуванням побічних процесів, що зводяться найчастіше до виділення на поверхні покрываемых виробів поруч із металом водню; якісно — типом і складом електроліту, режимом електролізу, т. е. щільністю струму, а також температурою і інтенсивністю перемішування. Розрізняють електроліти на основі простих чи комплексних сполук. Перші значно простіше, дешевше і за інтенсивному перемішуванні (частіше повітряному) допускають застосування високих плотностей струму, що прискорює процес електролізу. Так, наприклад, в гальваностегии під час покриття виробів простий конфігурації електроліт з урахуванням сірчанокислого цинку у присутності колоїдних добавок допускає щільність струму до 300 а/м2, а при інтенсивному повітряному перемішуванні — до 30 ка/м2. У гальванопластике розчини простих солей, частіше сернокислых, зазвичай застосовують без впровадження якихось органічних добавок, т. до. в товстих шарах ці добавки негативно позначаються механічних властивості отриманих копій. Застосовувана щільність струму нижче, ніж у гальваностегии; в залізних гальванопластических ваннах вона перевищує 10—30 а/м2, тоді як із железнении (гальваностегия) щільність струму сягає 2000—4000 а/м2. Гальванічні покриття повинні мати мелкокристаллическую структуру і рівномірну товщину в різних ділянках покрываемых виробів — виступах і поглибленнях. Це вимога має в гальваностегии особливо важливого значення під час покриття виробів складної конфігурації. І тут використовують електроліти з урахуванням комплексних сполук чи електроліти з урахуванням простих солей з добавками поверховоактивних речовин. Прикладом сприятливого впливу поверхнево-активних речовин на структуру покриття може бути процес осадження олова з сірчанокислого олов’яного електроліту; без добавок поверхнево-активних речовин лежить на поверхні покрываемых виробів виділяються ізольовані кристали, схожі на ёлочную мішуру і які мають ніякої цінності як покриття. При запровадження у електроліт фенолу, крезола чи ін. сполуки ароматичного низки разом із невеликою кількістю коллоида (клей, желатину) утворюється щільне, міцно зчеплене покриття з цілком задовільною структурою. З лужних олов’яних електролітів, в яких олово перебуває у вигляді негативного комплексного іона (SnO3)4-, за нормальної температури 65—70° З без будь-яких поверхнево-активних речовин виходять добре зчеплені мелкокристаллические покриття. Причина такого розбіжності у поведінці кислих і лужних електролітів у тому, що у перших прості іони двухвалентного олова за відсутності поверховоактивних речовин розряджаються без скільки-небудь помітного гальмування (поляризації), а лужних електролітах олово перебуває у вигляді комплексних іонів, разряжающихся з великим гальмуванням. Для цинкування виробів складної форми застосовують щёлочно-цианистые електроліти чи ін. комплексні солі цинку. Для кадмирования виробів застосовуються, зазвичай, ціанисті електроліти. Те ж саме сказати про сріблення, золочення, латунирование.

Істотну роль гальванотехнических процесах грають аноди, основне призначення яких — заповнювати в электролите іони, разряжающиеся на покрываемых виробах. Аноди нічого не винні утримувати домішок, негативно які впливають зовнішній вигляд і структуру покриттів. У окремих випадках анодам надають форму покрываемых виробів. Процеси хромування, золочення, платинування, родирования та інших. протікають з нерозчинними анодами з металу чи сплаву, стійкого у цьому электролите. Коригування електроліту із метою збереження сталості її складу здійснюється періодичним запровадженням солей чи ін. сполук выделяющегося металла.

Усі як гальванопластики, і гальваностегии протікають у гальванічних ваннах. Часто гальванічної ванній називають також склад що у ній електроліту. Матеріалом ванни залежно від її ж розмірів та ступеня агресивності електроліту можуть бути: кераміка, емальований чавун, сталь, футерованная свинцем чи винипластом, органічне скло та інших. Ёмкость ванн коштує від часткою м (для золочення) до 10 метрів і більш. Розрізняють ванни: стаціонарні (покрываемые вироби у яких нерухомі), напівавтоматичні (вироби обертаються чи переміщаються із широкого кола чи подковообразно) і агрегати, у яких автоматично здійснюються завантаження, вивантаження і транспортування виробів вздовж низки ванн. Постійний струм для електролізу отримують головним чином селеновых і кремнієвих выпрямителей, щільність струму регулюється з допомогою багатоступінчастого трансформатора.

