УДК 544.478.7

ИССЛЕДОВАНИЕ НЕКОТОРЫХ ТЕОРЕТИЧЕСКИХ АСПЕКТОВ ХИМИЧЕСКОГО НИКЕЛИРОВАНИЯ ПУТЕМ ИЗМЕРЕНИЯ СТАЦИОНАРНОГО ПОТЕНЦИАЛА

Сатаев Малик Сывамбаевич1, Кошкарбаева Шайзада Туртаевна2, Кожакулов Нуржан Курбанович3
1Южно-Казахстанский Государственный университет им. М.Ауезова, доктор технических наук, профессор кафедры химическая технология неорганических веществ
2Южно-Казахстанский Государственный университет им. М.Ауезова, кандидат технических наук, доцент кафедры химическая технология неорганических веществ
3Южно-Казахстанский Государственный университет им. М.Ауезова, Ст. преподаватель кафедры графики

Аннотация
Путем измерения стационарного потенциала никелевых и медных электродов в растворах гипофосфита натрия в интервале температур 20-100 оС найдено, что при температурах выше 70оС потенциал никелевого электрода достигает значения достаточного для восстановления ионов никеля. Сдвиг потенциала на медном электроде при изменении температуры менее значителен и не достигает значения необходимого для прямого восстановления ионов никеля.

Ключевые слова: изменение температуры, медный электрод, механизм восстановления, никелевый электрод, стационарный потенциал, химическое никелирование


RESEARCH OF SOME THEORETICAL ASPECTS OF CHEMICAL NICKEL PLATING BY MEASURING THE STATIONARY POTENTIAL

Satayev Malik1, Koshkarbayeva Shayzada2, Kozhakulov Nurzhan3
1M.Auezov South Kazakhstan State University, Doctor of Engineering Science, Professor of department of "Chemical technology of inorganic substances"
2M.Auezov South Kazakhstan State University, PhD of Chemical Science, Docent of department of " Chemical technology of inorganic substances"
3M.Auezov South Kazakhstan State University, Teacher of department of "Graphics"

Abstract
By measurement stationary potential of nickel and copper electrodes in solutions of sodium hypophosphite in the temperature of range 20-100 °C is found, that at temperatures above 70°C nickel electrode potential reaches value sufficiently for reduction of the nickel ions. Potential change in the copper electrode at changes of temperature are less significant and direct reduction of nickel ions is not achieved

Keywords: change of temperature, chemical nickel plating, copper electrode, mechanism of reduction, nickel electrode, stationary potential


Рубрика: 02.00.00 ХИМИЧЕСКИЕ НАУКИ

Библиографическая ссылка на статью:
Сатаев М.С., Кошкарбаева Ш.Т., Кожакулов Н.К. Исследование некоторых теоретических аспектов химического никелирования путем измерения стационарного потенциала // Современные научные исследования и инновации. 2013. № 5 [Электронный ресурс]. URL: http://web.snauka.ru/issues/2013/05/24134 (дата обращения: 02.06.2017).

Среди металлфосфорных покрытий наиболее широкое применение получили никель-фосфорные покрытия, получаемые химическим путем (химическое никелирование). По сравнению с гальваническими никелевыми покрытиями они имеют целый ряд достоинств, основными из которых являются более высокая коррозионная стойкость, твердость, износостойкость, равномерность (особенно на сложно – профильных изделиях), а также такие специфические свойства, как способность к пайке и т.д.

Никель-фосфорные покрытия получают из электролитов, содержащих соль никеля, и, в качестве восстановителя гипофосфит натрия, а также буферные добавки (соли органических кислот). Процесс протекает при высокой температуре на поверхности металлов, являющихся катализаторами разложения гипофосфита.

