Profesor: Stan Viorel
Elev: Ungureanu Raluca
15 Iunie 2012
Electrochimia este un domeniu de intereferen dintre chimie i
electricitate, care studiaz reaciile electrochimice i aplicaiile
acestora: electroliza,coroziunea, acumulatorii electrici,
bateriile, procedeele electrochimice de acoperire metalic. Cel mai
important procedeu care este studiat de electrochimie este
electroliza, ce reprezint o reacie chimic ce are loc la trecerea
curentului electric. Reaciile electrochimice sunt acele reacii
chimice care au loc n soluii chimice aflate n contact cu materiale
conductoare sau semiconductoare i care implic transfer de electroni
ntre electrozi i electrolit.Studiul jonciunii a doi semiconductori
nu aparine domeniului electrochimiei, ci fizicii solidului.Istoria
electrochimiei are conexiuni puternice cu fiziologia prin
activitatea lui Luigi Galvani. Au mai contribuit la acest domeniu
Friedrich Kohlrausch, Michael Faraday, Johann Wilhelm
Hittorf,Walther Nernst, Wilhelm Ostwald, Svante Arrhenius,
Aleksandr Frumkin, Heinz Gerischer etc.Un apect istoric
controversat din istoria electrochimiei e constituit de bateria de
la Bagdad.
Energia Chimica->Energia Electrica. Elemnete Galvanice
Numim element galvanic o surs de energie electric n care energia
chimic electric. n figurile 1a i 1b este artat cel mai simplu
element galvanic, care este format dintr-un vas, umplut cu
electrolit (soluie de acid sulfuric) i doi electrozi: unul de cupru
i altul de zinc. Ca rezultat al aciunii chimice cuprului a i
electrolitului asupra se transform n energie
zincului, ntre electrozii elementului se
Figura 1a-circuitul este deschis
formeaz o diferen de potenial, adic o f.e.m.(for electromotoare)
care poate fi utilizat pentru producerea unui curent ntr-un circuit
exterior. n timpul funcionrii unui asemenea element apare i un
fenomen vtmtor (duntor), numit polarizare. El const n faptul c, n
urma reaciei chimice, n electrolit apar ioni pozitivi de hidrogen,
care se mic spre electrodul negativ (cupru) i se depun pe acesta
sub form de bicue de hidrogen. Aceste bicue mpiedic apropierea de
electrod a noilor ioni i elementul nceteaz s mai funcioneze. Pentru
a micora. fenomenul polarizrii electrodul pozitiv se nconjoar cu o
substan numit depolarizant, care intr uor n reacie cu hidrogenul
i-l absoarbe. Industria sovietic producea o mare cantitate de
elemente galvanice de diferite tipuri, care dup calitatea lor sunt
considerabil mai bune dect altele modele din strintate. Un mare
merit pentru aceste succese aparine inginerilor sovietici laureai
ai premiului Stalin - G. G. Morozov i N. S. Krivolukaia. n tehnica
transmisiunilor (de exemplu) cea mai mare rspndire o au elementele
galvanice cu mangan.Figura 1b-circuitul este nchis
Elementele galvanice cu mangan sunt de dou feluri :umede i
uscate. Electrodul negativ al elementului umed l constituie o cutie
de zinc (figura 2), n interiorul creia se aeaz electrodul pozitiv
denumit aglomerat.
n compunerea aglomeratului intr un amestec de bioxid de mangan,
grafit, negru de fum special i sare amoniacal (clorur de amoniu). n
aglomerat se preseaz un baston de crbune al crui capt ieit n afar
constituie polul pozitiv al elementului. nainte de a fi aezat n
cutia de zinc, aglomeratul se usuc.Figura 2
Ca electrolit al elementului servete ipirigul presrat n element
sub form de praf. Deasupra, elementul este prevzut cu. dou orificii
unul cu diametrul mai mare pentru turnarea apei i al doilea, cu
diametrul mai mic, pentru ieirea gazelor, care se formeaz n timpul
funcionrii elementului. Pentru a pregti elementul pentru lucru,
trebuie s turnm n orificiul mare ap curat a crei cantitate este
artat n instruciunile pentru ncrcarea elementului. Elementele umede
de tipul 3 V au o f.e.m. de 1,5 V i capacitatea de 27 Ah. La polii
unui element n bun stare de funcionare, dac nu este umplut cu ap,
nu trebuie s apar nici o f.e.m. La temperaturi joase, aproximativ
de minus 150C, elementul umed i pierde capacitatea sa de lucru,
totui dac se va umple cu electrolit special, el i pstreaz
capacitatea sa de lucru i la o temperatur de pn la minus 400C.
Elementele uscate (figura 3), dup construcia lor se deosebesc de
celeumede prin faptul c aglomeratul nu se usuc nainte de a se aeza
n vasul de zinc, ci din contra se mbib cu o soluie de ipirig Spaiul
dintre pereii vasului de zinc i aglomerat se umple cu un electrolit
n form de past. F e.m. a unui element uscat de tipul 3 U (3 C) ca i
a celui umed, este egal cu 1,5 V, iar capacitatea de 30 Ah.Figura
3
n comparaie cu elementele umede, elementele uscate au avantajul
c sunt gata pentru funcionare imediat dup fabricarea lor.