4. Гальваностегия застосовується ширше, ніж гальванопластика; її мета надати готовим виробам чи напівфабрикатах певні властивості: підвищену коррозионную стійкість (цинкованием, кадмированием, лужением, свинцеванием), зносостійкість тертьових поверхонь (хромированием, железнением). Р. застосовується для защитно-декоративной обробки поверхні (досягається никелированием, хромированием, покриттям дорогоцінними металами). У порівняні з здавна применявшимися методами нанесення покриттів (наприклад, зануренням в розплавлений метал) гальваностегический метод має низку переваг, особливо у випадках, коли можна обмежитися незначною завтовшки покриття. Так, процес покриття оловом жерсті для харчової тари електролітичним методом витісняє старий, гарячий метод; США электролитически лужёная жерсть становить понад 99% від усієї продукції (1966). Витрата олова у своїй скорочений в багато разів головним чином рахунок диференціації товщини олов’яного покриття від 0,2—0,3 до 1,5—2 мкм. залежно від рівня агресивності харчової середовищ. Усі покриття в гальваностегии повинні прагнути бути міцно зчеплені з покрываемыми виробами; багатьом видів покриттів ця потреба має бути задоволено за будь-якої ступеня деформації основного металу. Міцність зчеплення між покриттям і залишається основою забезпечується належної підготовкою поверхні покрываемых виробів, що зводиться до повного видалення окислів і жирових забруднень шляхом травлення чи знежирення. При заподіянні защитно-декоративных покриттів (срібних, золотих тощо. п.) необхідно видалити із поверхні виробів що залишилася від попереднього операцій шорсткість шлифованием і полированием.

Технологічний прогрес в гальваностегии розвивається за шляху безпосереднього отримання блискучих покриттів, які потребують додаткової полірування; прогрес у сфері устаткування залежить від з розробки й впровадженні механізованих та автоматизованих агрегатів для механічної підготовки поверхні і є нанесення покрить, зокрема всі допоміжні операції, до нанесення покрить на безперервну смугу із наступною штампуванням виробів (наприклад, автомобільні кузова, консервна тара та інших.). Провідними галузями промисловості, у яких гальваностегия має отже, питому вагу, є автомобілебудування, авіаційна, радіотехнічна і електронна промисловість і др.

5. Гальванопластика відрізняється від гальваностегии переважно методами підготовки поверхні зворотних зображень копируемых предметівматриць й більшої завтовшки наращиваемого металу (кілька десятків і в сотні разів). Матриці бувають металеві і неметалеві. Переваги металевих матриць полягають у більш легкої підготовці поверхні (частіше методом оксидирования) й можливості зняття великої кількості копій. Як проміжного поверхневого шару на металеву матриці зазвичай завдають тонку плівку срібла (десяті частки мкм) чи нікелю (до 2 мкм). Обидва ці металу чудово оксидируются при трихвилинному зануренні у 2—3%-ный розчин біхромату і забезпечують легкий съём нарощеного шару. Перспективно використання у ролі матеріалу для металевих матриць оксидированного алюмінію. Повідомлення електричної провідності лицьової поверхні неметалічних матриць зазвичай здійснюється шляхом її графитирования. Для цього вільний від домішок мелкочешуйчатый графіт завдають на поверхню матриці м’якими волосяними щётками. Для великих і складних по рельєфу предметів, наприклад статуй, барельєфів тощо. п., найбільш уживані гіпсові і гутаперчеві матриці. При виготовленні матриць подібні предмети ділять до дільниць. Отримані гальванопластически прямі копії з'єднують пайки з такою розрахунком, щоб шви не спотворили изображения.

Найпоширеніша мідна гальванопластика, менше — залізна і никелевая. Основна сферу застосування гальванопластики — поліграфія. Гальванопластика широко застосовується також за виготовленні матриць грамплатівок, для волноводов і др.

