Depuneri catodice de metale. CuprareaPrincipiul lucrrii: Electroliza reprezint procesul de descompunere permanent a unei substane sub aciunea curentului electric. La trecerea curentului electric printr-un electrolit, adic n timpul electrolizei au loc cele dou procese distincte: transportul curentului electric i reaciile chimice care se produc la electrozi. Transformrile chimice care au loc n timpul electrolizei depind de natura i starea electrolitului, de natura solventului, de natura materialului din care sunt confectionai electrozii i de prezena altor substane n soluia sau topitura electrolitului. Pe baz experimental, M. Faraday descoper ntre anii 1882 1933 c exist o relaie ntre cantitatea de electricitate care trece printr-un electrolit i cantitatea de substan transformat prin electroliz, enunnd astfel legile electrolizei sau legile lui Faraday. Aceste legi se enun astfel: 1. Cantitatea de substan transformat la electrod n timpul procesului de electroliz este proporional cu cantitatea de electricitate care trece prin soluia sau topitura de electrolit. m= kIt = kQ (1) unde: m - cantitatea de substan transformat la electroliza, n g ; I - intensitatea curentului, n A; t - timpul de electroliz, n s; Q - cantitatea de electricitate (n C); Q=I t; K= Q - echivalentul electrochimic, nm

g m g sau . C C

Echivalentul electrochimic reprezint cantitatea de substan depus la electrod de cantitatea de electricitate de 1 coulomb (C). 2. La trecerea aceleiai cantiti de electricitate prin soluiile sau topiturile de electrolii, cantitile de substanele puse n libertate la electrozi sunt proporionale cu echivaleii lor chimici. Deci, echivalenii electrochimici sunt proporionali cu echivalenii chimici. Se poate scrie: K= E/F (2) F - numrul lui Faraday (F= 96500 C = 26,8 Ah). Deoarece E = A/z, n care A reprezint masa atomic, iar z reprezint numrul de electroni implicai n proces egal cu sarcina ionului depus la electrod se mai poate scrie : K= A/zF (3) Reunind cele dou formule, legile lui Faraday se pot exprima prin formula general: A m= I t [g] (4) zF Depunerile catodice (galvanice) ale stratelor metalice se fac n scopul creterii rezistenei la coroziune a pieselor acoperite, al mbuntirii aspectului decorativ i pentru mrirea rezistenei acestora la uzur. Depunerile electrochimice (catodice) au la baz reacia catodic de reducere a ionilor metalici din soluii apoase :M+z + z e- M pe suprafaa piesei legat la polul negativ al unui circuit electric de electroliz (fig. 1). Depunerea catodic a metalelor din soluii apoase are loc la poteniale mai negative dect potenialul de echilibru al metalului n seria potenialelor standard Volta. Depunerile catodice de cupru prezint o importan deosebit din punct de vedere decorativ, protector ct i funcional. n scop protector decorativ, cuprul se depune ca substrat naintea depunerilor de crom, nichel, argint i staniu, att pe materiale metalice ct i pe materiale nemetalice, cum ar fi materiale plastice i ceramice. n scop funcional, datorit conductibilitii electrice ridicate, depunerile de cupru sunt utilizate pe scar larg n tehnologiile electrotehnice i electronice.

n lucrarea de fa se va efectua o cuprare cu anod solubil, adic se va depune un strat de cupru pe o plac de alam. Electrodepunerea cuprului are loc ntr-o celul de electroliz (fig. 3.33.1), utiliznd drept electrolit o soluie acid de CuSO4. Anodul celulei este o bar de cupru, iar la catod se plaseaz piesa ce urmeaz a fi protejat.

