Электроосаждение металлов (стр. 2 из 9)

Несмотря на указанные особенности природы металла, мы располагаем в настоящее время значительным количеством данных, позволяющих вести процесс электроосаждения таким образом, чтобы структура покрытия отвечала своему назначению. Вообще говоря, для каждого процесса необходимо соблюдать определенные условия, и общие положения, на которых мы ниже остановимся, имеют не абсолютное, а относительное значение. Нельзя, например, сказать, что если повышенная плотность тока или пониженная температура способствует получению мелкокристаллических осадков, то можно во всех случаях в одинаковой степени повышать плотность тока или понижать температуру. Тем не менее, учитывая особенности каждого конкретного случая, можно заранее сказать, в каком направлении может повлиять такое-то изменение состава электролита или выбор самого электролита, как повлияет, например, повышение плотности тока или температуры, перемешивание и т. д. Для этого нам надо ближе познакомиться с процессом образования металлического покрытия при электролизе.

Электрохимия является разделом науки, изучающим взаимодействие ионов (электрически заряженных частиц вещества, образующихся при потере или присоединении электронов) в электролитах и явления на границе между поверхностями твёрдых токопроводящих тел (электродов) и электролитом.

1.3. ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ – ОСНОВА ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКИХ ТЕХНОЛОГИЙ

Общие понятия

Технология – наука о ремеслах, о производстве. Электрохимические технологии (ЭХТ) многообразны и могут быть для облегчения ознакомления с ними разбиты на ряд разделов в соответствии с выбранным классификационным признаком. Например, в соответствии с природой производимых продуктов или услуг. По мере развития электрохимических технологий изменялись содержание и масштабы использования ее разделов. В основе всех электрохимических технологий лежат электрохимические процессы в электрохимических системах на границах электрод-электролит (межфазных границах). Они характеризуются, как и другие химические процессы термодинамическими и кинетическими параметрами.

Современный этап развития электрохимии межфазных границ как науки характеризуется, как отмечают специалисты1 как переход от феноменологических к молекулярным подходам. При этом детализация феноменологических подходов играет важную роль в «состыковке» расчетов и теоретических прогнозов молекулярного уровня с экспериментом. Выделяют следующие центральные проблемы:

- Разработка молекулярных моделей строения межфазных границ и адсорбционных слоев.

- Теоретическое описание и молекулярное моделирование элементарных стадий переноса заряженных частиц через межфазные границы.

- Установление кинетики и механизмов электрокаталитических процессов и создание моделей, учитывающих молекулярное строение адсорбционных слоев.

- Развитие феноменологических и микроскопических представлений о механизмах образования и роста новых фаз и коррозионно-электрохимических явлений.

- Создание теоретических основ электрохимических методов получения материалов с заданными (нано)структурой и свойствами и определение принципов функционирования таких материалов. Выявление специфических особенностей электрохимических явлений в наноразмерных системах.

- Совершенствование представлений о сложных стадийных электродных процессах на основе прямого наблюдения их интермедиатов и новых решений макрокинетических задач.

Большинство сформулированных выше фундаментальных проблем существовало в электрохимии межфазных границ на протяжении последних 30-50 лет, и современный этап характеризуется лишь смещением некоторых акцентов. В то же время формулировкой наноэлектрохимических проблем и задач наука полностью обязана прогрессу последнего десятилетия.

Достижения электрохимической науки определяют современное состояние и направления совершенствования ЭХТ.

Электрохимические технологии – это технологические процессы, используемые в производстве товаров и услуг, в основе которых лежат электрохимические процессы.

К основным группам ЭХТ относятся:

· электрохимическая энергетика;

· электрохимическая металлургия;

· электрохимические технологии химических товарных продуктов;

· электрохимические технологии в производстве изделий и инструмента в машиностроении и приборостроении;

· электрохимические технологии, используемые для защиты от коррозии объектов техники;

· электрохимическая сенсорика;

· электрохимические технологии в здравоохранении;

· электрохимические технологии пищевой воды.