ns, durata de pstrare a elementelor uscate este mai mic dect a
celor umede. Elementul umed poate fi pstrat n stare nencrcat timp
de trei ani, pe cnd cel uscat numai un an i jumtate, pentru c n el
ncepe autodescrcarea imediat dup fabricare. Acumulatoarele
Acumulator se numete un dispozitiv, care acumuleaz n el o energie
electric i pe care o cedeaz circuitului exterior pe msura n care
avem nevoie de ea. Strngerea (acumularea) n acumulator a energiei
electrice se produce n timpul ncrcrii lui i este nsoit de o reacie
chimic. n funcie de natura electrolitului, acumulatoarele se mpart
n acumulatoare bazice (alcaline) i
acumulatoare cu plumb (acide). Acumulatorul bazic (figura 4)
este format dintr-un vas dreptunghiular de oel., nichelat, dintr-un
complet de plci pozitive i negative (electrozii) i electrolit. Ca
electrolit, bazice n se
acumulatoarele
utilizeaz soluia bazic: de hidrat de sodiu pe timpul verii i de
hidrat de potasiu pe timpul iernii n ap distilat. Adesea se
folosete unFigura 4
electrolit compus din hidrat de potasiu cu adaos de hidrat de
litiu. Electrozii se compun fiecare din mai multe plci, ce conin n
ele mas activ. La un acumulator nencrcat, masa activ a plcilor
pozitive se compune din hidrat rotoxid de nichel Ni(OH)2 n amestec
cu grafit mrunt, iar masa activ a plcilor negative, din hidrat al
protoxidului de cadmiu Cd(OH)2 n amestec cu hidrat al protoxidului
de fier. n timpul ncrcrii acumulatorului, hidratul de nichel se
transform n hidrat nichelic - Ni(OH)3. n acelai timp, masa activ a
plcilor negative este redus prin reaciile chimice care au loc iar
apoi pe plci apare un amestec spongios al metalelor cadmiu i fier.
La descrcarea acumulatorului, toate procesele artate mai sus se
produc n ordinea invers: masa activ a plcilor pozitive se transform
n hidrat nichelos, iar masa activ a plcilor negative n hidrat al
protoxidului de fier i hidrat al protoxidului de cadmiu.
Oricare tip de acumulator bazic se caracterizeaz prin urmtoarele
date principale : tensiune, capacitate i rezisten interioar.
Capacitatea acumulatorului denumete cantitatea de electricitate,
exprimat n amperi-ore, pe care acumulatorul o poate ceda n circuit,
la o descrcare cu un curent de intensitate determinat pn cnd
tensiunea atinge valoarea final de 1 volt. Capacitatea
acumulatorului depinde de dimensiunile plcilor i de numrul lor. Cu
ct dimensiunile plcilor i numrul lor este mai mare, cu att este mai
mare capacitatea acumulatorului. Temperaturile excesiv de ridicate
sau coborte produc o micorare a capacitii acumulatorului; de aceea,
n funcie de condiiile de exploatare, se ntrebuineaz electrolii de
densiti diferite. Rezistena interioar a unui singur acumulator
bazic este de aproximativ 0,03 ohmi. Spre sfritul descrcrii ea se
mrete aproximativ de dou ori. Acumulatoarele se leag n serie,
constituindu-se o baterie.. Tensiunea total a bateriei este mai
mare n acest caz, fa de tensiunea unui singur acumulator de attea
ori, ct este numrul acumulatoarelor din baterie. La legarea n serie
a acumulatoarelor capacitatea ntregii baterii rmne egal cu
capacitatea unui singur acumulator. ncrcarea i descrcarea
acumulatoarelor Acumulatoarele se ncarc de la sursele de energie de
curent continuu sau de la sursele de curent alternativ, utiliznd
redresoarele. ncrcarea acumulatorului poate fi normal, rapid sau
forat. ncrcarea normal se efectueaz n timp de 6 ore cu o
intensitate de curent egal cu o ptrime din capacitatea
acumulatorului; ncrcarea rapid se efectueaz n timp de 4 ore.
ncrcarea forat are o durat de 12 ore: 6 ore cu o intensitate de
curent egal cu o ptrime din capacitatea acumulatorului i 6 ore la o
intensitate egal cu 1/8 din capacitatea acumulatorului. Descrcarea
acumulatorului se admite a se face cu o intensitate de curent care
s nu depeasc 1/8 din capacitatea acumulatorului. Tensiunea la
sfritul descrcrii, n cazul acumulatoarelor din baterii, nu trebuie
s coboare sub 1,1 V pe acumulator i numai n cazuri extreme se poate
admite descrcarea pn la 0,9 V. Scurte noiuni asupra acumulatoarelor
cu plumb (cu acid) Acumulatoarele cu plumb se compun dintr-un vas,
plci i electrolit. Vasele se confecioneaz din sticl, din mas
plastic sau lemn, cptuit cu plumb. Plcile acestui acumulator cu
plumb se confecioneaz din plumb sub form de grtare i sunt umplute
cu mas activ. Ca mas activ a plcilor negative este utilizat plumbul
metalic poros (spongios), iar a celor pozitive, bioxidul de plumb.
Ca electrolit pentru acumulatoarele cu plumb se ntrebuineaz soluia
de acid sulfuric. Acumulatoarele cu plumb ca i cele bazice, se
asambleaz n baterii. Tensiunea de lucru a acumulatoarelor cu plumb
este egal cu 2 V. Descrcarea acumulatoarelor trebuie oprit cnd
tensiunea la bornele sale devine egal cu 1,8 V. Pentru evitarea
defectrii plcilor (plcile se acoper cu un strat alb de sulfat de
plumb are loc sulfatarea), descrcarea acumulatorului este interzis
sub 1,8 V. Rezistena interioar a acumulatoarelor cu plumb este
extrem de mic
avnd valori mai mici de l/1OO. Capacitatea acumulatorului cu
plumb depinde de cantitatea masei active: cu ct este mai mare
cantitatea de mas activ cu att este mai mare capacitatea.
