Лабораторна робота 5. Електрохімічне осадження нікелю.

Мета роботи – ознайомитись з процесом електроосадження нікелю і формування нікелевих покрить.

Завдання роботи – отримати нікелеве покриття на поверхні металу, визначити вплив густини струму на якість покрить; вплив кислотності на якість нікелевих покрить. Знайти залежність виходу за струмом від густини струму та оцінити пористість нікелевого осаду.

Короткий огляд теоретичних основ процесу

Електрохімічне нікелювання металів застосовують для покращення зовнішнього вигляду металевих виробів (особливо в разі застосування технологій отримання блискучих покрить), підвищення механічної стійкості поверхні та для їх захисту від корозії. В контексті останнього застосування слід відмітити, що завдяки схильності нікелю до самовільної оксидної пасивації, він досить корозійно стійкий. Разом з тим, в разі осадження на сталеву основу, остання стає анодом у парі нікель-залізо (Електродний потенціал Ni/Ni²⁺ = -0,23 V, а потенціал пари Fe/Fe³⁺ = -0,04 V). Тому, з огляду на пористість осаду, сталева основа може кородувати навіть під нікелем. Це призводить до деформації основи і відшаровування покриття. Для запобігання цьому застосовують багатошарові нікелеві покриття (інколи під нікель попередньо осаджують мідь) , осадження нікелю у режимі імпульсного, або реверсивного електролізу.

На відміну від міднення, у процесі нікелювання легше може виділятись водень, що псує якість покриття. Для отримання якісних покрить необхідно утримувати рН електроліту у межах 5-6. У більш кислих електролітах починається виділення водню, у більш лужних – осад псується утворенням солей, основних солей та гідроксиду нікелю.

Для підтримки рН до електроліту додають буферні речовини, зокрема борну кислоту. Також у електроліти додають солі лужних металів (для підвищення електропровідності), хлориди (наприклад, нікель хлорид) сприяють захисту анодів від пасивації.

Крім того, у деякі електроліти додають органічні блискоутворювачі (ПАР) та добавки, що сприяють вирівнюванню рельєфу покриття.

Небезпечними домішками у електролітах нікелювання є мідь і цинки, що у невеликих концентраціях спричиняють утворення поганих губчастих осадів нікелю.

МЕТОДИКА ВИКОНАННЯ РОБОТИ

1. Підготувати 5 мідних і 1 сталевий катод. Спочатку їх слід відшліфувати наждачним папером для видалення оксидних та сольових нашарувань. Потім катоди знежирити у лужному розчині (5-15 г/л NaOH, 15-35 г/л Na₃PO₄ ^. 12H₂O, 15-35 г/л Na₂CO₃, 3-5 г ПАР (Синтанол ДС-10, або інший)) при 60-80 ⁰С протягом 5-10 хв.

2. Промити електроди у проточній воді і протравити у розчині HCl або H₂SO₄ (150-200 г/л) при кімнатній температурі протягом 5-10 хв.

3. Промити електроди у проточній воді і активувати шляхом занурення у розчин H₂SO₄ (50 г/л) при кімнатній температурі на 0,5-1 хв.

4. Електроди промити, висушити та зважити. Всі результати зважувань занести у протокол.

5. З ібрати електричну схему для електроосадження нікелю (Рис. 1).

Рис. 1. Схема електричних з’єднань для осадження нікелю

6. Зібрати кулонометр і комірку, заливши у останню борний електроліт нікелювання (NiSO₄ ^. 7H₂O 250 г/л, NiCl₂ ^. 6H₂O 30 г/л, H₃BO₃ 30 г/л).

7. Зробити розрахунки тривалості нікелювання для осадження покриття зі вказаною викладачем товщиною (див. Таблицю 1).

8. Виміряти розміри катоду і розрахувати його площу (з двох сторін), обчислити силу струму, який необхідно пропускати для забезпечення вказаної густини струму на даному катоді.

9. Послідовно провести електроліз із 5 катодами та різними густинами струму. Перед початком електролізу кожен катод зважити, записавши у протокол його вагу перед електролізом (m₁). Також перед початком кожного електролізу слід зважити промитий і висушений катод кулонметру. Цю масу теж занести у протокол (m_1к).