Fig. 1. Montaj de electroliz 1- surs de curent continuu; 2 rezisten variabil ; 3 anod ; 4 catod ; 5 vas electroizolant ; 6 - miliampermetru

Sulfatul de cupru se disociaz n soluie conform ecuaiei: CuSO4 Cu2+ + SO42(5) La electrozii instalaiei de electroliz se desfoar reacii electrochimice: Catod (alama): Cu2+ + 2e- Cu (reducere) (6) -Cu2+ (oxidare) Anod (cupru): Cu - 2e (7) Potrivit reaciilor chimice de mai sus, la catod (polul negativ), deci pe piesa de alam, se depune cupru, iar anodul (piesa de cupru) se consum (electroliza cu anod solubil). Scopul lucrrii: const n determinarea randamentului de curent i a grosimii stratului depus n cazul unei cuprri catodice. Aparatur i substane: Aparatur: anod de cupru, catod de alam, montaj de electroliz, balan analitic Substane: soluie acid de sulfat de cupru Modul de lucru: se cur electrodul de cupru i piesa de alam cu hrtie metalografic, se spal cu ap distilat i se usuc cu hrtie de filtru; placa de alam se cntrete la balana analitic, se introduce n baia de cuprare i se leag la polul negativ (catod) al sursei de curent continuu; la polul pozitiv (anod) se fixeaz electrodul de cupru; se conecteaz instalaia la reea, se pune n funciune i se regleaz cu ajutorul poteniometrului intensitatea de 0,5 A; durata electrolizei este de 60 sau 45, minute dup care se ntrerupe funcionarea circuitului electric; se scoate catodul i se spal cu ap distilat, se usuc prin tamponare ntre dou hrtii de filtru i se cntrete la balana analitic. Calcule i rezultate: Randamentul de curent se calculeaz cu ajutorul relaiei:=mp mt 100

(8)

unde: mp - masa de cupru depus practic, dat de diferena de mas a catodului (alam) nainte i dup electroliz; mt - masa teoretic de cupru care se calculeaz conform legilor lui Faraday A m= I t zF n care: A - masa atomic a metalului (ACu=63,5 g) I - intensitatea curentului de electroliza (A);

t - timpul de electroliza (s sau h); z - valenta metalului; F - numrul lui Faraday (F= 96500 C = 26,8 Ah). Grosimea stratului de cupru depus la electroliz se calculeaz astfel:=mp S

(9)

unde : mp - masa practic de cupru depus, g; S - suprafaa piesei pe care s-a realizat depunerea, cm2; - masa specific (densitatea) cuprului ( Cu=8,93 g/cm3). Tema de cas: 1. S se calculeze care trebuie s fie curentul de electroliz i timpul de electroliz pentru depunerea unui strat de cupru de grosime 0,2mm pe o suprafa de 1cm2, dac densitatea de curent este 1,5 A/dm2, iar AC u= 63g, z = 2, F = 96500As i = 85%. 2. O celul de producere a aluminiului prin electroliza soluiei de alumin n criolit topit necesit 20000 A. Ct aluminiu se obine pe zi n celula de electroliz, presupunnd c randamentul este 92%. Masa atomic a Al este 27 g, iar F=96500 A.sec. 3. La electroliza unei soluii de fier la o intensitate de 4A i un randament de 80% se depun n 2 ore 4,45 g fier. Care este starea de oxidare a fierului n soluia respectiv. AFe= 56g. 4. Pentru acoperirea complet a unui obiect de podoab este necesar o cantitate de 2,5 g Ag. Folosindu-se la electroliz un anod de argint ntr-o celula electrolitic cu soluie de AgNO3, timp de 10 min se cer: a) reaciile la electrozi; b) intensitatea curentului folosit la argintare; c) dac se folosete un curent de 5 A, care este randamentul de curent? 5. Se cupreaz prin electroliz cu anod solubil de cupru un obiect cu dimensiunile 10-20 cm. Stratul de Cu depus are grosimea de 0,005 mm, ( = 8,9g/cm3). S se scrie reaciile care au loc la electroliza CuSO4 i s se calculeze timpul de cuprare dac intensitatea curentului este I = 5A. Masa atomic a Cu este 64 g. 6. La nichelarea cu anod solubil a unei piese din oel (S=2,5 cm 2), condiiile de electroliz sunt: I=300 mA, t=20 min. Se mai cunosc ANi=59, F=96500 As, Ni = 7,13 g/cm3. S se determine grosimea stratului de Ni depus.