Реферати та конспекти лекцій з географії, фізики, хімії, історії, біології. Універсальна підготовка до ЄДІ, ДПА, ЗНО та ДПА!
У сучасній літературі хімічні джерела струму називають гальванічними елементами. Розрізняють первинні елементи (батарейки) та вторинні елементи (акумулятори).
Принцип дії будь-якого хімічного джерела струму (ХІТ) полягає в перетворенні хімічної енергії окислювально-відновної реакції на електричну, причому у разі первинного гальванічного елемента або елемента разового використання, хімічні процеси є незворотними, тобто після витрати реагентів таке ХДС більше не зможе працювати. Вторинні елементи або елементи багаторазового використання використовують зворотні реакції. У режимі роботи (розрядження) акумулятор є джерелом струму, в режимі заряджання він споживає енергію зовнішнього джерела.
Для створення ХДС необхідно мати два електроди, з'єднані провідником, один з яких повинен бути здатним віддавати електрони, а інший – приймати. Наприклад, таку систему можна скласти з двох пластин, виготовлених з різних металів (тобто з різними стандартними електродними потенціалами), один з яких (з меншим стандартним електродним потенціалом) буде окислюватися (Me – ze-® Mez+), інший – відновлюватися ( Mez+ + ze- ® Me). Обидві пластини повинні бути занурені в розчин електроліту, який виконуватиме функцію перенесення заряду від одного металу до іншого. Тобто в цій конструкції електрони від відновлювача до окисника не передаються у процесі безпосереднього контакту за допомогою металевого провідника.
Електрод (активна маса) або напівелемент – це система, яка містить електропровідні матеріали у контакті з електролітом.
Електрод, на якому йде окиснення, називають анодом (А). Електрод, яким йде відновлення, називають катодом (К). Працюючи хімічних джерел струму анод вважають негативно зарядженим електродом, а катод – позитивно зарядженим електродом.
Для роздільної течії процесів окислення та відновлення дві пластини (тобто електроди) потрібно розділити просторово. З цією метою використовують так звану діафрагму (або сепаратор). До речі, найпростіший гальванічний елемент можна створити навіть із підручних матеріалів, наприклад, якщо зібрати стовпчик із монет, чергуючи монети із жовтого та білого металу, проклавши між ними папір, змочений у розчині солі. При цьому ЕРС такого елемента буде пропорційна кількості монет.
Хімічні джерела струму винайдено на основі досліджень Л.Гальвані та А.Вольта наприкінці 18 ст. Фізіолог Луїджі Гальвані під час дослідів випадково помітив, якщо провідником з'єднати два метали, наприклад мідь та залізо, і накласти на м'язи мертвої тварини, то м'язи починають скорочуватися. Проте, Гальвані пояснив це явище властивостями живої тканини, а чи не властивостями металів. Дослідження продовжив фізик Олександро Вольта, зібравши електричне коло з двох металів, між якими був прошарок сукна, змоченого розчином присоленої води, Вольта запропонував перший гальванічний елемент. Перші варіанти конструкції мали позитивні електроди з міді чи срібла, а негативні – з цинку чи олова.Створивши вперше у світі ХДС, сам А.Вольта ніколи не пов'язував його дію з хімічними процесами між електродами та електролітом, а природу виникнення електрорушійної сили пояснював контактом між металами. Ця теорія була піддана критиці прихильниками хімічної та термодинамічної теорії ЕРС гальванічних елементів у першій половині 19 ст.
В історичному розвитку ХДС одним із головних досягнень був елемент Даніеля, удосконалений російським ученим Б.С.Якобі (1836 р.).
