Электрический ток в жидких проводниках

Теоретически можно вместо электролиза использовать простую перегонку, поскольку обычная вода испаряется легче, чем тяжелая (ее температура кипения 101,4° С). Однако этот способ еще более трудоемкий. Если при электролизе коэффициент разделения изотопов водорода (т.е. степень обогащения в одной стадии) теоретически может достигать 10, то при перегонке он составляет всего 1,03-1,05. Это означает, что разделение путем перегонки исключительно малоэффективно. Академик Игорь Васильевич Петрянов-Соколов как-то подсчитал, сколько воды должно испариться из чайника, чтобы в остатке заметно повысилось содержание дейтерия. Оказалось, что для получения 1 литра воды, в которой концентрация D₂О всего в 10 раз превышает природную, в чайник надо долить в общей сложности 2,1O³⁰ тонн воды, что в 300 млн. раз превышает массу Земли!

Масса молекулы D₂O на 11% превышает массу Н₂О. Такая разница приводит к существенным различиям в физических, химических и, что особенно важно, биологических свойствах тяжелой воды. Тяжелая вода кипит при 101,44°С, замерзает при 3,82° С, имеет плотность при 20° С 1,10539 г/см³, причем максимум плотности приходится не на 4°С, как у обычной воды, а на 11,2° С (1,10602 г/см³). Кристаллы D₂O имеют такую же структуру, как и обычный лед, но они более тяжелые (0,982 г/см³ при 0°С по сравнению с 0,917 г/см³ для обычного льда). В смесях с обычной водой с большой скоростью происходит изотопный обмен: Н₂О + D₂O2HDO. Поэтому в разбавленных растворах атомы дейтерия присутствуют в основном в виде HDO. В среде тяжелой воды значительно замедляются биохимические реакции, и эта вода не поддерживает жизни животных и растений.

В настоящее время разработан ряд эффективных методов получения тяжелой воды: электролизом, изотопным обменом, сжиганием обогащенного дейтерием водорода. В настоящее время тяжелую воду получают ежегодно тысячами тонн. Ее используют в качестве замедлителя нейтронов и теплоносителя в ядерных реакторах (для заполнения одного современного крупного ядерного реактора требуется 100-200 тонн тяжелой воды чистотой не менее 99,8%); для получения дейтронов D⁺ в ускорителях частиц; как растворитель в спектроскопии протонного магнитного резонанса (обычная вода своими протонами смазывает картину). Не исключено, что роль тяжелой воды значительно возрастет, если будет осуществлен промышленный термоядерный синтез.

Приложение 6

Получение металлов путем электролиза

Используемые в промышленности цветные металлы, такие как алюминий, медь, магний, цинк, свинец, ввиду многообразия руд, содержащих их, получают самыми различными способами. Рассмотрим подробнее электротермию на примере получения алюминия.

Алюминий получают из бокситов-руды, содержащей около 55-65% А1₂О₃, не более 28% Fe₂O₃ и до 24% SiO₂. Измельченный, высушенный и перемолотый боксит превращают в алюминат натрия. Это осуществляется либо воздействием на него едкого натра под давлением в 6-8 раз больше атмосферного (способ Бауера), либо путем спекания с содой во вращающихся трубных печах (способ Левига). Из раствора алюмината можно осадить гидроксид алюминия, который затем в таких же печах при 1300-1400°С превращается в чистый глинозем (А12О₃). После растворения полученного таким образом глинозема в соли (криолит) начинается важнейшая стадия процесса получения алюминия, электролиз расплава. При этом на дно электролизной ячейки выпадает шлаковый алюминий, из которого путем переплавки получают чистый алюминий (до 99-99,8% А1). Другой специфический способ электролиза приводит к получению сверхчистого алюминия (99,99% А1).

Приложение 7

Гальваническое производство

Гальваническое покрытие - это металлическая пленка толщиной от долей микрона до десятых долей миллиметра, наносимые на поверхность неметаллических изделий методом гальваники для придания им твердости, износостойкости, антикоррозийных, антифрикционных, декоративных свойств.

Изменение характеристик поверхностных слоев не металлических и металлических изделий приобретает все большую актуальность. Современные требования к надежности оборудования при увеличении нагрузок на него, необходимость в защите металлических деталей от агрессивных сред и очень высоких или, наоборот, низких температур приводят к возрастающему интересу всех областей промышленности к применению гальванических покрытий.

Более всего гальванические покрытия находят применение в автомобилестроении, строительстве, авиационной, радиотехнической и электронной промышленности. Но эстетичный вид и большая цветовая гамма вместе с защитой от неблагоприятного внешнего воздействия приковывают внимание и дизайнеров помещений, например, при отделке ручек дверей, мебели и карнизов, деталей интерьера и экстерьера. Тонкие (от 2-6 до 12-20 микрон) и прочные слои хромовых и никелевых гальванических покрытий увеличивают срок службы и улучшают качество бытовых, медицинских, штамповочных и прессовых инструментов, деталей узлов трения.