Capacitatea acumulatorului nu rmne constant ci se micoreaz n
decursul timpului, datorit uzurii treptate a plcilor. Cnd
capacitatea scade sub 75% din capacitatea normal, acumulatorul se
scoate din serviciu. Avantajul principal al acumulatorului cu plumb
n comparaie cu acumulatorul bazic const n tensiunea lui destul de
mare (2 V fa de 1,25 V).
Energia Electrica->Energia Chimica. Electroliza.Aplicatii
electrolizei
Inainte de anul 1880, energia electrica avea o utilizare foarte
limitata in industria chimica, cu toate ca primele cercetari de
laborator in domeniul electrochimiei dateaza inca de la inceputul
secolului al XIX-lea. Dezvoltarea larga a electrochimiei
industriale a inceput abia dupa inventarea si perfectionarea
dinamului. Un rol important in dezvoltarea electrochimiei ii revine
lui M. Faraday care a formulat legile fundamentale ale
electrolizei. Daca e sa vorbim de cuvintul electroliza- acesta ar
insemna: lisisdescompunere, electro- curent, si, prin urmare:
Procesul de oxido-reducere care are loc la electrozi la trecerea
curentului electric continuu prin solutia sau topitura unui
electrolit se numeste electroliza. Electrolit--substanta chimica
care se poate descompune sub influenta unui curentelectric. Cu
acest scop se folosesc asa-numitele bai de electroliza. In procesul
electrolizei energia electrica se transforma in energie chimica,
adica in energia substantelor formate. Fomenul dat este complex si
consta in urmatoarele: daca introducem 2 electrozi in solutia sau
topitura unui electrolit si-i vom uni catodul (-) si anodul (+)
unei surse de curent electric continuu, atunci, sub actiunea
cimpului electric are loc cit migratia ionilor cu sarcina pozitiva
(cationi) catre catod si a ionilor cu sarcina negativa (anioni)
spre anod, cit si neutralizarea acestora. La catod cationii
aditioneaza electroni si se reduc. Anionii, apropiindu-se de anod,
cedeaza electronii si se oxideaza. Catodul este un reducator
puternic, iar anodul oxidant.
Atomii transformati in procesul de electroliza se pot depune ca
atare pe electrod sau pot reactiona: cu moleculele dizolvantului,
cu electrodul, sau intre ei. Se formeaza astfel produsi secundari
ai electrolizei. Produsele electrolizei depind de natura si
concentratia electrolitului, de natura anodului si de densitatea
curentului electric.
In continuare se vor analiza, in majoritate, fenomenele ce au
loc la electroliza sarurilor. Electrozii pot fi insolubili
(C-carbune, Pt) si solubili (toate celelalte). Astfel, deosebim
doua tipuri de electroliza: a topiturilor si a solutiilor. Legile
cantitative ale electrolizei au fost descoperite de catre M.
Faraday (1827).
2.1 Legea I a lui Faraday.
Masa substantei depuse sau dizolvate la electrozi este direct
proportionala cu cantitatea de electricitate care trece prin
electrolit:
m = k * Q,
unde k este echivalentul electrochimic, care a legat de masa
molara a echivalentului prin expresia: k = Me/F; Me (X)= M (X)*
1/Z.
Q este cantitatea de electricitate (in C):Q = It,
unde I este intensitatea curentului (A),
t -- timpul (s).Astfel, m = Me/F * It. Deoarece: Me = A/Z, m +
AIt/ ZF,
unde A reprezinta masa atomica a elementului,
Znumarul de electroni care participa in procesul de oxidare sau
reducere.
2.2 A II-a lege a lui Faraday
In electrolizoarele unite in serie masele substantelor obtinute
la electrozi sunt direct proportionala cu masele molare ale
echivalentilor chimici. Echivalentii electrochimici sunt
proportionali cu masele molare ale echivalentilor chimici: k1 : k2
= Me1 : Me2 sau Me1/k1 = Me2/k2 = F.
Pe aceasta baza se poate determina constanta lui Faraday, adica
cantitatea de electricitate necesara pentru descompunerea unei mase
molare a echivalentului substantei. Este posibil de examinat
electroliza in dependenta de natura chimica a electrolitului
(anionul electrolitului poate fi radicalul unui acid oxigenat sau
neoxigenat).
La electroliza topiturilor se oxideaza si se reduc ionii
electrolitului. Luam ca exemplu procesele ce se petrec la
electroliza topiturii clorurii de sodiu NaCl:
Schema electrolizei topiturii NaCl:
NaCl = Na+ +Cl(-) catod 2Na+ + 2e Na (reducere)
(+) anod 2Cl- -2e Cl2 (g) (oxidare)
Ecuatia sumara: 2NaCl (electroliza) 2Na + Cl2 (g)
Pentru a reprezenta in scris procesele se alcatuieste schema
electrolizei si se egaleaza numarul de electroni aditionati si
cedati, numarul de ioni si atomi ai tuturor elementelor, apoi se
alcatuieste ecuatia sumara a electrolizei in forma moleculara.