Цей гальванічний елемент мав негативний цинковий електрод (анод), занурений в розчин ZnS04, а позитивний мідь (катод) – занурений в CuS04. Між розчинами була пориста перегородка (межа). Елемент Даніеля-Якобі мав порівняно просту конструкцію, але з його допомогою можна було отримувати відчутну ємність. І тому він знайшов практичне використання у телеграфному зв'язку, електротехніці та у військовій справі. Елемент Даніеля-Якобі був яскравим доказом виникнення ЕРС за рахунок хімічних реакцій на межі метал-розчин. У першій половині 19 ст. у різних країнах було розроблено ряд гальванічних елементів, у яких використовували розчини кислот та лугів. Такі елементи мали порівняно великі розрядні характеристики, але термін їхньої дії був малим через значну хімічну активність робочих електролітів. Новим потужним імпульсом розвитку ХДС було відкрити елемент Лекланше, у якому позитивним електродом використаний твердий деполяризатор – діоксид марганцю. Цей елемент у різних конструктивних модифікаціях використовують і останнім часом. Порівняльна простота конструкції, доступність активних матеріалів та великий попит дали можливість виготовляти кілька мільярдів елементів на рік.
Новим досягненням у розвитку джерел струму було створення Г.Планте 1860г. ХДС багаторазової дії – свинцевого акумулятора. Акумулятор був два листи свинцю, розділені сепаратором з губчастої гуми. Електролітом була 10%-на сульфатна кислота.
Важливим етапом розвитку ХДС було створення елементів та акумуляторів з літієвим та натрієвим негативними електродами. Використання лужних металів у джерелах струму стало можливим завдяки апротонним неводним електролітам, у яких ці метали хімічно стійкі та мають високий негативний потенціал.
У зв'язку з тим, що ХДС набули надзвичайно широкого поширення в техніці, в даний час розроблено безліч матеріалів для вироблення різних складових ХДС, сформульовано основні вимоги до цих матеріалів для досягнення оптимальної якості.
Так, як матеріал анода переважно використовують метали з високим негативним потенціалом (цинк, кадмій, свинець та ін.), для катода-з'єднання, метали або суміші з позитивним потенціалом (Ag2O, NiOOH, MnO2, AgCl, CuCl та ін.).
В якості електролітів використовують розчини кислот, лугів, солей, розплави або тверді речовини, які забезпечують проходження електричного струму та беруть участь у електродних реакціях. Природа і склад електроліту значною мірою залежить від вимог експлуатації ХДС. Найбільш поширеними є електролітами розчини H2S04 (свинцеві акумулятори), КОН (лужні ХДС), солей у воді та органічних розчинниках. Вимоги до електролітів ХДС: досить висока питома електропровідність, іони електроліту не повинні активно реагувати з електродами, мала агресивність щодо деталей джерела струму.
Для виготовлення діафрагми (сепаратора) використовують хімічно стійкі пористі діелектричні матеріали, які запобігають контакту між електродами. У сепараторах електроліт заповнює пори та забезпечує електропровідність простору між електродами. Залежно від типу ХДС та особливостей електролізних реакцій, сепаратор повинен механічно підтримувати активну масу, протидіяти деформації електродів, появі дендритів, проникненню продуктів розряду електродних матеріалів до протилежних електродів, а також мати газопроникність. Якщо електроліт знаходиться лише у сепараторі, його називають матричним. У цьому випадку сепаратор є електролітоносієм, а електроліт у ньому міститься капілярними силами на поверхні електродів. В окремих ХДС сепаратори виготовляються з ультра-мікропористих мембран, що є високомолекулярними сполуками (матрицями) з іоноелектронними властивостями.
Корпус джерела струму є герметичну або напівгерметичну посудину з металу, полімеру, скла. Вибір матеріалу корпусу визначається властивостями електроліту, активних мас та продуктів реакцій. Струмовідводи (перемички) виготовляють із металевих провідників корозієстійких до електроліту, активних мас і з найменшим електричним опором.
p align="justify"> Особливу групу хімічних джерел струму (ХІТ) утворюють паливні елементи (електрохімічні генератори), що використовують звичайні компоненти палив. На аноді паливних елементів окислюються пальові (Н2, СО, СН4, спирти, бензин, гас), а на катоді відновлюються окислювачі (О2 повітря, Н2О2, Cl2 і т. д.).У порівнянні з іншими джерелами електроенергії на борту літальних апаратів, паливні елементи мають дуже високий коефіцієнт корисної дії та високу потужність на одиницю маси та обсягу.
