Elektrolytické vylučování mědi (galvanoplastika)

Transkript

1 Elektrolytické vylučování mědi (galvanoplastika) 1. Úvod Často se setkáváme s požadavkem na zhotovení kopie uměleckého nebo muzejního sbírkového předmětu. Jednou z možností je použití galvanoplastické techniky, při které se do formy, sejmuté z originálu, elektrolyticky vylučuje stejnosměrným proudem skořepina vhodného kovu (nejčastěji mědi). Galvanoplastika je vhodná pro zhotovení drobných kopií ve více exemplářích, např. mincí, medailí, plaket, šperků, ale i nábytkových kování, trojrozměrných plastik, s možností sestavení z několika dílů. Galvanoplastika byla objevena německým fyzikem, působícím v carském Rusku, M.H. Jakobim v roce 1838 při jeho výzkumu působení stejnosměrného proudu na vodný roztok modré skalice (síranu měďnatého). V současné době je galvanoplastika významnou průmyslovou metodou, která se používá při zhotovování forem pro lisování hudebních nosičů, štočků v tiskařském průmyslu, forem pro zpracování plastů atd. Princip metody je založen na elektrolýze okyseleného roztoku síranu měďnatého a je totožný s technikou galvanického pokovování předmětů a rovněž s průmyslovou technologií elektrolytické rafinace surové mědi. Vyloučení kvalitní skořepinové kopie v přijatelném časovém intervalu je dáno nastavením vhodných parametrů elektrolýzy (složení a teplota lázně, použitá proudová hustota, geometrické uspořádání v elektrolyzéru apod.). Tyto parametry, včetně stanovení katodové proudové účinnosti a energetické náročnosti procesu, je možno prověřit v modelovém elektrolyzéru pro rafinaci mědi s deskovými elektrodami. 2. Reakce mědi při elektrolýze Působením stejnosměrného proudu přechází měď z anody do roztoku Cu = Cu e a opět se vylučuje na katodě, kterou je pokovovaný předmět nebo forma (matrice) Cu e = Cu. V malém množství přechází měď do roztoku jako jednomocná. Koncentrace jednomocných a dvojmocných iontů mědi nejsou nezávislé, uplatňuje se rovnovážná reakce 2Cu + = Cu 2+ + Cu, jejíž rovnováha je silně posunuta ve prospěch dvojmocných iontů Cu; vzniká prášková měď, která přechází do anodového kalu.

2 3. Proudový výtěžek a elektrická energie potřebná na výrobu jednotkového množství mědi Proudový výtěžek je poměr skutečného množství vyloučené látky k teoretickému množství, vypočtenému podle Faradayova zákona. Při pokovování nebo galvanoplastice, kdy vyloučený kov je katodovým produktem, nás zajímá především proudový výtěžek katodový η, který stanovíme podle vztahu: η = 100 (m / g) = 100 n F m / (I τ M) (%) kde m je skutečné množství vyloučeného kovu g - teoreticky vypočtené množství vyloučeného kovu dle Faradayova zákona I - elektrický proud (A) τ - doba průchodu proudu (s) M - molární hmotnost vylučovaného kovu (g/mol); M cu = 63,55 g/mol n - počet elektronů vystupujících v katodové reakci Cu e = Cu, t.j. n=2 F - Faradayova konstanta ( C.mol -1 ) Energie potřebná na vyloučení jednoho kilogramu mědi na katodě je dána vztahem E = U I τ / (3600 m) (kwh / kg Cu). Kde U je napětí na elektrolyzéru (V) Elektrolytické vylučování mědi I katodový proudový výtěžek Návody laboratorní práce Elektrolytické vylučování mědi str. 2