Electroliza topiturilor este folosita la obtinerea metalelor
alcaline, alcalinopamintoase, aluminiului, magneziului, beriliului,
lant anoidelor si unor metale greu fuzibile, ca titanul, molibdenul
s.a. In solutii apoase procesele decurg mai dificil decit in
topituri. Deosebim procese catodice si procese anodice in solutiile
apoase de electroliti. La procesele anodice si catodice in cazul
dat poate participa si apa.
4.1 Procesele catodice in solutiile apoase de electroliti
Daca impartim simbolic seria potentialelor standart de electrod,
obtinem urmatoarele: I) metalele de pina la Al (inclusiv); II)
metalele situate intre aluminiu si hidrogen; III) metalele situate
dupa hidrogen (Cu-Au).
a) Cationii (ioni pozitivi) grupei I, a metalelor active, nu se
reduc la catod! In locul lor se reduc moleculele de apa si se scrie
ecuatia de serviciu pentru anod:
2H2O + 2e H2 (g) + 2OH-
b) Cationii grupei a II-a, a metalelor cu activitate medie
(Mn2+, Zn2+, Cr3+, Fe2+, Co2+, Ni2+, Sn2+, Pb2+) se reduc la catod
in acelasi timp cu moleculele de apa:
Men+ + ne Me0 (Ex.: Zn2+ + 2e Zn0) si 2H2O + 2e H2 (g) +
2OH-
Teoretic se scriu aceste 2 reactii, insa la rezolvarea
problemelor, ecuatia de reducere a apei nu se scrie, deoarece in
aceste probleme intotdeauna se da randamentul.
c) Cationii grupei a III-a, a metalelor putin active (Cu2+,
Hg2+, Ag+, Pt2+, Au3+) se reduc la catod:
Men+ + ne Me0;
(Ex.: Ag1+ +1e Ag0);
d) Cationii hidrogenului H+ se reduc la catod numai la
electroliza solutiilor de acizi:
2H+ +2e H2 (g)
4.2 Procesele anodice in solutiile apoase de electroliti
Deosebim anioni (ioni cu sarcina negativa): a) Neoxigenati (Cl-,
Br-, I-, S2-);
b) Oxigenati (NO3-, SO4 2-, PO4
3-
etc.);
a) Daca la anod nimeresc anioni neoxigenati, atunci ei se
oxideaza pina la nemetale:
Am me A0 (Ex.: 2Cl- --2e Cl2 (g); S2- -- 2e Br2 (g));
b) Daca la anod nimeresc anionii oxigenati (si fluorul,
inclusiv), in locul lor, se oxideaza moleculele de apa:
2H2O 4e O2 + 4H+
4.3 Electroliza apeiExperimental s-a constatat ca prin
electroliza apei acidulate se obtine hidrogen si oxigen. Deci in
solutie sint prezenti ionii proveniti prin ionizarea apei si a
acidului. 2H2O-H3O + HO s-au simplificat Tinand seama de faptul ca
electrodul negativ, catodul, are tendinta de a ceda electronii, iar
anodul (+) are tendinta de a acepta electroni, procesele mai pot fi
scrise sub forma:
(-)2H2O+2e-H2(g)+2HO (+)2H2O- O2(g)+4H + 4e Deci la catod se
degaja hidrogenul iar la anod oxigenul. S-a prezentat o pila de
combustie ce permite transformarea energiei chimice in energie
electrica prin arderea hidrogenului in oxigen.Prin utilizarea
pilelor de combustie hidrogenul devine combustibilul viitorului,
iar apa este purtator de energie . Hidrogenul sub forma de gaz,
poate fi transportat prin conducte. Dar hidrogenul poate fi pastrat
fie din in rezervoare subterane, ca gaz, fie sub forma solida, ca
hidruri. In acest mod problema stocarii energiei devine mai simpla.
Hidrogenul este utilizat la consumatori, rezultatul fiind vaporii
de apa care apar in urma arderii lui. Vaporii se ridica in
atmosfera, iar apoi se condenseaza, cazind din nou pe pamant in apa
marilor si a oceanelor. Deci, in afara de faptul ca hidrogenul
permite stocarea energiei,el evita poluarea atmosferei. Se
preconizeaza ca energia electrica necesara producerii hidrogenului
si oxigenului in celule de electroliza sa provina din energia
nucleara sau prin conversie directa din energie solara. Intrucat
electroliza are multiple aplicatii, este deosebit de important
cunoasterea aspectului cantitativ al fenomenului, deci a legilor ce
il guverneaza. Deci echivalentul electrochimic prezinta masa de
substanta depusa la electrod atunci cand prin solutie trec o
sarcina electrica egala cu unitatea. Pentru a stabili relatia
dintre masele diferitelor metale care sant depuse la electrod
atunci cand prin solutie trece aceeasi sarcina electrica, se
considera o experienta similara celei efectuate de catre Faraday.
Se considera trei celule electrolitice continind solutii de azotat
de argint, sulfat de cupru, respectiv clorura de fier. Prin
cantarire s-a determinat masa electrozilor inerti. Pentru ca prin
toate celulele sa treaca un curent de aceeasi intensitate se
conecteaza celulele in serie.
4.4 Electroliza solutiilor care contin 2 sau mai multi ioni de
metal
Daca solutia contine ionii a doua sau a mai multe metale, atunci
la catod se vor descarca in primul rind ionii acelui metal la care
potentialul de electrod are
valoarea algebrica mai mare, adica care se afla in seria
tensiunilor mai spre dreapta.