Щоб детальніше зрозуміти хімічні процеси, у яких грунтується дію гальванічного елемента, розглянемо конкретний приклад – мідно-цинковий гальванічний елемент (Рис. 5).
Він складається з двох пластин, виготовлених з цинку та міді, які занурені в розчини сульфату цинку та сульфату купруму, відповідно, з'єднаних провідником. Склянки з розчинами з'єднані "сольовим мостом" (вигнута скляна трубка, заповнена зазвичай розчином KCl або NH4NO3). . Таким чином, електрони передаються від відновника до окисника зовнішнім електричним колом. Таким чином, завдяки перебігу цієї окисно-відновної хімічної реакції в мідно-цинковому гальванічному елементі утворюється безперервний потік електронів (електричний струм).
На межі цинку з розчином сульфату цинку відбувається процес перетворення атомів цинку на іони, які гідратуються та переходять у розчин.
Для захисту від корозії на поверхню наноситься тонкий шар іншого металу – цинку, міді, хрому, нікелю, кадмію. Поширеним методом нанесення такого захисту є гальванізація, в основі якої лежить процес електролізу. Що таке гальваніка, які бувають види гальванічного покриття та в чому особливості методу – читайте у нашій статті.
Що таке гальванізація?
Гальванізація – це технологічний процес нанесення на метал захисного покриття методом електролізу. На металеву поверхню наноситься тонкий шар іншого металу – процес відбувається шляхом перенесення іонів під впливом електричного струму розчині електроліту з допомогою різниці потенціалів двох металів. В результаті осадження іонів на поверхні формується тонкий захисний шар, який служить бар'єром від впливу факторів, що корродують і перешкоджає розвитку електрохімічної корозії.
Гальванізація металу – види та призначення
Гальванічне покриття може бути сформоване з різних металів – вибір металу залежить від поставлених завдань та особливостей експлуатації виробу. Вид гальванізації впливає рівень антикорозійного захисту, міцність, зносостійкість, декоративні характеристики покриття.
Цинкування
Цинкове гальванічне покриття ефективно захищає метал від корозії, зносу та механічних пошкоджень. Цинкування гальванічним методом використовується переважно для обробки металовиробів, тонких деталей, металевих виробів малих та середніх розмірів. В результаті гальванізації утворюється цинкове покриття завтовшки до 30 мкм з гарними декоративними характеристиками. Якщо потрібно нанести товстіший цинковий шар 40-200 мкм і забезпечити потужніший антикорозійний захист великогабаритних металоконструкцій в агресивних умовах експлуатації, використовується інша технологія – гаряче цинкування металу у ванні з цинковим розплавом при температурі близько 450тотС.
Хромування
Гальванічне хромування – це технологія нанесення хромового покриття за допомогою електролізу. Хромований метал має характерний дзеркальний блиск та гладку текстуру.Хром захищає виріб від корозії та механічного зносу, знижує тертя, збільшує жорсткість сталі, підвищує жаростійкість до 800°C, забезпечує можливість експлуатації у прісній та солоній воді, в контакті з парою та азотною кислотою. Цими факторами обумовлено широке застосування хромованих деталей в автомобільній промисловості, галузі машинобудування, виробництві арматури водо- та паропроводів.
Нікелювання
Нікелювання методом гальванізації забезпечує захист металу від корозії та покращує естетичні характеристики виробу. Для посилення антикорозійних властивостей нікелювання виконується у комбінації з іншими методами гальваніки – нікель наноситься після попереднього мідіння або хромування. Часто використовують багатошарові покриття – наприклад, із хрому, міді та нікелю. Гальванічне нікелювання використовується для антикорозійної обробки кріплення, деталей автомобілів, радіотехнічних приладів, медичних інструментів, електроніки, будівельних конструкцій, сувенірної продукції, декору.