6. Електрохімія, розділ фізичної хімії, предметом вивчення якого є об'ємні і поверхневі властивості твердих і рідких тіл, містять рухливі іони, і механізми процесів з участю іонів межах розділу й у обсязі тіл. Практичне значення електрохімічних процесів, їх роль в живий організм, своєрідність експериментальної техніки сприяли виділенню Еге. в самостійний розділ науки.

Виникнення основних уявлень. У 1800 А. Вольта побудував перший джерело тривалого постійного струму (вольтов стовп). Вольта пов’язував виникнення електрорушійної сили (эдс) з зв’язком різнорідних металів (т. зв. контактна теорія). З допомогою вольтова стовпа англійські вчені У. Ніколсон й О. Карлейль електроліз що його розкладання води (1800) на водень і кисень. У 1807 Р. Деві електроліз увлажнённого їдкого розжарюй отримав металевий калій; це перша застосування електрохімічного методу щоб одержати нового речовини. Початок роботам по Еге. у Росії поклав У. У. Петров (электровосстановление металів з їхньої окислів, 1803). У 1833—34 М. Фарадей встановив найважливіші кількостей, закономірності Еге. — Фарадея закони. Він також і запровадив в Еге. терміни електроліз, електроліт, електрод, катод і анод, катіон, аніон, іони, але він не представляв ще собі іони як вільно існуючі частки. Фарадей показав, що генерування електричної енергії гальванічним елементом завжди супроводжується хімічним процесом. До того ж періоду (1838) належить відкриття англійським ученим Дж. Даниелом першого гальванічного елемента і «відкриття Б. З. Якобі гальванопластики — першого широко використаного методу прикладної Э.

Вивчення проходження струму. Р. Клаузиус зазначив (1857), що у які проводять струм розчинах має існувати вільні заряджені частки; їх рух і створює електричний струм. Розробка (1853—59) І. Гитторфом методу визначення чисел перенесення і прецизійні виміру електропровідності, виконані Ф. Кольраушем (1874), довели незалежне рух іонів, підготувавши можливість створення З. Аррениусом теорії електролітичної дисоціації (1887). Закономірності дисоціації слабких електролітів були встановлено У. Оствальдом (1888). Можливість існування вільних іонів стала зрозумілою після введення уявлення про енергію сольватации (для водних розчинів — гідратації). На необхідність обліку такого хімічного взаємодії зазначив вперше І. А. Каблуків. П. Дебай і «німецький учений Еге. Хюккель знайшли (1923), що властивості розбавлених розчинів сильних електролітів в розчинниках із високим діелектричним проницаемостью можуть бути кількісно витлумачені в припущенні їхній повній дисоціації при обліку електростатичного взаємодії між зарядженими частинками. У подальшому розроблялася теорія, застосовна до вищим концентрациям, вивчалися неводные розчини і розплавлені електроліти. В останні десятиліття приділяється твердим электролитам з високої іонній провідністю. При дослідженні взаємодії іонів між собою й розчинником використовуються нові фізичні методы.

Додаток законів термодинаміки до Еге. Вчення про электродвижущих силах. Кількісне розгляд будь-яких электролитных систем, незалежне від молекулярно-статистических уявлень, полягає в термодинаміці. З 1-го закону термодинаміки, У. Томсон (1851) дійшов висновку, що эдс гальванічного елемента Є визначається тепловим ефектом протікаючим в ньому реакції. Термодинамическая трактування эдс дали Дж. У. Гиббсом (1875) і Р. Л. Ф. Гельмгольцем (1882). З 2-го закону термодинаміки слід, що эдс визначається зміною неповною енергії, а вільної енергії при хімічної реакции:

Є = — DG/nF,.

(1) де DG — різницю гиббсовой енергії продуктів і вихідних речовин, n — число електронів, що у реакції, F — Фарадея число. Гальванічний елемент здатна родити електричну енергію лише рахунок витрати вільної енергії реагують речовин. Рівняння (1) передбачає оборотність всіх процесів в елементі, т. е. виконання умов рівноваги, яких і визначає максимальний розмір електричної енергії, яку можна одержати рахунок даної реакції. Зв’язок між Є, тепловим ефектом DН реакції й абсолютної температурою Т виражається рівнянням Гіббса — Гельмгольца:

[pic].