Так, на таких металлах как никель, железо, алюминий, палладий процесс начинается самопроизвольно при температурах более 50-70°С. Для получения покрытий на металлах не являющимся катализаторами этого процесса (медь, серебро, золото), необходимо в начале процесса создать контакт с отрицательными металлами (алюминий, цинк). При этом возможно контактное выделение никеля, который затем катализирует этот процесс [1,2].

Нами изучалось изменение стационарного потенциала электродов из никеля и меди в растворах гипофосфита натрия при концентрациях 10 г/л и 50 г/л в интервале температур 20-100 оС. В отдельных опытах в раствор вводили также соль никеля. Потенциалы измерялись относительно хлорсеребряного электрода и пересчитывались на водородную шкалу.

Стационарный потенциал (его еще называют компромиссным или смешанным) устанавливается, когда на поверхности электрода протекают два и более электродных процессов [3]. При этом он устанавливается между значениями равновесных потенциалов частных реакции. В случае протекания двух частных реакции, одна из которых окислительная, а вторая восстановительная при стационарном потенциале наблюдается взаимная компенсация катодного и анодного токов. По значению стационарного потенциала можно судить о скорости отдельной частной реакции. Так его значение ближе к равновесному потенциалу того процесса, который протекает с большей скоростью.

В случае каталитического разложения гипофосфита натрия возможны следующие электродные реакции; влияющие на установление компромисного (стационарного) потенциала. Это окисление гипофосфит-иона до фосфит-ионов и восстановление ионов водорода.

H2PO2++H2O-2e = H2PO3++2H+

2H2O +2e = H2 + 2OH-

Считая, что равновесные потенциалы этих реакции близки к стандартным имеем для первой реакции Ер= – 0,6 В и для второй реакции Ер= 0 В (для рН=0). При этом не учитывается реакция окисления фосфит иона до фосфат иона. Сопоставление стационарного потенциала со значениями равновесных потенциалов позволит определить какая из этих двух реакции оказывает большее влияние на общую скорость разложения гипофосфита натрия, что может дать дополнительные сведения о механизме химического никелирования.

Измерения проводились на установке, схема которой представлена на рисунке 1. При этом снимались кривые изменения стационарного потенциала при повышении температуры от комнатной до устойчивого выделения водорода (прямое направление) и обратно до комнатной температуры (обратное направление). Значения потенциалов определялись при помощи хлорсеребряного электрода сравнения и пересчитывались на водородную шкалу.

Рисунок 1 – Схема измерения значений потенциалов электродов при различных температурах: 1-потенциометр; 2-электрод сравнения; 3-электролитический ключ; 4-термометр; 5-нагреватель; 6,7- исследуемые растворы; 8,9- термостойкие стаканы; 10,11-штативы;12- исследуемый электрод; 13- шкала потенциометра.

Результаты измерений на никелевом электроде представлены на рисунке 2 Стационарный потенциал никелевого электрода в растворе гипофосфита натрия (10 г/л) при температурах 20-30 оС почти не изменялся и составлял -0,1 В (рис.2, кривая 1). Выделение водорода практически не наблюдается. В интервале температур 30-70 оС происходил постепенный сдвиг потенциала от –0,1В до –0,46 В. Начиная с 50-70оС наблюдается незначительное выделение водорода. Затем в интервале температур 70-100 оС потенциал достигал значения -0,46 В и дальнейшее изменение потенциала было незначительным. В этом интервале также наблюдалось бурное выделение водорода. Добавка в электролит сульфата никеля практически не влияла на изменение стационарного потенциала. Такое изменение стационарного потенциала и количества выделяемого водорода в зависимости от температуры можно объяснить следующим образом. При низких температурах в начале эксперимента поверхность никелевого электрода покрыта слоем оксидов никеля, а также адсорбированным слоем кислорода, что способствует установлению относительно положительных значений потенциала. Разложения гипофосфита при этом практически не происходит. При температурах выше 50оС происходит десорбция кислорода, становится возможным выделение водорода и окисление гипофосфит иона, причем если в начальной стадии процесса разложение гипофосфита контролируется анодной стадией процесса, то затем постепенно переходит к катодному контролю.