повільність
Міднення гальванічним способом використовується для антикорозійного захисту металу, підвищення зносостійкості, покращення естетики, посилення антифрикційних властивостей. Гальванічне міднення використовується для обробки електротехнічних деталей, компонентів трубопроводів, друкованих плат, декоративних виробів, сталевого дроту. Мідь збільшує електропровідність та покращує адгезію з металевими покриттями, тому часто наноситься перед хромуванням та нікелюванням. Багатошарове гальванічне покриття забезпечує максимальний захист від корозії та рівномірну текстуру поверхні.
Кадмування
Гальванічне кадмування – це технологія нанесення тонкого шару кадмію (10-30 мкм) для захисту металу від корозії та покращення декоративних властивостей виробу. Кадмієве покриття зменшує знос внаслідок тертя рухомих деталей, забезпечує можливість експлуатації металу в морській воді, кислотних і лужних розчинах. Завдяки еластичності захисного покриття кадмовані деталі можна вальцювати, штампувати, гнути. Метод використовується в авіаційній промисловості, будівництві кораблів, військовій галузі, енергетиці, автомобілебудуванні. Кадмій дуже токсичний, тому технологія жорстко контролюється та обмежується у багатьох країнах. Також застосування методу обмежується через високу вартість кадмію.
Гальванізація сталі – етапи процесу
Техпроцес гальванізації сталі реалізується на виробничих лініях, оснащених комплексом обладнання – гальванічними ваннами, ємностями для промивання та травлення, транспортерами, системами автоматизації та контролю.
Підготовка поверхні
Виконується очищення металу від продуктів корозії, залишків мастила, окалини, забруднень. Для цього використовуються різні методи – промивання, знежирення, кислотне травлення, піскоструминна обробка, занурення у спеціальні хімічні розчини. Головне завдання – повністю видалити із металевої поверхні сторонні компоненти. Очищений виріб ретельно просушується.
Нанесення гальванічного покриття
Процес гальванізації відбувається у спеціальних гальванічних ваннах, де катодом служить металевий виріб, а анодом – пластини цинку, нікелю, хрому, міді чи кадмію. Підводиться електричний струм, під впливом електролізу метал анода розчиняється в електроліті, іони переносяться на катод.Метал рівномірним шаром осідає на поверхні, в результаті чого формується металеве покриття з необхідними захисними та декоративними характеристиками. Коли покриття набуває потрібної товщини, подача електричного струму припиняється, виріб промивається, просушується і направляється на контроль і подальшу механічну обробку.
Контроль параметрів процесу
Обов'язковий етап виробничого процесу – контроль проміжних параметрів та результатів обробки. Які параметри контролюються:
- склад електролітичного розчину;
- якість підготовки металу;
- час обробки, сила струму, електрична напруга та інші режими гальванізації;
- Текстура та товщина готового гальванічного покриття.
Переваги та недоліки методу гальванізації
Метод гальванізації має багато переваг, але є й певні недоліки, які слід враховувати під час вибору технології антикорозійного захисту металу та організації виробничого процесу. Переваги гальванізації металу:
- можливість вибору типу металевого покриття залежно від конструктиву та умов експлуатації виробу;
- формування захисного шару рівномірної товщини без напливів на непокритих ділянок, у тому числі для обробки деталей складної конфігурації;
- покращена естетика гальванічного покриття;
- висока продуктивність; швидка гальванічна обробка великих партій деталей.
Метод гальванізації має кілька недоліків:
- токсичність деяких металів та хімічних розчинів, що застосовуються на виробництві;
- обмеження по товщині; неможливість отримання захисного шару більше 50 мкм;
- необхідність постійного точного контролю технічних параметрів процесу складу електроліту, напруги, струму, температури, часу гальванізації;
- високі трудовитрати та собівартість при обробці великогабаритних металоконструкцій.
Рішення про вибір методу антикорозійного захисту має ґрунтуватися на реальних умовах експлуатації та конструктивних особливостях виробу. Наприклад, якщо необхідно оцинкувати потужний металокаркас величезних габаритів і отримати посилене цинкове покриття завтовшки до 100-200 мкм, краще вибрати інший спосіб — гаряче цинкування зануренням у розплавлений цинк.