Гальванические покрытия были открыты в 1836 г. русским физиком и изобретателем в области электротехники Б. С. Якоби и основаны на электрокристаллизации - электрохимическом осаждении на катоде (в роли которого выступает основное изделие) положительно заряженных ионов металлов при пропускании через водный раствор их солей постоянного электрического тока. При этом соли металлов распадаются на ионы под воздействием электрического тока направляются к разным полюсам: отрицательно заряженные - к аноду, а положительно заряженные ионы металла - к катоду, то есть к изделию, поверхностный слой которого мы хотим изменить нанесением гальванического покрытия.

Одна из важнейших функций анодов в этой системе - восполнять разряжающиеся на катоде ионы, поэтому качество металла, играющего роль анода, должно быть очень высоким, с минимальным количеством посторонних примесей. На практике аноды, за редким исключением, изготавливают из металла, слой которого хотят получить в качестве гальванического покрытия. Процессы хромирования, золочения, платинирования, родирования и др. протекают с нерастворимыми анодами из металла или сплава, устойчивого в данном электролите.

Электролиты на основе простых соединений проще и дешевле, но при получении качественных гальванических покрытий с мелкокристаллической структурой и равномерной толщиной на всех участках изделий сложной формы применяют электролиты на основе комплексных соединений или на основе простых солей с добавками поверхностно-активных веществ. Для сохранения постоянства состава электролита введение солей или других соединений осаждаемого металла осуществляется периодически.

Количественно гальванотехнические процессы регулируются по законам Фарадея с учётом побочных процессов, качественно -- составом электролита, режимом электролиза, температурой и интенсивностью перемешивания. Все электрохимические процессы получения гальванических покрытий проводят в гальванических ваннах, футерованных свинцом или винипластом, полипропиленом, или другого материала, в зависимости от размера ванны и агрессивности электролита. Ванны, для получения гальванических покрытий бывают стационарными, полуавтоматическими (изделия в такой ванне вращаются или перемещаются по кругу или подковообразно) или представляют собой целый комплекс, в котором автоматически производится загрузка, выгрузка и транспортировка изделий вдоль ряда отдельных ванн.

Прочность сцепления гальванических покрытий с основным изделием обеспечивается, прежде всего, тщательной подготовкой поверхности, очистка поверхности от окислов и жировых загрязнений путём механической пескоструйной обработки, и химической обработкой травлением или обезжириванием, удалением шероховатости шлифованием и полированием.

Покрытия, применяемые в гальванике, очень разнообразны. При выборе следует учитывать назначение и материал детали, условия эксплуатации покрываемого изделия, назначение и необходимые свойства покрытия, способ его нанесения, допустимость контактов сопрягаемых металлов и экономическую целесообразность применения гальванического покрытия. Гальванические покрытия могут обеспечивать повышенную коррозионную стойкость (оцинкованием, хромированием, лужением, свинцеванием), износостойкость трущихся поверхностей (хромированием, железнением), защитно-декоративную функцию отделки поверхности (меднением, никелированием, хромированием, серебрением, золочением, анодированием). Гальванические покрытия изделий из полимеров, оргстекла, пластика или композита применяются для придания эстетичного вида, увеличения прочности поверхности изделия, приданию деталям электропроводящих свойств.

Хромирование увеличивает твердость металлических изделий, сопротивление механическому износу и высоким температурам, придает декоративный вид и светоотражающие свойства. Сами по себе хромовые гальванические покрытия достаточно пористые, поэтому чаще для предотвращения коррозии на изделие наносят несколько слоев, например, медь-никель-хром или никель-медь-никель-хром. Аноды при хромировании используют свинцовые. Свойства хромовых гальванических покрытий сильно зависят от концентрации и температуры электролита, плотности тока. Например, при температуре электролита 35-55єС покрытие будет блестящим, при 55-80 єС - молочным, ниже 35 єС - матовым. Меняя состав электролитов, можно получить декоративное покрытие (от темно-голубого цвета до темно-синего и даже черного) или износостойкое для обработки деталей двигателей, редукторов и других механизмов.

Цинкование может быть щелочным, слабокислым, цианистым. Цианистое цинкование в последнее время не применяется в виду его вредности. Цинк хорошо сцепляется с поверхностью других металлов, а со временем на цинковом покрытии образуется тонкая пленка окислов, обладающая прекрасными защитными свойствами. Нанесение цинкового гальванического покрытия с использованием бесцветного и радужного хроматирования обеспечивает изделиям красивый вид и защиту от различных видов коррозии и механических воздействий.

Кадмирование для защиты поверхности металлов все еще широко применяется, хотя в последнее время оно начинает заменяться более дешевым и доступным, и менее вредным цинкованием. По стойкости к атмосферным и химическим факторам между этими металлами нет большой разницы. Для кадмирования изделий применяются, как правило, цианистые электролиты.

Меднение металлических изделий производят в декоративно-защитных целях, для улучшения приработки трущихся деталей, уплотнения зазоров, восстановления изношенных поверхностей и защиты инструмента от искрообразования, а также для создания на поверхности металла токопроводящего слоя с малым сопротивлением. При меднении используются кислые, цианистые или щелочные нецианистые электролиты.