Рисунок 2 – Изменение стационарного потенциала электродов из никеля в растворе гипофосфита натрия.

Концентрация гипофосфита натрия: 1 – 10г/л; 2 – 50г/л.

Стрелки показывают направление изменения температуры.

Такие изменения потенциала имеют место и при обратном направлении изменения температуры – от высоких к низким. Здесь, однако, отсутствуют начальные участки, связанные с удалением слоя оксидов и адсорбированного кислорода. Это понятно, так как при обратном ходе отсутствует контакт с воздухом, а также при высоких температурах практически отсутствует растворенный в электролите кислород.

При увеличении концентрации гипофосфита натрия в электролите до 50г/л общий ход кривых не меняется (рис.2, кривая 2) но происходит заметная деполяризация процесса на всех участках. Эти результаты показывают, что при температуре выше 70оС стационарный потенциал никелевого электрода сдвигается в отрицательную сторону и достигает значения достаточного для восстановления ионов никеля. Кроме того, если при низких температурах значение стационарного потенциала приближено к значению равновесного потенциала восстановления ионов водорода, то при повышении температуры это значение приближается к равновесному потенциалу окисления гипофосфит ионов. Это позволяет предположить, что при низких температурах замедленной стадией является анодный процесс (окисление гипофосфит ионов), а при повышенных температурах катодный процесс (восстановление ионов водорода). Следовательно, разложение гипофосфита на никелевом электроде с заметной скоростью протекает при повышенных температурах. при этом процесс контролируется катодной реакцией (выделением водорода, а в последующем и восстановлением ионов никеля).

В случае медного электрода (рисунок 3) стационарный потенциал при низких температурах располагается в более положительной области, чем у никелевого электрода. Переход к отрицательным потенциалам в области температур 60-80 оС незначителен. При повышении температуры от 80 до 100 оС устанавливается в районе 0 ÷ -0,05В для содержания гипофосфит ионов 10 г/л и в районе -0,10 В÷ –0,15 В) для содержания гипофосфит ионов 50 г/л. Разница в ходе кривых при прямом и обратном направлении изменения температуры свидетельствуют о том, что и здесь имеют место процессы адсорбции и десорбции. Бурного газовыделения не наблюдается.

Вероятно, в этом случае, обе стадии разложения гипофосфита являются замедленными. Добавка соли никеля также не влияет на общую картину. Следовательно, в случае медного электрода, потенциал необходимый для восстановления ионов никеля не достигается и поэтому на меди самопроизвольно процесс химического никелирования не протекает.

 

Рисунок 3. Изменение стационарного потенциала электродов из меди в растворе гипофосфита натрия.

Концентрация гипофосфита натрия: 1 – 10г/л; 2 – 50г/л.

Стрелки показывают направление изменения температуры.

Таким образом, путем измерения стационарного потенциала получены дополнительные сведения объясняющие каталитическую активность никеля при химическом никелировании и причину отсутствия таковой у меди.

 


Библиографический список
  1. Вишенков С.А. Химические и электрохимические способы осаждения металлопокрытий.-М:Машиностроение, 1975.-312 с.
  2. Горбунова К.М., Никифорова А.А. Физико-химические основы процесса химического никелирования.-М:Изд-во АН СССР, 1980.-208 с.
  3. Антропов Л.И. Теоретическая электрохимия.-М.:Высшая школа, 1983.-510с.


Все статьи автора «Сатаев Малик Сывамбаевич»


© Если вы обнаружили нарушение авторских или смежных прав, пожалуйста, незамедлительно сообщите нам об этом по электронной почте или через форму обратной связи.

Связь с автором (комментарии/рецензии к статье)

Оставить комментарий

Вы должны авторизоваться, чтобы оставить комментарий.

Если Вы еще не зарегистрированы на сайте, то Вам необходимо зарегистрироваться: