ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 24 Д
ГАЛЬВАНИЧЕСКОЕ ЦИНКОВАНИЕ
Тема: защита металлов от коррозии методом нанесения металлических покрытий.
Цель работы: изучение метода гальванического цинкования.
Рабочее задание: получить цинковое покрытие с помощью электролиза с растворимым анодом, определить выход цинка по току, удельный расход электроэнергии и рассчитать толщину покрытия.
СВЕДЕНИЯ ИЗ ТЕОРИИ
Процесс цинкования в промышленности осуществляется несколькими способами:
1) методом термического цинкования (шерардизация или термодиффу-
зия);
2)путем горячего цинкования;
3)металлизацией распыленным цинком в струе горячего газа (шоопирование);
4)гальваническим цинкованием.
Последний является одним из наиболее распространенных методов защиты стальных изделий от коррозии. В настоящее время объем цинкованной продукции (главным образом крепеж, инструмент, многие наружные детали и агрегаты) в машиностроении и на транспорте с каждым годом возрастает. Использование цинка в качестве антикоррозионного покрытия объясняется высокими защитными свойствами этого материала. Его стандартный электродный потенциал Е0Zn2+/Zn =-0,76B. Цинк обеспечивает защиту железа даже в тех случаях, когда сплошность покрытия нарушается за счет царапин, трещин, истирания и т.п. В этих условиях электрохимическая защита железа цинковым слоем заключается в том, что при наличии коррозионной среды эти два металла образуют коррозионный элемент. Его электрохимическую схему можно представить так:
в кислой среде |
А(-) Zn H2SO4 Fe (+)К, |
в нейтральной среде |
А(-) Zn H2O, O2 Fe (+)К. |
33
Цинк имеет более отрицательный потенциал, чем железо, поэтому является более активным металлом, легче отдает электроны, легче окисляется, чем железо и является анодом. На поверхности цинка происходит реакция
A(-) Zn–2e→Zn2+. (1)
От каждого атома на поверхности цинка остаются два электрона, которые тут же переходят к оголенной поверхности железа, имеющей в растворе более положительный потенциал: E0Fe2+/Fe = - 0,44 В. За счет притока избыточных электронов поверхность железа поляризуется, т.е. потенциал ее становится более отрицательным. В результате этого на ней начинают протекать восстановительные (катодные) процессы: либо восстановление ионов водорода (если среда кислая)
K(+) 2H++2e→H2↑, |
(2) |
либо восстановление кислорода, растворенного в нейтральной коррозионной среде
K(+) O2+4e+2H2O→4OH-. |
(3) |
Поверхность цинка, в особенности в нейтральной среде, способна легко пассивироваться за счет образования слоя нерастворимого основного карбоната
Zn2++2OH– = Zn(OH)2, |
(4) |
2Zn(OH)2+CO2 = (ZnOH)2CO3+H2O. |
(5) |
Это резко уменьшает растворимость самого цинка и тем самым намного удлиняет срок службы цинкового покрытия.
В практике цинкованные детали иногда подвергают хроматному пассивированию, что увеличивает срок службы покрытия и придает его поверхности красивый внешний вид.
Гальванический способ нанесения цинкового покрытия
Гальваническое цинкование один из наиболее удобных и экономичных способов. При этом используется электролиз с растворимым анодом. Цинкование проводится в специальных емкостях – ваннах, имеющих объем от 10 до 500 и более литров. На бортах ванн имеются контактные устройства для присоединения цинкуемых деталей (катодов) и цинковых пластин (анодов), как показано на рис. 1. В ванну заливается электролит, представляющий собой водный раствор сернокислого цинка в присутствии небольшого количества серной кислоты.
Ионы цинка в водном растворе образуются за счет диссоциации цинковой соли
34
ZnSO4 → Zn2+ + SO42- . |
(6) |
Источник постоянного тока (выпрямитель или батарея аккумуляторов), присоединенный к ванне цинкования, выполняет роль «насоса» электронов. Он перемещает электроны из цинковых анодов в катоды, т.е. цинкуемые детали. Этим создается анодная поляризация (недостаток электронов) на анодах и катодная поляризация (избыток электронов) на цинкуемых деталях. Условия анодной поляризации таковы, что атомы металлического цинка на границе металл – раствор сравнительно легко переходят в виде катионов в раствор, лишаясь своих валентных электронов, т. е. на аноде происходит
окисление цинка по реакции |
|
А(+) Zn(атом) –2e → Zn2+(ион) . |
(7) |
Цинк электрохимически растворяется, масса анода убывает. В то же время на поверхности катода за счет сдвига его потенциала в отрицательную сторону (поляризация) достигаются условия, достаточные для восстановления ионов цинка по реакции
К(-) Zn2+ + 2e → Zn0(атом) . |
(8) |
В водном растворе всегда присутствуют ионы водорода за счет диссоциации молекул кислоты
H2SO4 = 2H+ + SO42-. |
(9) |
Ионы водорода тоже восстанавливаются на поверхности цинкуемых деталей по реакции
2H+ + 2e → H2↑. |
(10) |
Электрический ток, бесполезно затраченный на реакцию восстановления ионов водорода (10), соответственно, не может быть использован для осаждения цинкового покрытия. Для экономической оценки данного процесса введены такие понятия, как выход по току цинка (ВТZn) и удельный расход электроэнергии на получение цинкового покрытия. Эти показатели применимы к любому металлу, осаждаемому гальваническим способом.
Выход по току цинка есть отношение массы практически полученного металла к теоретически возможному
m
ВТ = практ 100% . (11)
Zn mтеор
Величина выхода по току металла показывает долю полезно затраченного тока на катоде. Его принято выражать в процентах. Вес полученного металла (mпракт) определяется путем взвешивания деталей до цинкования и после осаждения цинка (в граммах).
35