Spre exemplu: la electroliza solutiei ce contine ionii Zn2+ si
Cu2+ la catod mai usor se reduce cuprul. Totodata, trebuie de tinut
cont de concentratia ionilor in solutie, deoarece potentialul de
electrod al metalului depinde de concentratia ionilor lui (formula
lui Nernst). La o concentratie mai mare a ionilor de metal
potentialul de electrod al metalului respectiv devine mai pozitiv
si din aceasta cauza descarcarea ionilor lui decurge mai usor si,
invers, la micsorarea concentratiei ionilor potentialul de electrod
scade si descarcarea ionilor decurge mai greu. De aceea, la
electroliza solutiilor care contin ionii mai multor metale poate fi
observata descarcarea metalelor mai active. De exemplu, daca
concentratia ionilor Zn2+ va fi cu mult mai mare decit concentratia
ionilor Cu2+, atunci se vor reduce ionii Zn2+. Tensiunea minima la
care apar fenomene vizibile si continuie de electroliza se numeste
tensiune de descompunere (Ed), sau potential de descompunere.
Tensiunea de descompunere Ed este egala cel putin cu f. e. m. a
pilei electrice construite din produsele de electroliza. De
exemplu, la electroliza solutiilor de ZnCl 2 si CuCl2 la catod se
depune zinc sau cupru, iar la anod se degaja clor. Se formeaza pile
electrice, f. e. m. a carora este indreptata contra tensiunii
aplicate. E d pentru solutia 1 M de ZnCl2 va fi:
Ed = Cl2/2Cl- --
Zn2+/Zn = +1,36 (--0,76) = 2,12 V.
Pentru solutia 1 M de CuCl2: Ed = Cl2/2Cl -- Cu2+/Cu = 1,36
(+0,34) = 1,02 V. Cu ajutorul electrolizei dintr-o solutie care
contine mai multi ioni poate fi separat acel ion care in conditiile
date are cel mai mic potential de descompunere E d. In exemplul
nostru mai intii se va separa cuprul. Astfel, reglind tensiunea,
pot fi separate metalele care se afla in solutie impreuna. Metoda
electrochimica de separare a metalelor se foloseste si in chimia
analitica (electroanaliza). Potentialul real care este necesar
pentru descompunerea electrolitului este, de fapt, mai mare decit
cel calculat teoretic cu valoarea randamentului, care reprezinta
supratensiunea.
Supratensiunea poate fi cauzata de mai multi factori, dintre
care unul este viteza mica de descarcare a ionilor. In multe cazuri
reactia de descarcare a ionilor de metal pe electrod se produce cu
o viteza foarte mare si, prin urmare, intregul proces de electrod
este determinat de viteza de difuziune spre electrod a substantei
se descarca. Intr-adevar, supratensiunea la descarcarea ionilor de
cupru, zinc,argint, staniu, plumb etc. este foarte mica (citeva
zeci de milivolti). La reducerea ionilor metalelor din familia
fierului supratensiunea creste considerabil si atinge citeva zecimi
de volti. Supratensiunea este foarte mare la obtinerea prin
electroliza a hidrogenului si oxigenului. Hidrogenul se degaja la
catod la un potential cu mult mai negativ decit potentialul
reversibil, care corespunde valorii pH a solutiei date. Datorita
acestui fapt, la electroliza solutiilor apoase ale sarurilor multor
metale (Zn, Cd, Cr, Ni etc.) la catod se vor reduce ionii acestor
metale, si nu hidrogenul. Aceasta se aplica la acoperirea
electrolitica a diferitor obiecte cu crom, nichel, zinc etc.
Supratensiunea hidrogenului depinde intr-o mare masura de natura
catodului se de starea suprafetei lui. De exemplu, supratensiunea
hidrogenului pe platina lucioasa este destul de mica, iar pe negru
de platina (platina platinata) hidrogenul se degaja fara
supratensiune. Oxigenul la anod poate sa se formeze in urma a doua
semireactii:
4OH+ -- 4e O2 + 2H2O (pH>7); 2H2O 4e O2 + 4H+ (pH< 7);
pH=14;
= +0,40 V,
pH= 0; = + 1,2V,
pH=7; = + 0,815 V.
potentialul de degajare al oxigenului la anod, datorita
supratensiunii, se deplaseaza spre valori pozitive mai mari si, ca
urmare, daca anodul este confectionat dintr-un metal care in seria
tensiunilor este situat pina la argint, atunci acesta se oxideaza
si trece in solutie. De asemenea din solutiile apoase de NaBr si
HCl, datorita supratensiunii oxigenului, la anodul de platina ca
rezultat al electrolizei se degaja brom sau clor, si nu oxigen, cu
toate ca in mediul neutru si in mediul acud potentialul de electrod
al oxigenului este mai mic decit potentialul bromului (+1,06 V) si
clorului (+1,36 V).
Materialul catodului nu are practic nici o influenta asupra
procesului de reducere in timpul electrolizei. Catodul are doar
functia de a transporta electroni. In schimb materialul anodului
influenteaza mersul reactiei in spatiu anodic. Exista 2 feluri de
anozi: solubili si insolubili. Anozii insolubili sunt cei ce nu se
oxideaza (nu se dizolva) in procesul de electroliza si servesc, ca
si catozii, numai pentru a transporta electronii. Acestia sunt
confectionati din aur, platina, grafit si alte substante inerte.
Anozii solubili sunt electroliti ce se distrug in procesul de
electroliza si trec in solutie sub forma de ioni. De exemplu: daca
curentul electric va trece prin solutia de CuCl2 si va fi folosita
o placa de cupru ca anod, atunci la catod se va depune cupru, iar
anodul se va dizolva,formind ioni Cu2+. La anod nu seoxideaza nici
ionii Cl- si nici apa, deoarece potentialul deelectrod al cuprului
in mediu neutru este mai mic decit al clorului si a oxigenului.
