УМКД

Ток бойынша шығым

ПӘНДЕРДІҢ ОҚУ-ӘДІСТЕМЕЛІК КЕШЕНІ

«ЭЛЕКТРОХИМИЯЛЫҚ ӨНДІРІСТІҢ ТЕХНОЛОГИЯСЫ. ПЛПАЗМОХИМИЯ»

050720 – «Бейорганкалық заттардың химиялық технологиясы» мамандығына
арналған

ОҚУ-ӘДІСТЕМЕЛІК МАТЕРИАЛДАР

Семей
2012

Мазмұны

1 Глоссарий (осы бөлімнің болуы негізді емес)
2 Дәріс оқулар
3 Практикалық және зертханалық сабақтар
4 Курс жұмысы және диплом жобасы (жұмысы)
5 Студенттің өзіндік жұмысы

1 ГЛОССАРИЙРАР
Ескерту-«Глоссарий» бөлімі қажет жағдайда жасалады (міндетті емес)

2 ДӘРІС ОҚУЛАР

Дәріс 1. «Электрохимиялық процестер. Сулы ерітінділер электролизі»

Дәріс сабақтың мазмұны:
1. Электрохимиялық процестердің жалпы сипаттамасы. Классификациясы.
2. Түсті және сиерк кездесетін металдар өндірісіндегі гидроэлектрометаллур-
гияның маңыздылығы.

Электрохимия- энергияның бірі-біріне айналуы жйында ғылым. Тотығу-
тотықсыздану химиялық реакцияның электрлік энергияға, және электрлік
энергияның тотығу-тотықсыздану реакцияларының химиялық энергиясына.
Электрохимиялық процестерінің жіктелуі:
Химиялық ток көзі.
а) Батареялар (алғашқы ток көзі)
б) Аккумуляторлар (екінші қайтара (жаңармалы) ток көзі
в) Жағармайлық элементтер
Электролизі
а) Электртұндыру
б) Өттігі мен сутегін алу
в) Ерітінділерден таза металдарды алу
г) Электрохимиялық өлшемі біркелкі өңдеу
д) Балқымыалардан таза металдарды алу
е) Электроанализі
Басқа да қолдануы
а) Коррозия және одан қорғау әдістері
б) Биоэлектрохимия
в) Қоршаған ортаны электрохимиялық әдістер арқылы қорғау
г) Электрохимиялық мәлімет көрсеткіштері (хемотроника)
Электрохимия дамуына өзідерінің көрнекті үлестерін қосқан М. Фарадей
(электролиз заңдары), Г. Деви (электролиз арқылы металдық калиді алу), С.
Аррениус (электролитикалық диссоциалану теориясы) және т.б.
Гидроэлектрометаллургияны қолдану аумақтары. Гидроэлектрометаллургия –
полиметаллдық кендердің сілтіден айырудың (химиялық еріту) өнімі немесе
пирометаллургиялық оларды тотықсыздандыру арқылы электрохимиялық (анодты)
еріту нәтижесінде алатын өнім болып табылатын сулы ерітіндіден металлдарды
электролитикалық бөлу немесе рафинирлеу (яғни тазарту) тәсілі (тәсілдер
тобы). Гидроэлектрометаллургияның өнеркәсібті дамуы 20 ғасырда қуатты
көректену көзі пайда болғаннан кейін басталды. 20 -шы ғасырдың 80 -ы
жылдарынан бастап 40 жыл аралығында таза мыс, кадмий,қорғасын, қалайы,
никель, кобальт, марганец, хром алу үшін ірі электролизді цехтермен
өндірістер ұйымдастырылған.
Электролитикалық рафинирлеу пирометаллургиялық ластанған металлды
анодты еріту және осы электролизерда оның катодты таза түрінде тұнуын
қарастырады. (рис. 1). Осы кезде тауарлық өнім ретінде металлды
пирометаллургиялық өңдеудің (металлдардың тазалығы төмен), сонымен қатар
электролитикалық рафинирлеу (таза металл) нәтижесінде алады.

[pic]

Рис. 1а. Принципиальные схемы переработки руд.

[pic]

Рис. 1б. Принципиальные схемы переработки руд.

Басқа металлдарды әртүрлі еріткіштермен (сонымен қоса қалдық
электролиттер) олардың қосылыстарын кендерден шығарған соң және кендердің
басқа бөліктерінен бөлген соң ерімейтін аноды бар электролизерледе катодта
таза күйінде бөліп алады. Осы тәсілді қысқаша электроэкстаркция деп атайды.
Сулы ерітінділерден рафинирлеу мен электроэкстракциялауды қатты және сұйық
электродтар – сынап және оның балқымаларын (амальгамды металлургия)
қолданым жасайды. Екі процестіңде заңдылықтары өзара жақын, бірақ іс-
жүзінде біріншісі кеңінен қолданылады.
Металлургияда асыл металлдардың электролизі
Асыл металдар жер қыртысында аз мөлшерде болады және алуы қийындыққа
түседі, сонымен қоса коррозия қарсы төзімділігі оте жоғары болғандықтан
көптен бері құнның дүниежүзілік эквиваленті болып табылады. Соңғы кезде осы
металдар техникада оте маңызды және кеңінен қолданылатын болды.
Асыл металдар таза түрінде (әсіресе алтын мен платина) және әртүрлі
минералдарда кездеседі. Ең кенінен таралған күмістің минералы болып
қорғасын, мырыш және мыс кендерінде болатын аргентит Ag2S табылады.
КҮМІС. Өзінің электрохимиялық қасиеттері бойынша күміс разрядтанудың
ток кернеуінің күші артуы және металл ионизациялануы оте төмен металдарға
жатады. Бақыланатын қоспа болып мыс табылады, мүмкін болатын құрамы 30 – 40
г/л. Осы мөлшерден жоғары болатын кезде электролиттің тең жартысын алып
жаңасымен ауыстырады: қалдық ерітіндіден күмісті мыспен цементациялау
арқылы алады.
АЛТЫН. Күміске қарағанда алтын бір және үшвалентті тұрақты қосылыстар
түзеді. Ұшвалентті қосылыстардың тұрақтылығы күштірек. Стандартты
потенциалдарының мәндері жуық болып келеді: [pic]= +1,50 В, [pic]= +1,58 В,
сондықтан қарапайым еретінділерден алтынның электро-химиялық еруі мен
тұнбаға түсуі кезінде екі ионның да тотығуы мен тотықсыздануы жүреді
AuCl3 сумен әрекеттекенде комлекс H2[AuCl3O] түзіледі.
[AuCl3O]- ион анодты процеске қатысады:

H2[AuCl3O] → AuCl3 + 2H+ + 0,5O2 + 2[pic]

AuCl3 анод маңайында жиналғаны оның пассивтенуіне әкеледі, оны азайту үшін
HCl енгізеді:

AuCl3 + HCl → H[AuCl4] H2[AuCl3O] + HCl → H[AuCl4] + H2O

Қандай да тәсілмен алғанда рафинирленетін алтын құрамында күміс (кезде 20%
-дейін), платиноидтар (50%-дейін), мыс, қорғасын және т.б. бар болады.
Анод металдарының потенциалы сулы қышқыл хлорид ерітіндісінде болады:
(0, В (0, В
AuCl4-/Au +0,90 [pic]/Pd +0,62
AuCl2-/Au +1,04 Ag+/Ag +0,799
[pic]/Pt +0,79 Cu2+/Cu +0,347

Осының нәтижесінде алтын үстінде анодты және қысқа уақытқа катодты
поляризациялану кезектеседі.
Катодты поляризациялану мерзімінде күміс AgCl қабыршағынан металға дейін
жартылай тотықсызданады. Қабыршақтың бөлімі электродтың заряд белгісі және
беттік тартылысы өзгеру нәтижесінде жұлынады. Осының әсеріне анод
активтенеді және оның еруі нормаға сай жүреді.
Өзін-өзі бақылауға арналған сұрақтар:
1. Принципиальные схемы переработки руд?
2. Электрохимическим свойствам серебро?
3. Электрохимическим свойствам золота?
Ұсынылған әдебиеттер:
Негізгі әдебиеттер:
1. Прикладная электрохимия /Под ред. Томилова А.П. М: Химия 1984, с. 520
2. Прикладная электрохимия /Под ред. Ротиняна А.Л. Л: Химия 1974, с. 423
3. Вырапаев В.Н., Никольский В.А. Химические источники тока – М: ВШ 1989,
с. 360
4. Баймаков Ю.В., Журин А.И. Электролиз в гидрометаллургии. – М:
Металлургия, 1977, с. 361
Қосымша әдебиеттер
1. Методические указания к лабораторному практикумуму по теории
и технологии электротермических производств. Часть 2. – Ш.: 1988
2. Емлин Б.И., Гасик М.И. Справочник по электрохимическим
процессам. – М: Металлургия, 1977
3. Порада А.Н., Гасик М.И. Электротермия неорганических
материалов. – М.: Металлургия, 1990, с. 232

Дәріс 2. «Сулы ерітінділер электролизі»

Дәріс сабақтың мазмұны:
1. Анодты және катодты материалдарды таңдау. Анодты және катодты процестер.