(2).

У. Нернст (1889) додав термодинамічним співвідношенням Еге. зручну форму. Эдс Є то, можливо представленій у вигляді різниці величин электродных потенціалів обох електродів, кожен із яких висловлює эдс ланцюзі з даного електрода і деякого електрода порівняння, наприклад стандартного водневого електрода. Для найпростішого випадку металу у рівновазі з розведеним розчином, що містить іони цього металу у концентрації с,.

[pic](формула Нернста) (3) де R — газова стала, E0 — стандартний електродний потенціал даного електрода. У випадку величина з мусить бути замінено активність іона. Загальне умова рівноваги визначається вимогою сталості електрохімічного потенціалу будь-який частки в усіх галузях системы.

Електрохімічна кінетика. У центрі уваги сучасної Еге. стоїть електрохімічна кінетика, т. е. вчення про механізм і законах перебігу електрохімічних реакцій. У реальних умов, наприклад при електролізі, корозії металів, в хімічних джерелах струму, живими організмах, електрохімічне рівновагу, зазвичай, не реалізується, й розуміння електрохімічних процесів вимагає знання кінетичних закономірностей. Оскільки неодмінним учасником процесів за українсько-словацьким кордоном металу (чи напівпровідника) і електроліту є електрон, аналізований як найпростішої стійкою хімічної частки, дослідження природи електрохімічного елементарного акта істотно для кінетики хімічної. Сучасна теорія елементарного акта полягає в уявленнях квантової механіки. Передумовою її розвитку стало висунуте німецьким ученим М. Фольмером і Т. Эрдеи-Грузом уявлення, за яким перенесення заряду може визначати вимірювану швидкість електрохімічного процесу взагалі (теорія уповільненої розряду, 1930). А. М. Фрумкин встановив кількісне співвідношення між швидкістю електрохімічної реакції і будовою подвійного електричного шару за українсько-словацьким кордоном металл/электролит (1933). Перше застосування квантової механіки до Еге. — заслуга Р. Гёрни (Великобританія, 1931). У 1935 М. Поляни (Угорщина) і Ю. Хориути (Японія) заклали основи теорії перехідного стану, чи активованого комплексу, розвиненою Р. Эйрингом (США). Відповідно до сучасної квантової теорії, будь-який перенесення заряду, як у кордоні фаз, і у обсязі розчину, пов’язана із зміною структури полярного розчинника, переорієнтуванням його диполів. Істотно різний характер зміни ступенів свободи класичних і квантових систем. Частинкам, міцно що з розчинником, таких як електрони і протони, притаманний квантовий характер руху. Їх імовірні під бар'єрні тунельні переходи. Квантова теорія дозволила дати раціональне пояснення емпірично встановленої закономірності, яка зв’язує швидкість необоротного процесу, виражену через щільність струму і, з електрохімічним перенапругою h, чи потенціалом електрода (рівняння німецького ученого Ю. Тафеля, 1905), h = а + b lg і, де чи b — постійні, lg — десятковий логарифм, і зазначила межі її застосовності. Енергетичні характеристики перехідного стану, отже й швидкість процесу, залежить від природи металу, і навіть від присутності сторонніх адсорбированных частинок. Ці ефекти, що потенційно можуть призводити до значного прискоренню процесу, об'єднуються під назвою электрокатализа. Що стосується електрохімічних процесів, що супроводжуються освітою нової фази, наприклад при электроосаждении металів, слід також враховувати можливість появи зародків і умови зростання кристаллов.

Електрохімічна кінетика враховує також будова кордону розділу фаз, особливо кордону металл/электролит, де виникає електричне полі завдяки просторовому поділу зарядів, т. зв. подвійний електричний шар (буд. е. з.). Перший метод дослідження буд. е. з. був запропонований Р. Липманом (див. Электрокапиллярные явища). Надалі теорія буд. е. з. розвивалася Ж. Гуи (Франція, 1910), Про. Штерном (Німеччина, 1924), Фрумкршым і американським ученим Д. Грэмом. Запровадження Фрумкиным (1927) ставлення до потенціалі нульового заряду дозволило усунути протиріччя між контактною та хімічної теорією эдс.