Гальванічне покриття – методи захисту
Гальванічне покриття забезпечує комплексний захист металу від хімічної та електрохімічної корозії – усуває вплив агресивних речовин, приймає він процеси окислення замість основного металу, має здатність відновлюватися при мікроушкодженні.
Фізичний захист
Гальванічне покриття служить механічним бар'єром між матеріалом виробу та довкіллям, захищаючи метал від хімічної корозії. Завдяки захисному шару, поверхня залишається ізольованою від шкідливих впливів і не контактує з вологою, киснем, хімічними речовинами та іншими факторами, що корродують. Захисне гальванічне покриття має високу міцність, зносостійкість і жорсткість, тому його важко пошкодити в процесі експлуатації. Чим товщі покриття, тим надійнішим стає бар'єрний захист.
Хімічний захист
Гальванізація забезпечує захист від електрохімічної корозії, що відбувається внаслідок процесів електролізу. Металеве покриття виконує роль анода та окислюється замість основного матеріалу.В результаті природних процесів або штучної пасивації на поверхні утворюється оксидна плівка, завдяки чому захисний шар не піддається корозії, зберігає цілісність протягом усього терміну експлуатації та здатний до самовідновлення.
Застосування методу гальванізації
Гальваніка – це популярна технологія, яка використовується для антикорозійного захисту металевих виробів різного призначення для будівництва, дорожньої інфраструктури, машинобудування, автомобільної промисловості, електроніки, меблевого виробництва. Тип металу та товщина покриття вибираються в залежності від способу експлуатації, агресивності середовища, вимог до естетики та спеціальних характеристик.
Будівництво та інфраструктура
Гальванізація використовується для захисту від корозії металевих елементів будівельних конструкцій та інфраструктурного обладнання за підвищених вимог до естетики покриття. Гальванічним методом обробляють болти, гайки та інше кріплення, металеву фурнітуру, арматуру, труби, деталі огорож, сталеві грати, сітки, перила, сходи, перила, жолоби водостоків, дорожні знаки, опори освітлення, елементи обшивки фасадів і т.д.
Автомобільна промисловість
Гальванізація використовується для захисту від корозії автомобільних компонентів – кузовних деталей, дисків, бамперів, елементів кріплення, радіаторних решіток. Деякі металеві покриття посилюють певні характеристики, важливі у автомобільній промисловості. Наприклад, мідь підвищує електропровідність, хром підвищує термостійкість металу.Значну роль грає естетика гальванічного покриття, тому метод активно використовується виготовлення автомобільних деталей з привабливим металевим блиском.
Електротехніка
Гальванічним способом можна отримати надтонке рівномірне покриття – ця перевага активно використовується у виробництві деталей електронних приладів. Гальванічне покриття захищає від корозії друковані плати, конектори, контакти, клеми, збільшує електропровідність деталей, продовжує термін експлуатації. Гальванізація підходить для захисту тонких, дрібних металевих елементів складної конфігурації.
FAQ
Які можливі проблеми із гальванічними покриттями?
Дефекти гальванічного покриття можуть виникнути у кількох випадках – якщо неякісно підготовлена поверхня, порушена технологія гальванізації або виріб експлуатується у дуже складних умовах, на які не розраховано покриття.
Скільки часу триває процес гальванізації?
Час витримки деталей при гальванізації варіюється в широких межах від декількох хвилин до декількох годин в залежності від типу та товщини покриття, габаритів та конфігурації виробу, складу електролітичного розчину.
Які чинники впливають довговічність гальванічного покриття?
Довговічність гальванічного покриття залежить від товщини та типу захисного шару та умов експлуатації виробу – вологості середовища, наявності агресивних компонентів, механічних навантажень, що провокують пошкодження та фізичне зношування покриття.
Чим гальванізація відрізняється від інших методів покриття?
Гальванізація відрізняється технологією нанесення та властивостями покриття – товщиною, текстурою, рівномірністю. Наведемо приклад цинкування – гальванічний метод дає меншу товщину покриття та кращі декоративні характеристики порівняно з гарячим цинкуванням. А гарячецинкове покриття забезпечує більшу корозійну стійкість та більш високу механічну міцність порівняно з гальванічним методом.