2. Анодттар мен катодтарға қойылған талаптар.
3. Электродтардағы кернеу. Ерітінділер құрамы. Электрөткізгіштік.
Электродты материалдар. Электрод материалдарына талаптар қойылады –
сутегі мен оттегі бөлінуінде ток кернеуінің күші артуы осылар үшін
мүмкіндігінше аз болу керек. Электрод материалдарын таңдағанда өнімсіз
электродтардың поляризациясына электроэнергияның шығымы төмен болу
қажеттілікті сұрайды. 7.1 суретінде көріп тұрғанымыздай ең жақсы катодты
материал ретінде платинденген платина болып табылады, бірақ бағасы оте
жоғары болғандықтан және кеуекті (губчатый) қабатының тұрақсыздығына
байланысты электродты материал ретінде қолдануға болмайды.

[pic]
Рис.7.1 Поляризационные кривые выделения водорода на некоторых металлах из
раствора NaОН (16 вес.%): ( при 25(С; - - - при 80(С.

Темір тобының металдары сілтілік ерітінділерде тұрақты, ток
кернеуінің күші артуы жоғары емес және катод материалы ретінде қолдануға
келеді. Темірде және кобальтта ток кернеуінің күші артуы никельге қарағанда
бірнеше он дананың милливольтына кем. Басқа металдар (Ti, Pb) сутегінің ток
кернеуінің күші артуы жоғары мәндермен сипатталадыжәне іс жүзінде
қолданбайды.

[pic]
Рис.7.2 Поляризационные кривые выделения кислорода на некоторых металлах из
раствора NaОН (16 вес.%) (Ni(S) – содержащее серу никелевое
покрытие):( при 25°С;- - - при 80°С

Ерітінді құрамы. Электролит құрамы мен концентрациясы, және ваннаның
конструкциясы мен қанау тәртібін (режимы ее эксплуатации) таңдау
электролизердың мақсатына және электролиттерде және контакті орындарында
ток күшін жоғалтып өнімсіз электроэнергияның шығуын максимальды
төмендетумен байланысты. Су электролизі үшін электролит ретінде KOH және
NaOH ерітінділерін қолданады. Болат коррозияға ұшырауын төмендету үшін
электролитке 2 – 3 г/л К2Сr2О7 енгізеді. Электролизерге жарамды болып
табылатын құрамында 10 мг/л -нан көп емес хлоридтер және 3 мг/л -ге жуық
темір бар, судың электрлік өткізгіштігі 10-3 См∙м-1 жоғары
болмауы керек. Бірақ электролизер электр тоғын пайдалану үшін таза су
қолдану керек, өткізгіштігі 10-4 См∙м-1, құрамында 1мг/л -нан жоғары емес
темір, 2 мг/л хлоридтер және 3 мг/л құрғақ қолдықтар бар.
Сілтілік тұманнан газдарды тазартуды шыны мақтамен толтырылған
саптамасы бар фильтрлерде жүргізеді. Сутегіні оттегі қоспасынан t0 ≈ 100 -
130 (С никель-алюминии және никель-хромды катализаторлары бар түйіскен
аппараттарда жүргізеді.
Сілтінің оптимальды концентрациясын таңдағанда ерітіндінің меншікті
электр өткізгіштігінің әртүрлі температурада концентрацияға тәуелділігін
білу керек. Осы тәуелділікті көрсететін қисық, барлық температураларды
максимумнан өтеді (3 сурет).

[pic] [pic]

Рис.3. Зависимость удельной электропроводности растворов NаОН (а) и КОН (б)
от концентрации при различных температурах

КОН ерітіндісінің максимальды электрөткізгіштігі NаОН -ке қарағанда
жоғары, бірақ NаОН арзан. Сондықтан, электролизді ванналарға екеуі де
бірдей қолданылуы мүмкін. Өнеркәсіпті ванналарда максимальды
электрөткізгіштіктері NаОН ерітіндісі – 21% -гі, ал КОН ерітіндісі – 32%
-гі. Іс жүзінде 16 – 20% NаОН ерітіндісін және 25 – 30% КОН ерітіндісін
қолданады.
Температура. Сілтілік сулы ерітіндісінің электролизін газдар
бөлінуінің ток кернеуінің күші артуын және электролиттің меншікті
кедергісін төмендету үшін жоғары температурада жүргізеді. 7.4 суретінде
сілтілік ерітіндінің температура, меншікті кедергі және оптимальды
концентрация арасындағы тәуелділік көрсетіліп тұр.
[pic]

Рис. 4. Зависимость оптимальной концентрации (1, 2) и удельного
сопротивления (3, 4) растворов КОН (1, 3) и NаОН (2, 4) от температуры.

Электролиз процесінің көрсеткіштері. Электролизер клеммаларының
кедергісі (Uр) судың ыдырау кедергісінен Епр (Епр – оттегінің[pic]және
сутегінің[pic]тепе-теңдік потенциалдарының айырмашылығы (1)Епр = [pic]-
[pic]), осы электродтардың сутегімен[pic] оттегінің [pic]2)ток кернеуінің
күші артуы және ток күшінің жоғалуларының қосындасынан3)ΣIRОм тұрады, мұнда
ең маңыздысы – электролиттегі IRЭл + IRгаз, диафрагмада IRдиафр және
электродтар мен тұіскен орындарында IRОм, В кернеуінің азаюы:

Up= Епр + [pic] + [pic] +I(Rэл.+Rгаз+Rконт.), (7.1)
где I – электролизердағы жұмысшы ток, А.
Сутегі (оттегі) жұмысшы токтың тығыздығында кернеуінің күшінің артуын
Тафель теңдеуі η = а + blgi бойынша анықтауға болады, мұнда а және b
электрод материалына және электролит ерітіндісіне сәйкес справочный
мәндері.
Конструкции электролизеров. Все современные конструкции электролизеров
относятся к фильтр-прессному типу с биполярным включением электродов. Схема
фильтрпрессного биполярного электролизера для получения водорода и
кислорода представлена на рис. 7.5
[pic]

Өзін-өзі бақылауға арналған сұрақтар:
1. Что является наилучшим катодным материалом?
2. Для выбора оптимальной концентрации щелочи что необходимо знать?
3. Каковы показатели процесса электролиза?
Ұсынылған әдебиеттер:
Негізгі әдебиеттер:
1 Прикладная электрохимия /Под ред. Томилова А.П. М: Химия 1984, с. 520
2 Прикладная электрохимия /Под ред. Ротиняна А.Л. Л: Химия 1974, с. 423
3 Вырапаев В.Н., Никольский В.А. Химические источники тока – М: Высшая
школа 1989, с. 360
Қосымша әдебиеттер
1. Емлин Б.И., Гасик М.И. Справочник по электрохимическим
процессам. – М: Металлургия, 1977
2. Порада А.Н., Гасик М.И. Электротермия неорганических
материалов. – М.: Металлургия, 1990, с. 232
3. Зарецкий С.А. и другие. Электрохимическая технология неорганических
веществ и ХИТ – М., ВШ 1980, 423с

Дәріс 3. «Ток бойынша шығым»

Дәріс сабақтың мазмұны:
1. Ерітінділер циркуляциясы жүйесіндегі ток шығымы.
2. Электролиз процесіндегі металдар шығымы. Шыламның түзілуі және оны қайта
өңдеу.
3. Ауыр суды алу.

Ток бойынша шығымды төмендететін электролиз кезінде қосымша
электрохимиялық және екінші реттік химиялық реакциялар жүреді:
ТШ = ттәж/ тт 100%,

мұнда ттәж – тәжірибе барысында бөлінген заттың саны граммен; тт – Фарадей
заңы бойынша заттың саны граммен.
ТШ шамасы электролиз процесі қаншалықты дұрыс және мақсатына сәйкес
ұйымдастырығанын көрсетеді.
Ток бойынша шығымды мына теңдемен де анықтауға болады

ВТ = Qт/Qтәж 100%,

мұнда Qт – Фарадей заңы бойынша қажетті электр мөлшері; Qтәж – шынында зат
бірлігіне жаратылған электр мөлшері.
Жалпы жағдайда ТШ = 100%.
Ток бойынша шығымды катодты (ТШк) және анодты (ТШа) деп ажыратады,
ойткені олар өзара тең емес болғандықтан.
Ток бойынша шығым электрохимиялық реакцияға жұмсалған заряд үлесі
болып табылады. Өлшем бірлігі процентпен немесе берлік үлесі.
ТШ -ң мәні 100% тен жоғары да, төмен де болуы мүмкін. Егер электродта
бірнеше электрохимиялық реакция жүретін болса және зерттелетін реакцияға
тек зарядтың бөлігі қана жұмсалса, төмен болуы байқалады.
ТШ 100% -тен жоғары болады, егер:
1) Фарадей заңы бойынша есептелген шама жүріп жатқан реакцияға
қарағанда n (өкізілген электрон саны) санының үлкен мағынасында алынса;
2) Электрод бетінде электрохимиялық реакциямен қатар, ток күшін талап
етпейтін химиялық реакция жүретін болса;
3) Анодты еру кезінде материал жартылай механикалық жолмен жоғалса
(дезинтеграция – металдың механикалық бұзылуы);
Электроэнергияның шығымы өнімнің бірлігіне теңдеу арқылы анықталады:

Wуд = U·105/a·ВТ кВт·ч/т,

мұнда U – электролизер клеммаларының кернеуі; a – электрохимиялық
эквивалент.
Ерітінділер циркуляциясы жүйесіндегі ток шығымы. Ток шығымы, яғни
жүйеде электрохимия өндірісінде жии кездесетін құбылыс, адасып жүрген ток
деп аталатын пайда болады. Электролиттер жеткізуі орталықтандырылған және
коллекторлары жалпы монополярлы электролизерлардың сериялық орналасуы алдын
ала паралель электрлік тізбектердің пайда болуын анықтайды. Бірақ биполярлы
электролизерларда ток шығымдары әсіресе жоғары.
Жалпы айтқанда ток шығымы электролдизерда қаншалықты ячейка саны көп
болса, соншалықты ол жоғары болады және сутегі бойынша ток шығымына әсерін
тигізеді, оны бөлек ячейкаларда 3 – 8 % азайтып.
|[pic] |
|Рис. 26.1. Схема путей утечки тока в системе катодных ячеек |
|биполярного электролизера: 1—магистраль подвода питающего |
|электролита со штуцерами; 2—магистраль отвода газожидкостной |
|эмульсии со штуцерами; А – анодная ячейка; К—катодная ячейка |

Ток шығымына әсерін тигізетін технологиялық және конструктивті
факторлардың ішінде циркуляциялық каналдардың және газсұйық эмульсияны алып
кететін канал-коллекторлардың ішкі қимасы және де әсіресе штуцерлер қимасы
маңызды болып табылады.
Ауыр суды алу. Ауыр су нейтрондарды баяулату ретінде атомды
энергетикада және сутегінің ауыр изотопы бар химиялық қосылыстарды алу үшін
қолданады.
Электрохимиялық қасиеттері бойынша сутегі изотоптары біршама
айырмашылығы болады.
Электрохимиялық әдіс ауыр судың концентрленгеніне негізделген.
Электролиз процес барысында жеңіл (протия) және ауыр (дейтерия) сутек
изотоптарының потенциалдарының әртірлі болу салдарынан жүреді.
Өнеркәсіпте энергетикалық шығым жоғары болу салдарынан
электрохимиялық ауыр суды мерзімді әдіспен алу қолданбайды.
Өнеркәсіпте электролизер каскадында су электролизіне негізделген үздіксіз
әдістерді қолданады.
Көп сатылы байытуды электролиз сатысымен және каталитикалық изотоппен
айырбастыру оған қоса фазалық изотоппен айырбастыруды қиыстырып 1 г D2О -ға
100 кг жуық судың және 60 – 100 кВт∙ч электроэнергия шығымымен практикалық
таза ауыр су (D2О 99,7% аз емес) алуға болады.
Өзін-өзі бақылауға арналған сұрақтар:
1. Величина ВТ что показывает?
2. Схема, поясняющая причины возникновения утечки тока?
3. Применение тяжелой воды?
Ұсынылған әдебиеттер:
Негізгі әдебиеттер:
1. Прикладная электрохимия /Под ред. Томилова А.П. М: Химия 1984, с. 520
2. Прикладная электрохимия /Под ред. Ротиняна А.Л. Л: Химия 1974, с. 423
3. Вырапаев В.Н., Никольский В.А. Химические источники тока – М: Высшая
школа 1989, с. 360
4. Баймаков Ю.В., Журин А.И. Электролиз в гидрометаллургии. – М:
Металлургия, 1977, с. 361
Қосымша әдебиеттер
1. Методические указания к лабораторному практикумуму по теории
и технологии электротермических производств. Часть 2. – Ш.: 1988
2. Емлин Б.И., Гасик М.И. Справочник по электрохимическим
процессам. – М: Металлургия, 1977
3. Порада А.Н., Гасик М.И. Электротермия неорганических
материалов. – М.: Металлургия, 1990, с. 232
4. Зарецкий С.А. и другие. Электрохимическая технология неорганических
веществ и ХИТ – М., ВШ 1980, 423с
5. Н.Г. Бахчисарайцев и другие. Практикум по прикладной электрохимии. Л.,
Химия, 1990 – 304с
6. А.М. Ямпольский. Электролитическое осаждение редких и благородных
металлов. Л., Машинолстроение, 1977, 96с
7. Багоцкий В.С., Скундин А.М. Химические источники тока. М. Энергоиздат.
1981.
8. Кудрявцев Н.Т. Электролитические покрытия металлами. М. Металлургия.
1979.
9. Полак Л.С. Теоретическая и прикладная плазмохимия. М., Наука, 1975, 305с

Дәріс 5. «Химиялық ток көзі (ХТК)»

Дәріс сабақтың мазмұны:

1. ХТК классификациясы және сипаттамасы. ХТК жалпы және ерекшкеленетін
қасиеттері, олардың классификациясы.
2. ХТК негізгі сипаттамасы.
Гальваникалық элементтер. Сілтілі-мырыштық элементтер. Марганецті-
мырышты элементтер. Дайындау технологиясы, қолданылатын материалдар және
даму перспективасы. Сынапты-мырышты элементтер. Дайындау технологиясы,
белгілеу жүйесі, қолданылуы, даму перспективасы.

Химиялық ток көзі (ХТК). ХТК –ң негігі сипаттамасы
Химиялық ток көзі деп, олардың ішінде кеңістікте бөлінген тотығу-
тотықсыздану реакциялар химиялық энергиядан электрлік энергияға айналып
жататын қондырғыларды айтады. Электрлік энергия, активті заттардың, ХТК
жасаған кезінде электродтарда жиналған қанда да бір запасы, айналуларының
арқасында ХТК электродтарын сыртқы кедергіге (жүк) тұйықтаған кезде пайда
болады.
ХТК жұмыс жасау бойынша бөледі:
1) бірінші реттік ток көзі, олардаға активті заттар бір рет қолданады;
2) екінші реттік ток көзі, немесе аккумуляторлар, олардағы разряд
кезінде жұмсалған активті заттар үздіксіз сыртқы ток көзі арқылы зарядталып
қалпына келтіруге болады;
3) жағармайлық элементтер, немесе электрохимиялық генераторлар, олар
үздіксіз жұмыс жасау үшін ХТК электродтарына қажетті заттармен
қамтамасыздандыру керек.
Барлық электрохимиялық жүйе сияқты, осы ток көзінің электродтарында жүретін
реакцияларының тепе-тең потенциалдарының айырмашылығымен анықталатын ХТК
электр қозғаушы күшпен (ЭҚК) сипатталады.
Гальваникалық элементтер.
Марганецті-мырышты (ММ) элементтер. Құрғақ марганецті-мырышты (ММ)
элементтерді өнеркәсіп төгілмейтін (қоюланған крахмал, ұн,
карбоксиметилцеллюлоза (КМЦ)) электролиттерімен жасап шығарады. Оларда
тұзды (NH4Cl) және сілтілік (NaOH, KOH) электролиттер, стақан және
галеталық конструкциялы болады.
Оларды сызба тұрде былай түрде көрсетуге болады:

[pic]Zn|NH4Cl|MnO2(C)[pic] и [pic]Zn|KOH|MnO2(C)[pic]

Оң (+) зарядталған электродта ток түзуші реакция электролит рН -на
тәуелді болады. рН ≤ 4,5…5 болғанда ракциялар бойынша:

2MnO2 + 2H+ + 2[pic] → 2MnOOH (4.а)
2MnOOH + 2H+ → Mn2+ + 2H2O + MnO2 (4.б)
MnO2 +4Н++ 2[pic] → Mn2+ + 2H2O

MnO2 -ң тотықсыздануы жүреді.
Аз сілтіленген электролиттер үшін MnO2 реакция бойынша
MnO2 + H2O +[pic] → MnOOH + OH-
манганитке дейін тотықсыздануы разряд кезіндегі потенциалдың – рН бірлікке
көбейгенде үнемі 0,059 В жатық азаюына (4.1 сурет, 2 қисығы) әкеледі.
Осы кезде MnO2 -ң тотықсыздануы фаза бөліну шекарадағы ерітінді иондары
қатысымен қатты фазада жүреді, сондықтан электрод потенциалы MnО2 және
MnOOH активтіліктеріне де тәуелді болады.

[pic]
Рис. 1 Кривая разряда МЦ элемента

Дән бетінде, электрлік өткізгіштігін жоғарлату үшін графит қосылған,
оң зарядталған активті масса кристалдық торы қателенбеген қатты ерітінді
түрлі құрамы ауыспалы хMnOOH(1-x)MnO2 фаза түзіледі. Онымен активті
массаның беттік қабаты қаныққан соң жүйе тепе-тең болмайды, протондар
дәннің ішіне терең диффузиялануы жүреді, біртіндеп терең жатқан қабаттары
тотықсызданады.