Електрохімічні процеси складаються з низки стадій (див. Электродные процеси). Тривале проходження струму вимагає подачі реагує речовини з обсягу розчину до електрода і відводу продуктів реакції, що досягається завдяки дифузії; слід також враховувати міграцію заряджених частинок під впливом електричного поля. Подача речовини пришвидшується при розмішуванні рідини, т. е. при конвективного дифузії. Струм викликає концентрационную поляризацію (див. Поляризація електрохімічна). Крім стадій перенесення заряду і диффузионных стадій сумарний процес може включати суто хімічні та інші стадії, наприклад виникнення зародків і включення разрядившихся атомів в кристалічну грати, виділення пухирців газу та т. буд. Нагромадження проміжних продуктів лежить на поверхні електрода понад їх рівноважної концентрації, як і повільність процесів дифузії і стадій розряду, призводить до поляризації електрода і перенапруги. Якщо за практично використовуваних плотностях струму перенапруження пренебрежимо мало, це свідчить про оборотності процесу, ступінь якої у цілому тим більша, що більше струм обміну між вихідними речовинами і кінцевими продуктами реакції при равновесном потенціалі. Оборотність многостадийного процесу передбачає оборотність усіх її стадій. Часто необоротність процесу визначається повільністю одній зі стадій, що визначає швидкість процесу взагалі. Для з’ясування механізму електрохімічних процесів застосовуються різноманітні форми електричних вимірів: визначення залежності потенціалу від щільності постійного струму, вимір повного електричного опору, визначення залежності потенціалу чи струму від часу при різна запрограмованому зміні у часі другою змінною величиною, і навіть нелинейные методи. Одночасно досліджуються стан поверхні електрода (з допомогою оптичних методів), прикордонне натяг і др.

Електрохімічна кінетика є основою сучасної теорії корозії металів; в розчинах електролітів корозія є наслідком одночасного перебігу двох чи більше електрохімічних процесів. Для розвитку електрохімічної кінетики велике значення мало створення точних і зручних експериментальних методів дослідження механізму электродных процесів, особливо полярографического методу, запропонованого Я. Гейровским.

Практичне значення Еге. Електрохімічні методи широко використовують у різних галузях промисловості. У хімічної промисловості це електроліз — найважливіший метод виробництва хлору і лугів, численних окислювачів, отримання фтору і фторорганических сполук. Дедалі більше значення набуває электросинтез найрізноманітніших хімічних сполук. На електрохімічних методах грунтується отримання алюмінію, магнію, натрію, літію, берилію, танталу, титану, цинку, рафінування олії міді. Водень отримують електроліз води у досить обмежених масштабах, проте за мері використання запасів природного палива й збільшення виробництва електроенергії значення цієї методу отримання водню зростатиме. У різних галузях техніки застосовуються захисні і декоративні гальванічні покриття, і навіть гальванічні покриття із наперед заданими оптичними, механічними і магнітними властивостями. Анодное розчинення металів успішно заміняє механічну обробку твердих і сверхтвёрдых металів і сплавів. У техніці все ширшого застосування набували електрохімічні перетворювачі інформації. Важливе значення має якнайшвидше розв’язання проблеми електромобіля. Швидко підвищений попит на автономні джерела електроенергії для техніки, освоєння космосу, і побутових застосувань стимулює пошуки нових електрохімічних систем підвищеної удільної потужності, энергоёмкости і збереження. Все ширше поширення одержують різноманітні електрохімічні методи аналізу, электрофизические і електрохімічні методи обработки.

Розуміння найважливіших біологічних процесів, наприклад засвоєння і використання їжі, поширення нервового імпульсу, сприйняття зорового образу, вимагає обліку електрохімічних ланок, пов’язаних насамперед з функціонуванням біологічних мембран. Рішення всіх цих проблем ставить перед теоретичної Еге. нові завдання, а майбутньому повинна значний вплив і медичну практику.