В этот раз хотелось бы рассказать о прикладной части электрохимической технологии – об электролитах. Если обсуждать эту тему детально и скрупулезно, можно написать ни одну книгу, что в принципе уже сделано авторами из разных стран и даже эпох. Я бы хотел дать, по возможности краткий, комментарий на вопрос поставленный в заголовок – из чего состоит электролит? Или говоря иначе – какая роль у его компонентов?
Во-первых, вопреки обывательской логике, стоит сказать, что электролиты – это не всегда жидкости. Есть целый класс электрохимических систем работающих с использованием твердых электролитов. Но про них в другой раз. Сейчас, мы действительно будем иметь в виду растворы, и особенность этих растворов в том, что они служат проводниками, т.е. проводят электрический ток. Переносчиками заряда в них являются ионы – положительно и отрицательно заряженные атомы и молекулы. Их наличие в растворе обусловлено явлением электролитической диссоциации. Но об этом (тоже) как-нибудь в другой раз.
Во-вторых, и в этом состоит «фишка», электролит может участвовать в электрохимической реакции (быть актором), а может не участвовать (быть фоном). При использовании раствора электролита в качестве фона, его роль сводится к решению, как правило, двух задач:
- Обеспечение электропроводности;
- Поддержание необходимой для реакции среды;
Непосредственное участие раствора электролита в электрохимической реакции находит широкое применение в различных прикладных областях – от получения металлов и газов до синтеза веществ и материалов. Сейчас мы обсудим и разберем на паре примеров составы растворов электролитов используемых в технологии гальванических покрытий, как наиболее наглядном примере, когда состав определяет результат.
Пример №1. Электролит меднения.
В таблице 1 представлен классический электролит меднения.
В составе этого электролита содержится соль меди в виде сульфата меди, что обусловлено электрохимической стабильностью сульфат-иона в широком диапазоне потенциалов. Добавление в раствор серной кислоты позволяет, в первую очередь, улучшить электропроводность электролита, а также избежать образование маслорастворимых соединений меди в процессе электроосаждения. Концентрации (массовые) этих компонентов берут в соотношении 4:1 или 5:1. Это позволяет обеспечить образование плотных осадков меди на поверхности подложки. Введение в раствор этилового или изопропилового спиртов служит для улучшения смачиваемости поверхности подложки, а, следовательно, для более полной прокрываемости в случаях осаждения на объекты с полостями или резкими изгибами (трубы, уголки, перфорированные пластины). И, наконец, небольшая добавка хлорида натрия или калия позволяет избежать такого явления как пассивация анодов – образования труднорастворимых продуктов реакции, которые снижают скорость процесса в целом и увеличивают энергозатраты на питание и температурный контроль гальванической ванны. Ибо с ростом напряжения на ванне растет и нагрев электролита анодами.
Пример №2. Электролит никелирования.
В таблице 2 представлен электролит никелирования, известный как электролит Уоттса.
В качестве источника ионов никеля в данном электролите также используется сернокислая соль, хотя иногда в электролит может быть добавлен хлорид никеля вместо хлорида натрия. Назначение хлоридов в растворе аналогично электролиту меднения – уменьшить пассивацию анодов. Присутствие сульфатов натрия и магния обусловлено необходимостью повысить электропроводность раствора. Ключевой добавкой служит введение в раствор борной кислоты. Её роль сводится к поддержанию рН электролита в диапазоне от 5 до 5.5. При смещении рН ниже 4.5 значительно снижается выход никеля, поскольку часть электричества уходит на побочный катодный процесс – выделение водорода. Помимо снижения выхода никеля, покрытие наводораживается и может быть менее механически и коррозионностойким. При сдвиге рН за 5.5 на катоде возможно соосаждение никеля и его гидрооксида и гидроксосолей. Достаточно часто в электролит вводятся несложные органические добавки (бутандиол, формалин, сахарин) для снижения механических напряжений покрытия, которые могут привести к его растрескиванию.
Пример №3. Электролиты цинкования.
В таблице 3 представлены электролиты цинкования, в которых ион цинка присутствует в разных формах. И это позволяет получать покрытия для решения различных технологических задач.
Электролит №1 по аналогии с электролитами меднения и никелирования является классическим сульфатным электролитом с источником иона металла , электропроводящей и буферирующей добавками, а также поверхностно активным веществом (декстрин), позволяющим улучшить равномерность нанесения покрытия по всей площади подложки. Ионы цинка в Электролите №1 представлены, как говорится в свободной, не закомплексованной форме. Сульфат алюминия, выполняя роль аналогичную борной кислоте в Примере №2, поддерживает рН электролита в диапазоне 3.5 - 4.5. Хлорид-ионы в данном электролите не требуются в силу хорошей растворимости цинковых анодов и отсутствию пассивации в заданном диапазоне рН.
Электролит №2 более прост по составу, но куда сложнее как с точки зрения приготовления, так и химического устройства. Для его приготовления свободный ион цинка, источником которого служит ZnO, переводят в комплексное соединение - цинкат-ион. Для этого оксид цинка постепенно растворяют в концентрированном растворе гидрооксида калия. На практике указанную концентрацию KOH приготавливают в меньшем объеме (вместо 1 литра, например, в 200 мл) и растворяют в нем оксид цинка, а после добавляют недостающую воду. Процесс приготовления значительно ускоряется при небольшом подогревании смеси. Смысл создания комплексного соединения состоит в следующем: кристаллизация цинка на поверхности подложки протекает при более высоких потенциалах, чем для простого электролита (или как говорят ученые люди при больших поляризациях), т.к. прежде чем ион цинка получит свои 2 электрона, ему надо выйти из комплекса, на что естественно требуется энергия. Это «оттягивание» реакции позволяет получать более мелкокристаллические (блестящие) покрытия защитно-декоративного назначения, а не матовые, как случае Электролита №1. Гидрооксид калия в данном электролите выступает и как электропроводящая, и как буферирующая добавка (рН=13-14), а кроме этого работает как смачиватель и депассиватор анодов от образования ZnO на их поверхности.
Резюмируя, стоит сказать, что практически любой электролит из используемых в технологии гальванических покрытий имеет в своем составе следующие компоненты:
- Источник металла;
- Электропроводящий компонент;
- Буферная добавка;
- Депассиватор для анодов;
Довольно часто в электролитах можно встретить
- Компонент комплексообразователь;
- Сложные и простые органические добавки;
Позволяющие значительно улучшить качество покрытий для декоративных и декоративно-защитных целей, а также увеличить срок службы эксплуатации электролита.
#true_elchem
#наука #электрохимия #электролит #гальваника #интересно #нон-фикшен #меднение #никелирование #цинкование #рецепт
#science #electrochemistry #electrolyte #electroplating #interesting #non-fiction #copper #nickel #zinc #galvanizing #recipe