[pic]
Рис. 4.2 Активная масса положительного электрода МЦ элемента

Қатты фазада диффузия баяу болғандықтан, магнетит концентрациясы тек
қана жүкті қосқаннан кейін, яғни элемент “демалыс” мерзімінде, активті
массаның беттік және терең қабаттарында толық теңеседі.
Теріс зарядталған электродтарда тұзды және әлсіз сілті ортада
элемент разрядталу кезінде реакциялар

Zn + H2O → ZnO + 2H+ + 2[pic] (4.в)
Zn + 2H2O → Zn(OH)2 + 2H+ + 2[pic] (4.г)
жүреді.
Екінші реттік процестер жүргендіктен электродтар және сепаратордың
саңылауларында аз еритін [Zn(NH3)2]Cl2 және [Zn(NH3)4]Cl2 аммиакаттар
тұнбалары түзіледі.
Осы элементтердегі жиынтық ток түзуші реакциялар

2MnO2 + 2NH4Cl + Zn → 2MnOOH + [Zn(NH3)2]Cl2 (4.д)
және
2MnO2 + Zn + 2H2O + 2OH- → 2MnOOH + [Zn(OH)4]2- (4.е)

Мырышты электродтағы сілтілік электролит артық мөлшерде болғанда
анодты процесс цинкаттар түзілуімен бірінші реттік механизмі деп аталатын
бойынша жүреді:

Zn + 4OH- → [Zn(OH)4]2- + 2[pic]. (4.ж)

Осы кезде адодты токтың тығыздығын жоарлатуы монолитты тегіс
электродтарды пассивтендіреді.
Саңылаулы престелген мырышты электродтарды қолданғаны, шынайы беттігі
геометриялықтан жүз еседен астам, ток тығыздығының жоғары (габаритты) мәнін
мәнін алуға болады – 1 кА/м2 (0,1 А/см2) және одан да жоғары. Осындай
электродтар монолиттыге қарағанда пасивтенбейді, төмен температураларда
лдар жартылай аздап зарядтанады. Онымен тек қана сепарация мен
электродтарды сіңдіреді. ММ элементтерінің (жылына ~ 30%) өздігінен
разрядтануы мырыш реакция бойынша:

Zn + 2NH4Cl → [Zn(NH3)2]Cl2 + H2(;
Zn + 2H2O → Zn(OH)2 + H2; (4.з)
2Zn + O2 + 2H2O → 2Zn(OH)2,
коррозияға түскендіктен және аммоний хлоридінің химиялық тотығунан болады.
ХТК жұмыс жасау барысында активті заттар қоры жаратылғандықтан
зарядтану (разрядтану тоғына қарсы бағытта жүйеден үздіксіз тоғын жіберу
арқылы) жолымен қалпына келтірілтіру үшін аккумуляторларда қайтымды
электрохимиялық жүйе қолданады.
Екінші реттік ХТК -ң негізгі түрі болып қорғасын қышқылды және сілтілік
аккумуляторлар табылады.
Өзін-өзі бақылауға арналған сұрақтар:
1. Сухие марганцево-цинковые (МЦ) элементы?
2. Кривая разряда МЦ элемента?
3. Саморазряд МЦ элементов происходит вследствие коррозии цинка по каким
реакциям?
Ұсынылған әдебиеттер:
Негізгі әдебиеттер:
1 Основная литература
1. Прикладная электрохимия /Под ред. Томилова А.П. М: Химия 1984, с. 520
2. Прикладная электрохимия /Под ред. Ротиняна А.Л. Л: Химия 1974, с. 423
3. Вырапаев В.Н., Никольский В.А. Химические источники тока – М: Высшая
школа 1989, с. 360
4. Баймаков Ю.В., Журин А.И. Электролиз в гидрометаллургии. – М:
Металлургия, 1977, с. 361
Қосымша әдебиеттер
1. Методические указания к лабораторному практикумуму по теории
и технологии электротермических производств. Часть 2. – Ш.: 1988
2. Емлин Б.И., Гасик М.И. Справочник по электрохимическим
процессам. – М: Металлургия, 1977
3. Порада А.Н., Гасик М.И. Электротермия неорганических
материалов. – М.: Металлургия, 1990, с. 232
4. Зарецкий С.А. и другие. Электрохимическая технология неорганических
веществ и ХИТ – М., ВШ 1980, 423с
5. Н.Г. Бахчисарайцев и другие. Практикум по прикладной электрохимии. Л.,
Химия, 1990 – 304с
6. А.М. Ямпольский. Электролитическое осаждение редких и благородных
металлов. Л., Машинолстроение, 1977, 96с
7. Багоцкий В.С., Скундин А.М. Химические источники тока. М. Энергоиздат.
1981.
8. Кудрявцев Н.Т. Электролитические покрытия металлами. М. Металлургия.
1979.

Дәріс 6. «Аккумуляторлар: қорғасынды аккумуляторлар»

Дәріс сабақтың мазмұны:
1. Жұмыс істеу теориясы және зарядтау мен разрядтаудағы процестер.
2. Никель-темірлі аккумуляторлар. Никель-кадмийлі аккумуляторлар.
3. ХТК өндірісінде еңбекті қорғау бойынша арнайы шаралар.
Қорғасын қышқылды аккумуляторы. Бір ғасырдан астам бойы қолданғанына
қарамастан өздерінде мынадай
[pic] Pb | H2SO4 | PbO2 ( c E = 2,047 B,
Uорт.р. = 1,92 В (E – ЭДС; Uорт.р. – разрядтанудың орташа кернеуі)
электрохимиялық жүйе қолданылатын қорғасын қышқылды аккумуляторлар әлгі
күнге дейін кең таралған.
Осы түрлі аккумуляторлардың дүниежүзілік өндірісі жылына 100 млн. дана,
оған қорғасынның дүниежүзілік шығаруынан жартысынан көп жаратылады.
Аккумуляторлардың салыстырмалы арзандығы, тұрақты разрядтану сипаттамалары,
импульсті режимде жұмыс жасауы, онда Руд 150 – 300 Вт/кг -ға дейін жетеді,
кең температура аралығында (-50 -ден +50(С -дейін) жұмыс жасау қабілеті,
жұмыс істеу сенімділігі.
Таблица
Типы свинцовых кислотных аккумуляторов различного назначения

Аккумулятор разрядталғанда күкірт қышқылы жаратылады, екі
электродтыңда активті массалары қорғасын сульфатына айналады. Ток түзушы
реакциялардың механизмі теңдеумен көрсетіледі:

Pb + [pic] [pic] PbSO4 + H+ + 2[pic]; (5.а)
PbO2 + [pic] + 3H+ + 2[pic] [pic] PbSO4 + H2O; (5.б)
Pb + PbO2 + 2H2SO4 [pic]= 2PbSO4 + 2H2O; (5.в)

Күкірт қышқылының тығыздығына ( (г/см3) тәуелді аккумулятордың ЭҚК жуық
формуласы бойынша мынадай формуламен көрсетіледі:

Е = 0,85 + ((В). (5.1)
Жүйенің разрядты-зарядты қисығының үш және төрт сипаттайтын участкесі
бар, олардың жүру барысын (3.4) и (3.5) теңдеулерге сай былай ұғындыруға
болады. I -ші участкте U3 (Uр төмендеуі (разрядтану кернеуі)) зарядтану
кернеуінің жоғарлауы аккумуляторды зарядқа (разрядқа) қосқаннан кейін
бірінші мезетте электродтар саңылауларында H2SO4 ерітіндісінің
концентрациясының жоғарлауынан (төмендеуі) диффузиялық қиыншылықтар болуына
байланысты. II -ші участктерде концентрация градиенті пайда болғандықтан
саңылаулы электродтардың терең жерлеріне (немесе керісінше сол жерлерден)
электролит диффузиясы зарядтану (разрядтану) қисығының жүруін түзетеді,
сондықтан U3 өсуі (UР төмендеуі), электролит концентрациясының ЭҚК әсерін
беруіне сәйкес жүреді.
Нормальды (10-сағаттық) разряд кезінде соңғы разрядтану кернеуі
Uрк 1,7 В аз болмауы керек, 5-сағаттық разрядтану режимінде (5.1
суретінде пунктир разрядтану қисығы) – 1,5 В.

[pic]
Рис. 5.1 Зарядно-разрядные кривые свинцового аккумулятора
Таблица
Физические свойства веществ, принимающих участие в токообразующей реакции

|Вещество |Плотность, |Объем 1 моль, мл|Удельное сопротивление, |
| |г/см3 | |Ом∙см |
|Pb |11,4 |18,27 |1,83∙10-4 |
|PbO2 |9,4 |26,84 |2,8∙10-1 |
|PbSO4 |6,3 |28,65 |107 |
|H2SO4 |1,24 – 1,32 |- |1,3 |

Зарядтану қисығының III -ші участігінде бір уақытта омды
(концентрацияның осы аймағында H2SO4 -ің электрлік өткізгіштігі азаяды),
және поляризациялық құрамдасы жоғары болуынан, кернеуі күрт көтерлуі ― 2,6
–2,7 В байқалады; негізінде осы уақытта зарядтану аяқталады. Зарядтану
қисығының IV -ші участігінде кернеуі 2,7 В тең болғанда плато теріс
зарядталған пластинада сутегі бөлінуімен: 2H+ + 2[pic] → H2 және оң
зарядталған пластинада оттегі бөлінуімен: 2Н2О → 4Н+ + О2 + 4[pic] судың
ыдырау процесіне жауап береді.
Сілтілік аккумуляторлар
Ламель түрлі никель-кадмийлі (НК) және никель-темірлі (НТ) аккумуляторлар.
Никель-кадмийлі (НК) және никель-темірлі сілтілік аккумуляторлар, онда
[pic] Fe | NaOH | NiOOH ( и [pic] Cd | KOH | NiOOH ( электрохимиялық жүйе
қолданылған, қорғасын аккумулятормен салыстырғанда разрядтану кернеуі және
КПД -сы төмен болады.
НК және НТ аккумуляторлардың оң зарядталған пластиналарында ток
түзушы реакциялар электролит иондарының қатысымен фазааралық шекарада қатты
фазада жүреді. Электролитте Ni3+ иондарының концентрациясы жуық мөлшерде
10-14 моль/л. Разрядталған күйінде оң зарядталған пластиналарының Ni(OH)2
тұратын активті масса токты нашар (n-түрлі электрөткізгіштігі 10-9 См/см
жартылай өткізушы) жүргізетіні анықталған, активті массасының құрамына,
активті массаның бөліктерін қаптап алып және электрохимиялық тотығу-
тотықсыздану процесін жүруге септігін тигізетін, графит немесе ұсақ
ұнтақталған қабыршақты никель қосады.
Зарядтану кезінде анодты процеске сонымен қатар NiOOH и Ni(OH)2
активтілігіне тәуелді тепе-тең потенциалы жауап береді:

Ni(OH)2 → NiOOH + H+ + [pic] (5.ж)
H+ + OH- → H2O (5.з)
Ni(OH)2 + OH- [pic] NiOOH + H2O + [pic] (5.и)

Зарядтану кезінде активті масса тұйіршектерінің бетінде түзілетін
никельдің (ІІІ) сілтілік тотығы – NiOOH (тесіктіктің өткізгіштігімен p-
түрлі жартылай өткізгіштік) Ni(OH)2 -тың кристаллдың торын бұзбайды, оның
тотығу мөлшеріне қарай активті массаның өткізгіштігі тез өседі, және қатты
фазаның (5.4а суреті) терең қабаттарынан протонның диффузиясы азғана
жылдамдықпен жүрседе, зарядтану процесі үздіксіз жүреберуі мүмкін.

[pic]
Рис. 5.4 Образование активной массы на положительных пластинах щелочных
аккумуляторов

Анодты процестерінің жоғары жылдамдықтарында оң зарядталған активті
массаның бетінде адсорбцияланған оттегі қабаты β-NiOOHOадс түзіледі, және
қосылқы реакция жүруі мүмкін: NiOOH + OH-→NiO2 + H2O + [pic].
Нашар өткізетін бөлшектер Ni(OH)2 токжеткізушілермен (графит
бөлшектері) разрядтанудың жоғары жылдамдығында (катодный процесс, 5.4б
суреті) шектесу ауданының аз болғандығынан контакті жоғалтуы бола алады,
яғни ламельды электродтардағы активті массаның бөлігі ток түзу процесіне
қатыспайды.
Сондықтан НТ және НЖ ламельды аккумуляторлады қолданғанда екі сатылы
алты сағаттық зарядтану режимін ұстанады.
Оң зарядталған пластиналарының зарядты-разрядты қисықтарын
5.5 суретте сызбасы келтірілген.

[pic]
Рис. 5.5 Зарядно-разрядные кривые для положительных пластин щелочных
аккумуляторов
НТ және НК аккумулятрларының теріс зарядталған пластиналарында
токтүзуші процестері ұқсас. Реакциялар гипоферрит иондар (немесе [pic]
иондар) түзілуімен аралық саты арқылы жүреді, мысалы:

Fe + 3OH- → HFeO2- + H2O + 2[pic] (5.к)
[pic] + H2O → Fe(OH)2 + OH- (5.л)
Fe + 2OH- = Fe(OH)2 + 2[pic]. (5.м)

Реакция өнімі ерітіндіге өтпей, электродтарда қалады.
Темір электродының поляризациялануы гидроксид-иондарының
диффузиялануы баяулануымен байланысты (комплексты ионының түзілуі
баяулайды) және температура төмен, ал разрядтанудың ток тығыздығы жоғары
болған сайын өседі. Температуры 1°С төменденеде НТ аккумуляторлардың
сыйымдылығы 2% төмендейді.
Мына қоспалар Mn, Al, Ca, Ni, Tl залалы болып келеді. Темір
электродының өздігінен разрядтануы мына реакция бойынша жүреді:
Fe + 2H2O → Fe(OH)2 + H2(
және
2Fe + 2H2O + O2 → 2Fe(OH)2

және металдың таза болуына байланысты айына 40 – 100% құруы мүмкін. Оны
төмендету үшін күміс қоспаларын қосады. НТ аккумуляторларын разрядталған
күйінде сақтайды.

Жиынтық ток түзуші реакциялар мына теңдеулердей жазылады:
НТ аккумуляторлар үшін:

2NiOOH + Fe + 2H2O = Fe(OH)2 + 2Ni(OH)2, Uрц = 1,48 В, (5.н)

НК аккумуляторлар үшін:

2NiOOH + Cd + 2H2O = Cd(OH)2 + 2Ni(OH)2, Uрц= 1,44 В (5.о)

1В разрядталғаннан кейін екі аккумулятордың да Uрц 1,27 В жақын
болады.
Түрі ашық НТ және НК аккумулятордың разрядтану-зарядтану сипаттамалары 5.6
суретте көретілген.

[pic]
Рис. 5.6 Суммарные зарядно-разрядные кривые для никель - железных (НЖ) (а)
и никель - кадмиевых (НК) (б) щелочных аккумуляторов
Өзін-өзі бақылауға арналған сұрақтар:
1. Зарядно-разрядные кривые свинцового аккумулятора?
2. Образование активной массы на положительных пластинах щелочных
аккумуляторов?
3. Суммарные зарядно-разрядные кривые для никель - железных (НЖ) (а) и
никель - кадмиевых (НК) (б) щелочных аккумуляторов?
Ұсынылған әдебиеттер:
Негізгі әдебиеттер:
1. Прикладная электрохимия /Под ред. Томилова А.П. М: Химия 1984, с. 520
2. Прикладная электрохимия /Под ред. Ротиняна А.Л. Л: Химия 1974, с. 423
3. Вырапаев В.Н., Никольский В.А. Химические источники тока – М:
Высшая школа 1989, с. 360
Қосымша әдебиеттер

Дәріс 7. «Гидроэлектрометаллургия»

Дәріс сабақтың мазмұны:
1. Өндірістегі гидро- және гидроэлектрометаллургия мәні.
2. Мырыш гидроэлектрометаллургиясы
Мыс, мырыш,марганец, никель, кобальт, хром, темір, күміс, алтын сияқты
көптеген металдарды, өнеркәсіпті алатын қалайы, қорғасын, кадмий, висмут,
сурьмалардың тең жартысын және т.б. металдарды сулы ерітінділердің
электролизі арқылы алады.
Электролизден залалы қоспалардан тазартылған электролиттердің сулы
ерітіндісі өтуге тиісті, олар осының алдында арнайы дапйындықтан өту керек.
Электролит дайындау келесі сатылардан түрады: алынуға қажет металды еру
формасына айналдыру үшін кен немесе концентрат дайындау; кенды еріту
(сілтісіздендіру); алынған ерітіндіні электролизге зиян беретін қоспалардан
тазарту; электролитті толықтырып түзету (корректировка). Барлық осы
операциялар кен немесе концентраттан металды алу үшін жоғары температуралы
процестерді қолданатын пирометаллургияға қарағанда – гидрометаллургия деген
жалпы ұғым береді.
Электроэкстаракция және электрорафинирлеу процестерімен
гидрометаллургиялық қайта балқытуды бірге жүргізіп металдарды алу
технологиясын жалпы түрде — гидроэлектрометаллургия деп атайды.
Гидроэлектрометаллургиялық процестер екі сатыдан тұрады: электролитті
дайындау және одан металды бөліп алу. Жоғары көрсеткіштермен металды алу
процесін ұйымдастыру үшін сатының екуіде маңызды.
Электролит дайындау. Гидроэлектрометаллургиялық қайта балқыту
процестерінде электролитті дайындау кенді немесе концентратты күйдіру,
сәйкес келетін сұйық реагенттпен ( жиі – өңделген қышқыл электролитпен)
күйдірудің өнімін немесе кеннің өзін сілтісіздендіру және қажеті жоқ
компоненттерден ерітіндіні тазарту кіреді. Осы операциялардың әрқайсысында
қосалқы өнім бөлінеді, әдетте оларды да қолданады.
Кендер мен концентраттарды күдіру. Кендерді күйдіру арқылы негізгі
компонентті сілтісіздендіру үшін ыңғайлы түріне айналдырады. Ол оның еру
қабілетін жақсартады, зиянды бөлістердің болмауын және негізгі компонентті
басқалардан бөліп алуға жеңілдетеді.
Күйдіру күрделі химико-металлургиялық процесс болып табылады. Жүргізу
жағдайына байланысты күйдірудің негізгі топтарын ажыратады: Тотықтыратын
күйдіру, осы кезде кен құрамындағы сульфидтерді сульфаттарға немесе
тотықтарға ауыстырады

2MS + 2O2 → 2MO + SO2;

Сульфиттендіретін күйдіру бұдан төмен температурада жүргізеді;
тотықсыздандыратын күйдіру, бұл кезде жоғары тотықтарды төмен тотықтарға
ауыстырады
MnO2 + C → MnO + CO

және хлорлаушы күйдіру, осының көмегімен метал тотықтары сәйкес хлоридтерге
айналады

MO + Cl2 → MCl2 + ½O2
MS + 2O2 + 2NaCl → MCl2 + Na2SO4
(16.а)
MSO4 + 2NaCl → MCl2 + Na2SO4 және

кальцийдендіретін күйдіру, CO2 –ні жою үшін және сілтісіздендіргенде аса
көбіктену болмау үшін қолданады

MCO3 → MO + CO2.
Сілтісіздендіру процесі. Сілтісіздендіру үшін қолданатын аппаратты
таңдау негізінде кен түріне және сілтісіздендіру процесінің жылдамдығына
және құнына қоятын талаптарға тәуелді.
Бірінші болып атмосфералық қысым астында сілтісіздендіру үшін қолданған
аппараттардың бірі перколяторлар деп аталатын болған. Бірақ оларды
сілтісіздендіру қарқынды болмаған, ойткені үлкен күбідегі ерітінді жай ғана
кесек кендердің арасынан өтіп кететін.
Кендерді автоклавты әдіспен өңдеу процестерді жоғары қысым мен
температурада жүргізу мүмкіндігімен сипатталады. Осы кезде бір процесте
кенді күйдіру мен сілтісіздендіру сыйысады. Пирометаллургиялық процесты
автоклавты гидрометаллургиялықпен ауыстыру – кедей кендерді қолданғанда ең
перспективалы бағыттың бірі. (0,5 – 2 МПа) жоғары қысымда және 100 ден 200
(С дейін температурада химиялық реакциялар қатты тездетіледі. Автоклавты
өңдеу кезінде қарапайым жағдайда жүрмейтін процестердің жүргізілуі мүмкін
болып жатады. Мысалы, сульфидтердің бір уақытта тотығуы мен
сілтісіздендіруі мүмкін:

2MS + O2 + 2H2SO4 → 2MSO4 + 2S + 2H2O (16.б)

Ерітінділерді тазарту. Металды пирометаллургиялық рафинирлеуде
болатындай кенді сілтісіздендіру ерітінділер құрамында да электролизге
теріс әсерін беретін компоненттер бар. Бірқатар жағдайларда электролит
дайындайтын бөлімде осы қоспалардан ерітіндіні тазартуға мүмкіндік
қарастырылған болу керек.
Ығыстыру тәсілі. Олардың бірі – цементация – ол кеңінен тек
ерітінділерді қажеті жоқ компоненттерден тазарту үшін таралған емес, және
металды сұйылтылған ерітінділерден (мысалы, алтын, кейде мыс) алу үшін.
Ығыстыру тәсілінің басқа түрі – автоклаваларда металды сутегімен ығыстыру
арқылы металдардың ұнтақтарын алу. Процесс катализатор болып жұмыс жасайтын
металл түйірлерінде газтәрізді сутегінің адсорбция кезінде жүреді,
сондықтан ығыстыру процесі гетерогенды болып табылады.
Мырышты электролитикалық алу. Мырыш кендері негізінде мырыш күкіртті
коспа (обманка) түрінде болады.
Қышқылда нашар еритін мырыш сульфидін жақсы еритін мырыш тотығына айналдыру
үшін мырыш концентратын тотықтырып күйдіреді. Осы кезде ZnS ZnO –ға
айналады:

2ZnS+3O2=2ZnO + 2SO2
(концентрат-огарок) - концентрат-тұқылы
Күйдірілген концентрат-тұқылын күкірт қышқылымен сілтісіздендіреді,
яғни электролизден қалған, құрамында 100—120 кг/м3 H2SO4 бар қышқыл
электролитпен. Сілтісіздендіруді екі сатымен жүргізеді. Бірінші сатыны
қышқыл мөлшері артық (қышқылды сілтісіздендіру) болғанда жүргізеді. Осы
кезде әлсіз қышқылды 6 кг/м3 H2SO4 ерітінділер алады. Бұл ерітінділер
екінші сатыға (бейтарап сілтісіздендіру) беріледі, онда тұқылдардың артық
мөлшерімен қышқыл толық бейтараптанады. Осындай тәсіл кендерден мырышты
толық шығарып алуға мүмкіндік береді. Тұқылдарды сілтісіздендіру
агитаторларда қарқынды араластыру арқылы жүргізеді. Сілтісіздендіру кезінде
мырышпен бірге ерітіндіге бірқатар қоспалар да өтеді:

ZnO+H2SO4=ZnSO4+Н2O
CuO + H2SO4=CuSO4 +H2O
FeO+H2SO4=FeSO4+H2O
CdO+ H2SO4=CdSO4+H2O
NiO + H2SO4=NiSO4+H2O
A12O3 + 3H2SO4=Al2 (SO4)3+3H2O

Электрлік оң зарядталғандардан қоспалардан ерітінді тазартылу қажет.
Темірден тазарту үшін алдымен диоксид марганец қолданып оны тотықтыру
арқылы FeSO4 -тен Fe2(SO4)3 -ке айналдырады.
Өзін-өзі бақылауға арналған сұрақтар:
1. Технология получения металлов, включающая и гидрометаллургические
переделы с процессами электроэкстракции, и процессы электрорафинирования,
носит каково общее название?
2. Процессы выщелачивания?
3. Электрохимические способы извлечения металлов из растворов?
Ұсынылған әдебиеттер:
Негізгі әдебиеттер:
1. Прикладная электрохимия /Под ред. Томилова А.П. М: Химия 1984, с. 520
2. Прикладная электрохимия /Под ред. Ротиняна А.Л. Л: Химия 1974, с. 423
3. Вырапаев В.Н., Никольский В.А. Химические источники тока – М: Высшая
школа 1989, с. 360
4. Баймаков Ю.В., Журин А.И. Электролиз в гидрометаллургии. – М:
Металлургия, 1977, с. 361
2 Қосымша әдебиеттер
1. Методические указания к лабораторному практикумуму по теории
и технологии электротермических производств. Часть 2. – Ш.: 1988
2. Емлин Б.И., Гасик М.И. Справочник по электрохимическим
процессам. – М: Металлургия, 1977
3. Порада А.Н., Гасик М.И. Электротермия неорганических
материалов. – М.: Металлургия, 1990, с. 232
4. Зарецкий С.А. и другие. Электрохимическая технология неорганических
веществ и ХИТ – М., ВШ 1980, 423с
5. Н.Г. Бахчисарайцев и другие. Практикум по прикладной электрохимии. Л.,
Химия, 1990 – 304с
6. А.М. Ямпольский. Электролитическое осаждение редких и благородных
металлов. Л., Машинолстроение, 1977, 96с
7. Багоцкий В.С., Скундин А.М. Химические источники тока. М. Энергоиздат.
1981.