3 1. Cíl práce Zjistěte proudovou účinnost a měrnou spotřebu elektrické energie při elektrolytickém vylučování mědi pro tři kombinace hodnot katodové proudové hustoty a teploty. 2. Potřebné zařízení a materiál Anodové bloky z čisté mědi, katodové Cu-plechy, zařízení pro elektrolýzu, roztok CuSO 4 a H 2 SO 4, brusný papír, mořicí lázeň, regulovatelný zdroj stejnosměrného proudu, voltmetr pro měření stejnosměrného napětí. 3. Pracovní postup Očistěte povrch měděné katody a obou měděných anod nejprve mechanicky brusným papírem a pak odstraňte zbytky povrchových vrstev bazického síranu a uhličitanu měďnatého ponořením po dobu nezbytně nutnou do mořicí lázně (vodný roztok kyselin o složení 20 hmot.% H 2 SO 4, 20 hmot.% HNO 3 ) při teplotě 60 C. Po jejich opláchnutí vodovodní a destilovanou vodou a po usušení horkým vzduchem zvažte všechny tři elektrody s přesností na 10-2 g. Ve výši 10 cm od spodního okraje katody vyznačte tužkou rysku. Tímto způsobem stanovíte hloubku ponoření katody v elektrolytu, aby aktivní plocha katody byla 1 dm 2 (šířka katody je 5 cm). Obě anody i katodu upevněte do držáků (schéma zařízení pro elektrolýzu je na obr. 1), umístěte do kádinky, do které jste předem nalili připravený elektrolyt (složení elektrolytu 40g Cu, 150g H 2 SO 4 l -1 ). Zapojte anody a katodu podle schématu na obr. 1, nastavte proud odpovídající Elektrolýze č.1 a zahřejte opatrně elektrolyt s použitím vytápěné magnetické míchačky na pracovní teplotu 30 o C. Po jejím dosažení zapněte zdroj stejnosměrného proudu a pomocí reostatu nastavte v souladu se zadáním práce hodnotu proudu. Současně zkontrolujte, zda napětí na elektrolyzéru se pohybuje v rozmezí 0,2-0,4V. Elektrolýzu nechejte probíhat po dobu 60 min. Po tuto dobu udržujte požadovanou konstantní hodnotu proudu a teploty. Ve dvacetiminutových intervalech elektrolýzu přerušte vypnutím proudu, vyjměte anody a katodu, opatrně je opláchněte vodou, osušte horkým vzduchem a zvažte. Hmotnostní změny zaneste do tabulky č.1. spolu s hodnotami proudu, napětí a teploty elektrolytu. Pak anody a katodu upevněte do držáků a pokračujte v elektrolýze. Po uplynutí 3x20 minut elektrolýzy je ukončena Elektrolýza č. 1. Pokračujte stejným způsobem při teplotě 60 o C a při proudových hustotách odpovídajících Elektrolýze č. 2 a Elektrolýze č. 3. Návody laboratorní práce Elektrolytické vylučování mědi str. 3

4 Obr. 1. Schéma laboratorní aparatury pro elektrolytickou rafinaci mědi zdroj stejnosměrného proudu + - ampérmetr A regulace proudu voltmetr V teploměr anody katoda topení magnetické míchadlo Návody laboratorní práce Elektrolytické vylučování mědi str. 4

5 Tabulka 1. Hodnoty změřené během elektrolýzy čas (min) teplota ( o C) I (A) U (V) hmota katody m k hmota 1.anody m A1 hmota 2.anody m A2 rozdíl hmot m A1 +m A2 - m k Na konci elektrolýzy vypněte proud, vyjměte katodu i anody a po opláchnutí a vysušení horkým vzduchem je zvažte a popište vzhled a strukturu vyloučené mědi na katodě. Potom anody a katodu připravte pro další elektrolýzy. Elektrolýza č.1: proudová hustota 150 Am -2, teplota elektrolytu 30 C. Elektrolýza č.2: proudová hustota 150 Am -2, teplota elektrolytu 60 C. Elektrolýza č.3: proudová hustota 250 Am -2, teplota elektrolytu 60 C. 4. Protokol obsahuje a) zadání a popis postupu práce b) počáteční hmotnosti elektrod, tabulky naměřených hodnot a popis vzhledu vyloučené mědi c) zpracování naměřených dat formou tabulky č. 2 a grafických závislostí hmotnostních přírůstků katody na čase pro jednotlivé elektrolýzy d) Závěr: zhodnoťte vliv proudové hustoty a teploty elektrolytu na proudový výtěžek elektrolýzy, spotřebu elektrické energie na vyloučení mědi a vzhled a strukturu vyloučené mědi - porovnejte hmotnostní přírůstek katody s hmotnostními úbytky anod a vysvětlete případné rozdíly. Návody laboratorní práce Elektrolytické vylučování mědi str. 5

6 Tabulka 2. Zpracování experimentálních dat z jednotlivých elektrolýz elektrolýza č. přírůstek hmoty na katodě teoretický přírůstek hmoty na katodě proudový výtěžek (%) spotřeba el. energie (kwh/kg Cu) Kontrolní otázky 1. Princip elektrolytického vylučování kovů. 2. Které nejdůležitější kovy se vylučují elektrolyticky? 3. Napište reakce probíhající při elektrolytickém vylučování mědi. 4. Které faktory se uplatňují při volbě optimální katodické proudové hustoty? 5. Uveďte základní parametry elektrolytického vylučování mědi (proudová hustota, napětí na elektrolyzéru, teplota, složení elektrolytu). 6. Co je proudový výtěžek, vysvětlete jeho výpočet. 7. Jak se vypočte doba, potřebná k vyloučení vrstvy mědi o dané tloušťce na jednotce plochy povrchu formy (matrice)? 8. Jak se vypočte hodnota elektrické energie skutečně spotřebované na vyloučení jednotkového množství kovu? 9. Co je příčinou toho, že vyloučená množství kovu při elektrolytické rafinaci jsou nižší než množství teoretická? Návody laboratorní práce Elektrolytické vylučování mědi str. 6