Schema electrolizei solutiei de CuCl2 cu anod de cupru:
(--) catod Cu2+ + 2Cl- anod (de cupru) (+). Cu2+ + 2e = Cu Cu 2e
= Cu2+
In acest caz cuprul de la anod se transporta spre catod, iar
concentratia solutiei de CuCl2 ramine constanta. Electroliza in
care are loc dizolvarea anodica a elementelor este folosita in
practica pentru rafinarea metalelor (cuprului, zincului, mercurului
etc.), in galvanostegie si galvanoplastie.
Galvanostegia este metoda de acoperire a unui metal cu alt
metalprin electroliza (nichelare, aramire, zincare, spoire etc.).
aceasta metoda a fost elaborata pentru prima data de catre
fizicianul rus B. C. Iacobi, in 1837, care in 1847 a propus si
metoda de rafinare a metalelor.
Galvanoplastia este metoda de obtinere prin electroliza a
tablourilor(imaginilor) in relief.
Aplicatiile electrolizei
6.1 Intrebuintari speciale ale electrolizeiProcesele de
electroliza si-au gasit o larga intrebuintare in multe ramuri ale
economiei nationale. In industria chimica electroliza se aplica
pentru obtinerea substantelor pretioase: hidrogenului, oxigenului
(prin electroliza solutiei hidroxidului de sodiu); clorului si
hidroxidului de sodiu- din solutia clorurii de sodiu; fluoruludin
din topitura KF*HF; multor oxidanti ca Na2S2O8, KClO4, H2O2 etc.,
unor substante organice, de exemplu, anilinei din nitrobenzen; apei
grele D2O etc. Depunerea electrolitica si rafinarea metalelor da
posibilitatea de a obtine metale cu puritate inalta. Una din cele
mai importante ramuri ale electrochimiei aplicate este
galvanotehnica (galvanostegia si galvanoplastia). Acoperirile
galvanice se aplica nu numai la protejarea metalelor de coroziune
si in scopuri decorative, dar si cu scopuri speciale, de exemplu,
pentru a mari puterea reflectoarelor si ghidurilor de unde, pentru
micsorarea rezistentei contactelor electrice.Acoperirile pot fi
realizate prin electroliza cu anozi solubili (nichelare, zincare,
cadmare, spoire, argintare) si cu anozi insolubili (cromare,
aurire). Galvanoplastia are aplicare la fabricarea schemelor de
radio imprimate pentru aparatele de radio miniaturale (depunerea
desenelor metalice pe semiconductori si pe dielectrici). In
tehnologia constructiei de masini si de aparate electroliza se
aplica pentru prelucrarea suprafetei pieselor. Decaparea
electrochimica are unele avantaje fata de decaparea chimica:
procesul de decapare devine dirijat, viteza lui creste
cionsiderabil si, mai ales, poate fi aplicat la otelurile aliate,
care nu se supun decaparii chimice. La decaparea catodica si
degresarea suprafetei metalului are loc detasarea de pe metal a
peliculei de ulei si a oxizilor, datorita actiunii mecanice a
bulelor de hidrogen, care se degaja la catod. La decapare anodica
are loc separarea peliculelor de oxid datorita gazelor care se
degaja si datorita, de asemenea, dizolvarii anodice a
metalului.
Lustruirea electrochimica poate fi folosita ca metoda de
prelucrare cu precizie a pieselor, mai ales a celor cu profil
complicat si, de asemenea la studierea proprietalilor optice,
magnetice, electrice, rezistentei la coroziune si altor proprietati
ale suprafetelor metalice. Decaparea electrochimica si lustruirea
se aplica pe larg la prelucrarea semiconductorilor si la studierea
proprietatilor lor. Mai ales se decurge la decaparea cu scopul de a
stabili tranzitiile p si n , pentru a taia monocristalele, pentru a
obtine monstrele fine, pentru decaparea cavitatilor si gaurilor
etc. Prelucrarea electrochimica este o metoda de formare a
fabricatelor din metale cu rezistenta si duritate diferita, care se
supun anevoios prelucrarii mecanice, de exemplu, slefuira
electromenanica si ascutirea instrumentelor. Procesul este numit
uneori frezare chimica sau prelucrare in adincime a metalelor.
Oxidarea anodica (a aluminiului, otelului, aliajelor cuprului) este
folosita pentru protectia contra coroziunii si cu scopuri
decorative. Prin electroliza substantelor topite se obtin: sodiu,
calciu, magneziu, aluminiu si alte metale. Datorita metodelor
eletrochimice s-a reusit sa se realizeze pe scara indsutriala
obtinerea unor metale ca: bariu, cesiu, litiu etc.