Дәріс 10. «Металдар және балқымалармен қаптау процестерінің
технологиялық негізі»

Дәріс сабақтың мазмұны:
1. Металды қаптау әдістері және олардың салыстырмалы сипаттамасы. «Покрытия
металлические и неметаллические неорганические»
2. ЕСЭКС ГОСТ талаптарына сәйкес қаптауларға қойылатын талаптар.
3. Қаптаулардың сапасын бақылау әдістері.
Балқымалар және металдармен қаптау процесінің технологиялық негізі.
Тығыз байланысқан металды қап алудың негізгі шарттарының бірі- капталатын
беттіктің майлы, тот және басқа да ластанулардан мұқыят тазалануы болып
табылады. Бұйымдардың беттерінің өңделуі мен тазартылуы металқаптау
цехтарында механикалық, химиялық және электрохимиялық әдістермен
жүргізіледі. Механикалық өңдеу- шлифтеу, полирлеу, құмтүтікті немесе
бөлінгентүтікті тазалау.
Химиялық және электрохимиялық әдістерге – майсыздандыру,
белсенділеу, және де химиялық және электрохимиялық полирлеу, өңдеу (H2SO4
-те өңдеу) жатады.
Химиялық майсыздандыру. Бұйымдар беттігінде жануар және өсімдік
майлары болуы мүмкін. Суда олар тәжірибе жүзінде ерімейді және бұйымдар
бетінен сілтілік ерітінділерде немесе органиклық ерітінділерде өңдеу
арқылы жойылады. Сілті әсерінен сабындағыш майлар майлы қышқылдардын
тұздарын және глицеринді суда ерітетін майлар түзе отырып жайылады. Стеарин
мен күйдіргіш натрдың әрекеттесу реакциясы:

(С17Н35СОО)3 С3Н5 + 3NaOH = 3С17Н35СООNa + С3Н5(ОН)3
Бұл реакция нәтижесінде алынған натрилі тұз (натрий стеараты немесе сабын)
3С17Н35СООNa суда жеңіл ериді және коллоидты ерітінді түзеді.
Майсыздандыру құрамында: NaOH (5 – 50), Na3PO4·12H2O (15 – 70), Na2CO3 (15
– 35), синтанол (СМС) ДС-10 (3 – 5), t0 = 60-80 0С, өңдеу уақыты 3-20
минут.
Электрохимиялық майсыздандыру. Электрохимиялық майсыздандыруды химиялық
майсыздандырудағы құрамдас сілтілік ерітінділерде катодта (немесе анодта)
жүргізеді. Екінші электрод ретінде: анодты майсыздандыруда болат(катод),
ал катодты майсыздандыруда- никель, никелделген және тоттанбайтын болатты
қолданады. Көбінесе электрохимиялық майсыздандырудың алдында, бұйымдарды
химиялық майсыздандырумен тазалайды, әсіресе, егер беттік майлармен және
полирлейтін пасталармен ластанған болса.
Күкірт қышқылымен травление (H2SO4 -те өңдеу) реакция мысалдары:
FeO + H2SO4 = FeSO4 + H2O I
Fe2O3 + 3H2SO4 = Fe2(SO4)3 + 3H2O II
Fe3O4 + 4H2SO4 = FeSO4 + Fe2(SO4)3 + 4H2O III
Fe + H2SO4 = FeSO4 + H2 IY
ІІ және ІІІ реакциялары өте баяу жүреді, себебі Fe2O3 тотығы және Fe2O4
(темірдің магнитті тотығы) окалин тотығы- қышқылдарда нашар еритін тотығы
(H2SO4 -те өңдеу) бұл жағдайда едәуір мөлшерде сутегі көмектеседі ( темір
ІV еруі кезінде бөлінетін), өйткеніол тотықтарды қалпына келтіреді, ал
пайда болған көпіршіктер борпылдап тұрған қақ қабаттарының механикалық
бөлінуіне септігін тигізеді. Металды темір және оның тотықтарының күкірт
қышқылында бір уақытта еруін мына реакциялар түрінде көрсетуге болады:

Fe + Fe3O4 + 4H2SO4 = 4FeSO4 + 4H2O Y
Fe + Fe2O3 + 3H2SO4 = 3FeSO4 + 3H2O YI

Ал негізгі зат металды темірдің өзі еріп кетпеуі үшін, арнайы қорғағыш
заттар, олар- присадкалар немесе ингибиторлар қолданылады.
Электрохимиялық (H2SO4 -те өңдеу). Э-қ (H2SO4 -те өңдеуді) анодта да,
катодта да жүргізеді. анодты өңдеуде металдың электролитті еруі жүреді және
тотықтардың механикалық үзілуі жүреді. Электролит ретінде күкірт және тұз
қышқылы-ң ерітінділерін және олардың темір тұздарын қолданады. Электрод
ретінде: анод ретінде- өңделетін бұйымдар, катол ретінде- қола қолданылады.
Электрохимиялық әдіспен тазалау химиялық әдіске қарағанда тез жүреді және
жақсы нәтиже береді.
Белсенді ету. Бұйымды қаптамас бұрын қосымша таза қышқыл немесе сілті
ерітіндіде өңдейді, оны беттіктегі жұқа жағымсыз қабықты және ондағы
белсенділікті жою мақсатында қолданылады. Бұл процесс химиялқ тәсілмен
күкірт, тұз қышқылы немесе сілті (3-10%) сұйылтылған ерітінділерінде
жүргізіледі және электрохимиялық тәсілмен анодта концентрленген күкірт
қышқылында (70-85%) , t°=бөлме, 1-2 мин аралығында, ток тығыздығы (3 –
10)·102 А/м2 жүргізіледі.
Шаю. Бұйым бетін қаптамас бұрын оны дайындауда үлкен роль атқаратын шаю
және тазалау операциясының реті. Әрбір операция сайын ағынды сумен шаяды,
ол ластану қалдықтарын және сілті немесе қышқыл ерітінділерін жою үшін
жүргізіледі. Гальваникалық цехтарда қолданылатын су таза, яғни құрамында ең
аз мөлшерде металл тұздарының және т.б болуы керек. Шаюды бір-, екі-,
үшсатыда бұйыидарды су ванналарына салып ағынды әдіспен жүргізеді.
майсыздандыру, хроматтау, (H2SO4 -те өңдеу), шламды бөлу,анодты тотығу
операцияларынан кейін, химиялық оксилендірудін алдында және соңында шаятын
су ыстық (40-50°), ал кептіру алдында -70 – 90 болу керек.
Электрохимиялық және химиялық полирлеу. Электрохимиялық полирлеуді анодта
сутекқұрамды қышқылдарда ( H3PO4, H2SO4, H2Cr2O7, HClO4 және т.б) үлкен
концентрациялы, тоқың жоғары тығыздықтарында жүргізеді.

Металл жабулармен қаптау әдістері.
Металды жабуларды еңгізудің электролитикалық әдісінен басқа әдістері
бар:
Бұйымдарды балқытылған металл массасына салу, ол ыстық тәсіл, тек
мырыштау, қолалау үшін қолданылады;
Балқытылған металдың (ацетилен мен оттегінің газды қоспасының
жалынында немесе электрлік доға көмегімен) –мырыштың, қоланың, хромның,
темірдің және басқаларының қалыпты атмосферада және вакуумда пулверизациясы
(өте ұсақ саңылауы бар нәрсе арқылы қысым астында шашаратылу) және
шашыратылуы(распыление);
Жоғары температурада бұйымның беткі қабатына ұнтақтәрізді немесе
бутәрізді пішінде металдың металдың термиялық диффузиясы- мырыштау,
алюминдеу, хромдау үшін қолданылатын диффузиялық тәсіл;
Тоқсыз химиялық қалыпқа келтіру;
Контакті әдіс – металды оның тұз ерітіндісінен басқа электркедергісі
жоғарылау металл көмегімен ығыстыру;
Электролитті қаптаудың артықшылығы:
Әртүрлі құрылысты және металды және металды емес бұйымдарда әртүрлі жеңіл
реттелетін қалыңдықты қорытпаларды алуға мүмкіндік береді;
Әртүрлі қасиеттегі (қатты және жұмсақ, жылтыр және керісінше, әртүрлі түсті
дәл сол бір қорытпасын алуы;
Әртүрлі құрамды және фазалық құрамдағы металл балқымаларын жоғары
температураны қолданбай алу мүмкіндігі.
Электролитті әдістегі кемшіліктердің бірі- қорытпалардың қалыңдығының қиын
профильдегі бұйымдарда біркелкі болмауы.
Жабуларды бақылау әдістері.
ГОСТ 9.302–79 ЕСЗКС. « Металды және металды емес бейорганикалық
каптамалар. Қабылдау ережелері және бақылау әдістері» сыртқы түрін,
жылтырау дәрежесін, қалыңдығын, кеуектілігін ,ілнісуін , қорғану
қабілеттілігін және қаптаудың арнайы қабілеттілігін (микроқаттылығын,
меншікті және электркедергісінің өткізгіштігі, ішкі кернеу) бақылауын
қарастырады.
Қаптауды бақылаудың кейбір өлшемдері:
Жабулардың сыртқы түрін анықтау әдістері.
Әдістер каптау бетінде ақаулардың шығуына негізделген. Бақылауды каптауды
бастамас бұрын және кейін 30 лк өткізеді.
Жабудың жылтырлығын өлшеу.
Металды қаптаудың жылтырлығы (Б) айналы- шағылысқан интенсивтілік І0 мен
диффузиялы - ыдыратылған жарық IР қатынасымен табылады және мына
теңдеумен сипатталуы мүмкін:
Б = I0 /(I0 + IР) = I0 /Iс.
Б= 1 максималды мағынасы I0 = Iс шартына сәйкес.
Айналы- шағылысқан және эталонды түрде жарық оптикалық немесе
фотоэлектрлік (фотоэлемент) құрылғымен қабылданады. Жарық шағылысу
коэфициенті (К,%) мына қатынас түрінде анықталады:
К = (Iүлгінікі /Iэталондікі) ·100; эталон – күміс немесе алюминді айна.
қорғау - сәндік немесе полирленген қаптаудың жылтырлығын сапалы анықтау
әдістері тордың лездік көрсеткішінен немесе тәжірибе жүгізілетін беттік
суретінен (20 х20-дан кем емес) құралады. Лайықтау қондырғы (1 сур.) түрі
тік бұрышынан бұрылған, бұйым беттігінің өлшеміне сәйкес органикалық шыны
беті тәріздес болып келеді. Вертикальді беттігіне тор немесе сурет
жабыстырады : тор – қара тушьпен, жартылай қою универсалды сызу шрифті
өлшемі 14 – түсті тушьпен салынған. Үлгіні горизонтальді беттікке сурет
пен вертикальді беттікке тығыз орналастырады.
Жылтырау дәрежесін үстел алдында жарық сол жағынан және артынан түсетін
Лайықтау қондырғыдан 30 см кашықтықта отырып бағалайды. Жылтырау дәрежесін
келесідей түрде бағалайды:
а) айналы қаптау - бейнеленген суреттің анықтығы айнадағы (эталон)
бейнеге сәйкес болады;
б) жылтыр қаптау – суреттің шағылысуы анық, бірақ үстіңгі ұшы біраз
анық емес;
в) жартылай жылтыр қаптау – суреттің бейнесі анық емес;
г) жылтыр емес каптау – сурет бейнесі тек үлгінің жақын бөлігінде
байқалады.
Қаптаудың қалыңдығын анықтау.
Қаптаудың қалыңдығын анықтауды физикалық ыдырамайтын (магнитті,
электромагнитті, радиоционды, оптикалық, гравиметриялық); физикалық
ыдырайтын ( металлографикалық, гравиметриялық) және химиялық (
ағынды, тамшы, кулонометриялық әдістер) әдіс.
Қаптаудың кеуектілігін анықтау.
Қаптаудағы тесіктердің пайда болу әдістері - металл негізіндегі немесе
тұз негізіндегі иондарымен боялған қосылыстар беретін реагенттер әсерінде
құралған. Оларға : фильтрлеу қағазын салу көмегімен жүргізілетін сынақтар;
еріткіш құю сынақтары; пастаны қолдану арқылы жүргізілетін сынақтар;
электрографикалық және электрохимиялық әдістерді жатқызады.
Фильтрлеу қағазын салу көмегімен жүргізілетін сынақтар.
Сынама бетіне (кесте 4) реактив сіңірілген фильтр қағазын сынама беті мен
қағаз арасында ауа көпіршіктері қалмайтындай етіп орналастырады. Қалайы
қаптаулар болған жағдайда кебу мерзіміне сай қағазды бірнеше рет
ерітіндіге батырады. 4-ші кестеде көрсетілген уақыт аралығында ұстаған
соң, нүкте немесе дақ түріндегі кеуектер іздері бар қағазды алып,
дистилденген сумен шаяды және таза шыныда кептіреді.
Көпқабатты қаптаулардағы (медь-никель-хром) кеуектер жақсы
көрінуі үшін мыс пен болатқа дейін ізі бар фильтр қағазын шайылған соң
таза шыныға салады және оның үстіне железистосинеродистого калия
(K3Fe(CN)6) ерітіндісін (40 г/дм3) біркелкі құяды. Бұл өңдеуде сары
нүктелер (никель іздері) жойылады.
Никельге дейін кеуектер көрінуі үшін кеуектер іздері бар фильтр
қағазын таза шыныға салып оған диметилглиоксим аммиякты ерітіндісін
(диметилглиоксим – 2 г/дм3, аммиак 25%-ы – 500 см3/дм3) біркелкі етіп
құяды. Осыдан тесіктер орнында анық- қызғылт түсті нүктелер түзіледі.
Хромды қаптаудың кеуектілігін электролиздан соң 30 мин-тан кейін анықтайды.