Никелированию подвергаются преимущественно изделия из стали и сплавов, а также меди, латуни, цинка для защиты от коррозии, повышения износостойкости деталей, в защитно-декоративных целях, а также для формирования промежуточного слоя при многослойных покрытиях. Никелевые гальванические покрытия отличаются красивым внешним видом, стойкостью к атмосферным воздействиям, легкостью нанесения на металлические изделия. Для получения матовых и блестящих никелевых покрытий без дополнительной полировки используют разные гальванические ванны. Электролиты для никелирования бывают сернокислые матовые, сернокислые блестящие и редко применяемые в гальваностегии сульфаматные.

Железнение как гальваническое покрытие распространено очень мало. Главным образом оно используется в полиграфической промышленности для покрытия матриц, а в последнее время также при окончательной обработке деталей машин или при ремонте изношенных инструментов. Кроме того, этим способом можно приготовить особо чистое железо для физических и химических исследований. Основным элементом электролита является сернокислое или хлористое железо.

Латунирование - это нанесение на поверхность металлических (главным образом стальных) изделий слоя латуни толщиной в несколько мкм (примерный состав: 70% меди и 30% цинка). Применяется для защиты изделий от коррозии, для обеспечения прочного сцепления стальных и алюминиевых изделий с резиной при горячем прессовании, для создания промежуточного слоя при никелировании или лужении стальных деталей (что более эффективно, чем непосредственное покрытие никелем или оловом). Латунирование -- один из способов повышения антифрикционных свойств титана и его сплавов.

Лужение приобретает в промышленности все большее значение, благодаря стойкости олова к коррозии. Применяется чаще всего к железным и стальным деталям. Гальванические покрытия из драгоценных металлов и их сплавов широко применяются при заключительной обработке ювелирных изделий для придания им определенного цвета, тона и блеска, создания цветовой гармонии при изготовлении изделий с драгоценными камнями, коррозионной защиты, повышения прочности и твердости. При золочении из экономических соображений пользуются нерастворимыми (угольными, платиновыми или стальными) анодами. Наилучшими свойствами обладают гальванические покрытия из золота, серебра и их сплавов, полученные из цианистых электролитов, содержащих свободный цианистый калий. Однако при этом возникают проблемы с утилизацией промывных вод и отработанных электролитов, которые содержат свободные цианиды, не говоря уже про особые меры предосторожности в процессе получения самих гальванических покрытий. Покрытия, нанесенные с использованием нецианистых электролитов (гексаферроцианидных, роданидных, йодидных, пирофосфатных при серебрении и трилонатных, сульфитных, тиосульфатных, триполифосфатных при золочении) не требуют столь строгих мер по соблюдению экологической безопасности, но дают матовые гальванические поверхности и требуют дополнительной полировки, поэтому применяются на изделиях относительно простой конфигурации. В связи с этим сейчас в промышленности уделяют особое внимание разработке новых полностью бесцианистых электролитов для нанесения блестящих гальванических покрытий.

Приложение 8

Новые технологии в Челябинске. Компания Цинк Сервис.

Гальваника в Челябинске представлена многими предприятиями. Но этот производственный цех не затерялся среди многих, а входит в лидеры по качеству и скорости обслуживания. Предприятие работает с 2000 года. За это время проделан сложный путь от кустарного производства, до гальванического цеха, производящего высококачественное гальваническое покрытие. Продукция гальванического производства обладает высоким декоративным эффектом и антикоррозийными защитными функциями. Качеством гальваники находится на уровне мировых образцов.

Цинкование метизов - основной род деятельности, мощности цеха позволяют цинковать до двух тонн метизов в сутки. Так же оцинковка деталей машин, деталей рециклируемой техники и деталей производственных предприятий. Начиная от запасных частей транспортной техники, частей гидравлического оборудования, электрических шкафов, заканчивая деталями приборов для атомной станции. Первая линия - цинкование в ваннах на подвесках. Линия позволяет оцинковать металлические конструкции и изделия. Например: мебельную фурнитуру, элементы замков, приборов, стальные листы, ленту, крепежные детали, детали машин, трубопроводов и др. (габариты подвески 1000 х 250 х 700мм). Вторая линия - цинкование в барабанах. Линия позволяет оцинковать мелкие металлические изделия и конструкции длина которых не превышает 110 мм. Также всю метизную продукцию. Например: болты, гвозди, металлическую фурнитуру и др. Улучшение товарного вида приобретается за счет пассивирования оцинкованных изделий в хроматных растворах, придающих покрытиям радужную окраску, либо блестящую голубую. На всех этапах техпроцессов осуществляется тщательный контроль, что позволяет достигать безупречного качества покрытий. На предприятии имеется так же и участок токарной обработки.

Приложение 9

Эксперименты

Меднение стальной пластинки с помощью «кисти» провода, когда между пластинкой и кистью слой электролита.

Меднение стальных ножниц, а затем неудачная попытка их никелирования ввиду отсутствия никелевых электродов.

Заготовка из воска для опыта по гальванопластике.

Опыт по гальванопластике. Заготовка с нашими инициалами, посыпанная электропроводящим порошком графитом подвешена на медных проволочках в растворе медного купороса.