6.2 Obtinerea metalelor si a nemetalelor in procesul de
electrolizaMetalele din grupele I, a II-a si a III-a principala se
obtin industrial prin electroliza topiturilor. Beriliul metalic se
obtine prin electroliza unui amestec topit de BeF2 si o fluorura
alcalina iar strontiul, un alt metal al grupei a II-a se obtine
similar cu calciul. Cu toate ca prin aceste procese electrochimice
se consuma mari cantitati de energie electrica, ele sunt utilizate
pe scara larga intrucat permit obtinerea metalelor pure necesare in
tehnica. Procedeele electrochimice sunt singurele care fac posibila
obtinerea metalelor cu potential de oxidare mare. Obtinerea
aluminiului este un proces tehnologic complex care cuprinde doua
etape distincte: obtinerea aluminei din bauxita si electroliza
oxidului de aluminiu. Obtinerea aluminiului a fost un dar
binevenit. Pana catre sfarsitul secolului al XIX, aluminiul a fost
un metal mai rar. Doar cei foarte bogati isi permiteau sa detina
obiecte din aluminiu. Charles M. Hall, in varsta de 21 de ani,
student la Oberlin, a incercat sa descopere metode ieftine de
obtinere ale acestui metal. Greutatile pe care le-a infruntat au
fost legate de faptul ca aluminiul este foarte reactiv si era greu
sa-l obtina prin reactii chimice obisnuite. Eforturile de a produce
aluminiu prin electroliza au fost neroditoare, deoarece sarurile
sale anhidre erau greu de
preparat, iar oxidul Al2O3, avea un punct de topire > 2000 ,
astfel incat, nu exista nici o metoda practica de a-l topi. In 1886
Hall a descoperit ca oxihul de aluminiu dizolva un mineral numir
criolit, Na3AlF6, rezultand un amestec, cu un punct de topire
relativ mic, din care aluminiul putea fi obtinut prin electroliza.
Diagrama de functionare a acestui proces este redata mai jos.
Bauxita contine Al2O3. Bauxita este purificata, iar Al2O3 este apoi
adaugat electrolitului de topitura de criolit, in care se dizolva
si apoi se disociaza. La catod, ionii de aluminiu se reduc si se
obtine metalul care formeaza un strat sub electrolitul mai putin
dens. La anodul de carbon, ionul oxid este oxidat rezultand O2.
Al3+ + 3e- Al(l) (catod) 2 O2- O2(g) + 4e- (anod) 4 Al3+ + 6 O2- 4
Al(l) + 3 O2(g) Oxigenul produs la anod ataca electrodul de carbon,
producand CO2, astfel electrodul trebuind schimbat frecvent.
6.3 Metoda de purificare a metalelorUna din aplicatiile
electrolizei cu anozi activi (care se consuma in decursul
electrolizei) este electrorafinarea. Aceasta metoda este utilizata
in procesul de obtinere a cuprului de mare puritate si pentru
recuperarea metalelor pretioase. De fapt, rafinarea electrolitica
reprezinta ultima etapa in metalurgia cuprului. Electroliza
cuprului are loc astfel: In baia de electroliza ce contine ca
electrolit o solutie acidulata de CuSO4 se introduc o serie de
placi groase de cupru impur si se leaga de anodul sursei de curent.
Intre placile anodice se intercaleaza placi subtiri de cupru pur,
legate la polul negativ al sursei de curent. In aceste conditii
trec in solutie din placile anodice numai ionii de cupru si ionii
impuritatilor metalice, care se gasesc in seria tensiunilor
electrochimice inaintea cuprului. La catod se descarca numai ionii
de cupru, potentialul de descarcare al celorlalti fiind mai
ridicat, acestia raman in solutie. Celelalte impuritati cu
potentialul mai electropozitiv, aflate in placile anodice de cupru
se acumuleaza prin depunere pe fundul baii de electroliza, formand
asa-numitul namol anodic care constituie la randul sau o sursa
pentru obtinerea acestor elemente.
La anod : Cu Cu2+ + 2eLa catod: Cu2+ + 2e- Cu Reactia totala:
Cu2+ + Cu Cu Cu2+
6.4 Metoda de obtinere a unor substante compuseIn prezent cea
mai mare cantitate din necesarul mondial de hidroxid de sodiu si de
potasiu de obtine prin electroliza solutiilor apoase concentrate de
clorura de sodiu, respectiv de potasiu. Exista doua procedee de a
obtine substante compuse: unul ce se numeste procedeul cu
diafragma, deoarece in industrie spatiul catodic este separat de
spatiul anodic printr-un perete poros denumir diafragma, si unul ce
se numeste procedeul cu catod de mercur, care se foloseste pentru a
avita reactiile secundare. Pe plan mondial se observa utilizarea cu
prioritate a celulelor cu diafragma, pentru a evita poluarea
mediului inconjurator cu mercur. Pentru a obtine NaClO3 Albchem
Industries Ltd. foloseste urmatoarea tehnologie: Din minele de sare
ce se afla la 1800 m adancime este pompata o solutie de NaCl.
Ajunsa in fabrica aceasta solutie este curatata de impuritati si i
se elimina taria. Calciul si magneziul sunt eliminati pentru a
preveni depunerile la catod, rezultand in pierderi electrice.
Solutia astfel pregatita este gata pentru electroliza. Sectia de
electroliza consta in 24 de vase si 72 de celule aranjate in serie.
Cand sunt conectate la tensiune, se formeaza hidrogen gazos.
Hidrogenul misca lichidul formand astfel un circuit intre vas si
celula. NaCl este transformat in NaClO3. Hidrogenul este eliminat
in atmosfera. Ecuatia reactiei este: NaCl + 3H2O NaClO3 + 3H2
Lichidul concentrat continand NaClO3 la o temperatura de 85 C este
turnata intr-un vas unde are loc cristalizarea. Apoi cristalele
sunt spalate din nou si NaClO3 este depozitat fiind gata pentru
livrare.