Кеуектер іздерін күндізгі электрлік жарықта (30 лк-дан кем емес) визуалды
түрде анықтайды. Кеуектерді санауды кеуектер іздері бар қағазға салынатын
квадратты сантиметрлерге бөлінген шыны көмегімен жүзеге асырады. Әрбір
квадраттағы белгілі түстегі нүктелер санын санап, олардың орташа мәнін
мына формула бойынша анықтайды:
ncр = nобщ/S
Мұндағы, nобщ - бақыланатын беттіктегі кеуектердің ортақ саны;
S – бақыланатын беттіктің ауданы, см2.
Батыру әдісі. Никельді, хромды, қалайы қаптаулардың кеуектілігін
анықтауда қолданылады.
Калий железосинеродистый - 2 г Спирт этиловый(тех.) - 200 см3
Желатин пищевой - 15-25 г Серная кислота (0,5 н.) -
10 см3
Вода дистиллированная - 790 см3
Ерітіндіні дайындау үшін 2 г калий железосинеродистого –ны(K3Fe(CN)6)
200 см3 дистильденген суға ерітеді. Ерітіндіні 1 дм3 сыйымдылықты өлшегіш
колбаға құяды да 200 см3 этил спиртін және 10 см3 0,5 н күкірт қышқылын
құяды. Алдын ала жеке желатинді 2 сағатқа суға салып қояды, сосын
ерітіндіні 50 0С дейін қыздырады. Желатин ерітіндісін колбаға ауыстырады.
Ерітінді көлемін белгіге дейін жеткізеді.
Әдістер металлдық каптаулар және негізнің әртүрлі физико – химиялық
қасиетіне негізделген және мелл қаптауға, түріне және бөлшек белгіленуіне
байланысты таңдалады. Келесідей сапалы әдістер қолданған жөн: полирлеу,
крацевание, бүгу, орау, қыздыру, сырық торды еңгізу, созу. Төменде ілінісу
беріктігін анықтаудың сандық әдістері көрсетілген:
Барлық сынақтағы сандық әдістер қаптауды негізінен ажырату үшін
немесе оны кесу үшін қажет күштерді анықтауға негізделген. Прочность
сцепления выражается частным от деления отрывающей или срезывающей силы на
площадь сцепления. өлшеудегі сандық әдістер сапалыққа қарағанда артықшылығы
бар, себебі бұл әдіс абсолютті мәндерді анықтайды, бірақ оларды қолдану
арнайы үлгілерді дайындауда және қымбатвизалы сынақ станоктарды дайындау
қиынға түседі
Микроқаттылықты анықтау.
Металдар және олардың балқымаларындағы микроқаттылықты анықтауды
ГОСТ9450–76 сәйкес, алмаз шаршылы пирамиданы Р= 0,049–4,9 Н күшпен қысу
арқылы жүргізеді.
Микроқаттылықты анықтаудағы әдіс мақсаты мынада: 1- алмазды ұшы 4 бұрышты
пішінді пирамиданы (рис.*) үлгінің сыналатын аумағына -2 Р күшпен белгілі
бір уақыт аралығында әсер етуде.
Күшті жойған соң үлгі бетіне түскен шаршылы диогональ іздерін өлшейді.
Микроқаттылық Н (Па) тең:

Н = 2Р sin(α/2)/l2 = 1.8544 Р/ l2.

Мұндағы, α – пирамида төбесіндегі қарама- қарсы бұрыш; ол 1360 тең; l –
екі диогональдын орташа арифметикалық ұзындығы,м.
Өзін-өзі бақылауға арналған сұрақтар:
1. К химическим и электрохимическим способам что относят?
2. Методы нанесения металлических покрытий?
3. Методика качественного определения блеска защитно-декоративных покрытий?
Ұсынылған әдебиеттер:
Негізгі әдебиеттер:
1. Прикладная электрохимия /Под ред. Томилова А.П. М: Химия 1984, с. 520
2. Прикладная электрохимия /Под ред. Ротиняна А.Л. Л: Химия 1974, с. 423
3. Вырапаев В.Н., Никольский В.А. Химические источники тока – М: Высшая
школа 1989, с. 360
4. Баймаков Ю.В., Журин А.И. Электролиз в гидрометаллургии. – М:
Металлургия, 1977, с. 361
2 Дополнительная литература
1. Методические указания к лабораторному практикумуму по теории
и технологии электротермических производств. Часть 2. – Ш.: 1988
2. Емлин Б.И., Гасик М.И. Справочник по электрохимическим
процессам. – М: Металлургия, 1977
3. Порада А.Н., Гасик М.И. Электротермия неорганических
материалов. – М.: Металлургия, 1990, с. 232
4. Зарецкий С.А. и другие. Электрохимическая технология неорганических
веществ и ХИТ – М., ВШ 1980, 423с
5. Н.Г. Бахчисарайцев и другие. Практикум по прикладной электрохимии. Л.,
Химия, 1990 – 304с
6. А.М. Ямпольский. Электролитическое осаждение редких и благородных
металлов. Л., Машинолстроение, 1977, 96с
7. Багоцкий В.С., Скундин А.М. Химические источники тока. М. Энергоиздат.
1981.

Пәндер

Қазақ тілінде жазылған рефераттар, курстық жұмыстар, дипломдық жұмыстар бойынша біздің қор #1 болып табылады.

Ақпарат

Қосымша

Email: info@stud.kz

Іздеу
Файл қосу
Презентациялар
Тегін
Кабинет
Баланс
Таңдаулы жұмыстар
Cатып алған жұмыстарыңыз
Менің файлдарым
Презентацияларым
Сатылым статистикасы