Таблиця 1

Тривалість нікелювання (хв) за умови 92 % виходу за струмом для різних густин струму (і, А/дм²) і товщин осаду (h, мкм).

	I
H	0,5	1	1,5	2	5	10
3	31	15,5	10,5	7,8	3	1,5
5	51,5	26	17,5	13	5	2,5
7	72	36	24	18	7	3,5
10	103	52	34,5	26	10,5	5

10. Після закінчення електролізу катод слід промити у непроточній воді (простим зануренням у ємність з водою), висушити і знов зважити, записавши у протокол його масу після електролізу (m₂). Промити і висушити катод кулонометру, зважити його і записати масу катоду після електролізу (m_2к).

11. Візуально оцінити всі 5 покрить і зробити висновок про вплив густини струму на якість нікелевого покриття.

12. Повторити операції 6-11 для ще одного мідного катоду, який піддається електролізу у простому електроліті (NiSO₄ ^. 7H₂O 250 г/л, NiCl₂ ^. 6H₂O 30 г/л) з тією ж густиною струму, для якої отримане найбільш якісне покриття у попередньому досліді з борним електролітом нікелювання. Порівняти аналогічні покриття для електролітів з борною кислотою і без та зробити висновок про вплив борної кислоти на якість нікелевого покриття.

13. Для всіх зразків розраховують вихід за струмом. Результати розрахунків для перших п’яти зразків подають у графічній формі як залежність виходу за струмом від густини струму.

14. Для визначення пористості нікелевого покриття використовується сталевий катод. На нього осаджують нікель з борного електроліту протягом часу, необхідного для утворення покриття товщиною 3 мкм при густині струму, необхідній для отримання найбільш якісного покриття.

15. Після закінчення електролізу катод слід обережно промити, не висушувати і не зважувати, а обернути у фільтрувальний папір, змочений розчином K₃[Fe(CN)₆] (10 г/л) і NaCl (20 г/л). Залишити зразок обернутим на 5 хв.

16. Обережно зняти фільтрувальний папір і залишити його для висихання до наступного дня.

17. Після висихання окреслити на довільній ділянці паперу, що контактувала з електродом, квадрат 1 см² і підрахувати кількість синіх крапок, що вказують на суцільні пори у міді до сталевої основи. Результат підрахунку занести у підсумкову таблицю.

У підсумковому протоколі (з використанням Таблиці 2) на базі отриманих даних слід зробити висновки про: а) вплив густини струму на якість осаду; б) вплив присутності кислоти на якість осаду; в) залежність виходу за струмом від густини струму і наявності кислоти; г) пористість отриманого нікелевого покриття на сталі.

Таблиця 2

Таблиця для занесення результатів вимірювань і розрахунків.

№ зразка	Електроліт	Площа (S), дм2	Густина струму (i), A/дм2	Сила струму, А	Якість (пористість) покриття	(комірка)	(кулонометр)
1 мідний	Борний
2 мідний	Борний
3 мідний	Борний
4 мідний	Борний
5 мідний	Борний
6 мідний	Простий
7 сталевий	Борний

ВИСНОВКИ ПО РОБОТІ

а) Вплив густини струму на якість осаду:

б) Вплив присутності кислоти на якість осаду:

в ) Залежність виходу за струмом від густини струму (графік можна подати на окремому аркуші) і наявності кислоти:

ВС

і

г) Пористість отриманого нікелевого покриття на сталі:

ОРІЄНТОВНИЙ ПЕРЕЛІК ПИТАНЬ ДЛЯ ЗДАЧІ РОБОТИ

1. Особливості різних методів електрохімічного нікелювання.

2. Електродні процеси під електрохімічного нікелювання.

3. Сфера застосування, ціль, переваги й недоліки електрохімічного нікелювання.

4. Роль кожного реагенту електролітів нікелювання.

5. Послідовність стадій процесу нікелювання та їх пояснення.

6. Вплив технологій електрохімічного нікелювання на довкілля, можливість зменшення їх негативних наслідків.