Некоторые из классов современных электрохимических технологий в наиболее общих чертах рассмотрены.

Сильные и слабые стороны электрохимических технологий

Преимущества.

1. При производстве химических продуктов с помощью электрохимической технологии достигается высокая селективность электрохимических процессов, так как процессы окисления и восстановления на электродах протекают с участием электронов (а не сложных химических соединений в качестве реагентов).

2. В электрохимических процессах легко изменяется потенциал изменением тока, протекающего через электрод, достигая таких значений окислительно-восстановительного потенциала, которые создают уникальные возможности для процессов окисления и восстановления.

3. С использованием диафрагм или ионообменных мембран в электролизерах оказывается возможным одновременно получать несколько чистых продуктов (например, при электролизе раствора NaCl получают Cl2, H2 и щелочь).

Недостатки.

1. Большой расход электроэнергии, которая затрачивается на электрохимические превращения.

2.Относительно невысокая производительность электрохимических процессов (гетерогенных процессов, протекающих на границе электрод-раствор). В результате имеют место относительно высокие капитальные затраты на оборудование, здания. В настоящее время нашли широкое применение пористые электроды, позволяющие значительно увеличить удельные поверхности, на которых осуществляются электрохимические реакции. Это позволяет повысить производительность электрохимических устройств за счет повышения плотности тока, в общем случае, путем повышения «амперной нагрузки» на единицу производственной площади. При общей оценке вклада в экономику ЭХТ следует отметить, что только стоимость хлора и щелочи, производимых электролизом, составляет около 10 % общей стоимости продукции химической промышленности. Общая мощность ХИТов, находящихся одновременно в эксплуатации, превышает мощность всех электростанций мира. С экологической точки зрения электрохимические производства характеризуются весьма токсичными продуктами (Cl2 и F2) и использованием в производстве сильно токсичных веществ: ртуть в качестве электрода, асбест в качестве диафрагменного материала и т.д. Поэтому вопросы охраны труда и техника безопасности очень важны! Электрохимический объект - это основной элемент электрохимической технологии. Объект может принадлежать к классу искусственных или естественных электрохимических объектов. Могут быть объекты, являющиеся промежуточными. Искусственные объекты – это электрохимические устройства, естественные – коррозионные процессы. К промежуточным можно отнести безэлектролизные объекты (функционирующие без внешнего тока), в которых проходящие на поверхности технических объектов самопроизвольные окислительно-восстановительные процессы. Сюда относят процессы химической металлизации, травления, оксидирования, фосфатирования, хроматирования,

пассивирования, активирования металлов и другие подобные технологические приемы. Они протекают самопроизвольно без внешнего тока, но условия оптимального протекания создаются искусственно.

В некоторых случаях герметичность ЭХУ нужна для того, чтобы электролиты не взаимодействовали с внешней средой. С помощью штуцеров 13 и 14 устройство может включаться в гидравлическую схему (постоянно или временно)

Рис. 1.1- Обобщенная схема электрохимического устройства-1, 2 – электроды (анод, катод); 3, 4 – электролиты, находящиеся в анодном и катодном пространствах (анод – анолит, катод - католит); 5 – разделитель (сепаратор, диафрагма, мембрана), предназначен для формирования анодного и катодного пространств; 6 – корпус; 7, 8 –токоотводы от электродов (электронные проводники); 9, 10 –токоотводы от внешней цепи (элементы внешней электрической цепи); 11, 12 – узлы герметичного вывода токоотводов из корпуса электрохимического устройства.

Электроды ЭХУ могут быть твердыми, но могут быть и жидкими, например, таким является расплавленный катод в электролизере для получения алюминия или ртутный катод в хлорном электролизере. По геометрической характеристике они могут быть гладкими или пористыми. Поверхности электродов могут быть покрыты каталитическими слоями, природа которых может быть разнообразна, и определяется спецификой реакций на электроде.