6.5 Electroplacarea
Consta in aplicarea unui start fin, ornamental si protector al
unui metal pe altul. Este o tehnica comuna utilizata pentru a
imbunatati aparenta si durabilitatea unor obiecte metalice. De
exemplu aur si platina sunt aplicate pe bijuterii fabricate din
materiale ieftine. Grosimea acestor starturi variaza intre 0.03 si
0.05 mm. Compozitia baii de electrolit variaza, si este des tinuta
secret, dar de obicei ea depinde de metalul ce urmeaza a fi
depozitat, si poate afecta durabilitatea si caliatatea suprafetei.
De exemplu, argintul depus dintr-o solutie de nitrat de argint nu
se lipeste prea bine de o suprafata metalica. Daca este depus
dint-o solutie ce contine ioni de Ag(CN)2-, atunci el adera bine si
capata si luciu. Alte metale ce sunt electroplacate in asemenea bai
sunt aurul si cadmiul. Nichelul, ce poate si el fi folosit ca start
protector, este placat dintr-o solutie de sulfat de nichel, iar
cromul este placat dint-o solutie de H2CrO4. Anumiti monomeri
(stiren) sunt usor de folosit pentru a crea anioni organici. Acesti
anioni pot polimeriza intr-un proces numit polimerizare anionica.
Se poate folosi un circuit electric pentru a porni acest proces,
polimerul localizandu-se la catod. Daca este gandit bine procesul,
se poate utiliza la placarea organica a metalui. Acest proces a
fost folosit pentru a vopsi masinile noi, avantajul constand ca el
are loc in apa, nemaifiind nevoie de spray-uri cu solventi organici
volatili.
6.6 Alte aplicatiiElectroliza se mai utilizeaza in instrumente
de masurare ale pH-ului. Aceste instrumente compara pH solutiei cu
cel al electrodului corespunzator. O alta aplicatie este utilizarea
electrolizei la eliminarea parului nedorit de pe corp. Eliminarea
parului are loc prin aplicarea unei tensiuni foarte mici intr-o
solutie de NaCl ce se afla la radacina parului. In urma
electrolizei rezulta NaOH ce arde radacina parului, distrugand
firul. Aceasta tehnica este scumpa cat-de-cat si detine si critici.
Produce durere in functie de zona ce este electrocutata, durerea
putand chiar fi uriasa in cazul unor tensiuni putin prea mari.
Electroliza se mai utilizeaza in industria uleiului comestibil, in
instalatiile de intarire a grasimilor atata animale cat si
vegetale. Orice automobil are nevoie de acumulator. Cele mai
frecvente sunt acumulatoarele de plumb in care se toarna solutie de
acid sulfuric. Acesta are rolul de element galvanic, iar la
incarcarea lui la electrozi are loc electroliza. Electrozii
acumulatorului de plumb reprezinta un grilaj din plumb, umplut
cu oxid de plumb (II). In acumulator se toarna acid sulfuric cu o
concentratie de 3239 % (densitatea 1,241.30 g/cm3). In el are loc
transformarea oxidului de plumb (II) in sulfat de plumb in solutie.
PbO + H2SO4 = PbSO4 + H2O Incarcarea acumulatorului este un proces
de electroliza: C(-) Pb2+ SO42- + 2e (incarcare) Pb0 + SO42-
(reducere) A(+) Pb2+SO42- --2e + 2H2O (incarcare) PbO2 + SO42- +
4H+ (oxidare) La incarcare concentratia acidului sulfuric creste.
La descarcarea acumulatorului are loc procesul invers elementul
galvanic. C(-) Pb0 2e + SO42- (descarcare) PbSO4 (oxidare) A(+)
PbO2 +SO42- + 4H+ + 2e PbSO4 + 2H2O (reducere)
Acidul sulfuric se consuma si se formeaza sulfat de plumb. Dupa
cum se oserva la incarcarea si descarcarea acumulatorului ramine
acelasi semn al electrodului, dar procesele si denumirea lor se
schimba, deoarece anodul este electrolitul la care are loc
oxidarea, iar la catod reducerea.
In electrolizele clasice parametrul controlat este densitatea de
curent exprimata in A/dm patrati deoarece este cel mai usor de
masurat si de mentinut constant. O perioada indelungata densitatea
de curent a fost cea care a caracterizat aproape toate
electrolizele desi Haber a aratat inca din 1898 , in lucrarea sa
celebra asupra reducerii in trepte a nitroderivatilor , ca
potentialul electrodului este parametrul care trebuie controlat .
Realizarea practica electrolizei in tehnica clasica se poate face
in trei moduri: la intensitatea controlata, la tensiune controlata
si la potentialul controlat, dupa cum pe durata electrolizei se
mentine o valoare constanta a tensiunii intre electrodul de lucrul
si contraelectrodul si respectiv a potentialului electrod de lucru.
In electroliza la curent controlat se foloseste un montaj care
consta dintr-un electrod de lucru si un contraelectrod. In
electroliza la tensiune controlata se
foloseste acelasi montaj ca si in electroliza la curent
controlat, Este procedeul cel mai usor de pus in practica, fiind si
cel mai utilizat industrial, deoarece permite desfasurarea
reactiilor pe electrod cu selectivitatea mai buna de cat in cazul
precedent. In electroliza potential controlat, parametrul controlat
este potentialul si el este mentinut la o valoare potrivita, aici
transformarea electrochimica este selectiva. Metoda este cea mai
rationala dar si cea mai complicata de pus in practica. Metoda
electrochimica de sinteza prezinta o trasatura importanta
subliniata si anterior: posibilitatea controlarii activitatii
reactantului prin intermediul potentialului de electrod. Succesul
unei electrolize depinde in mare masura de alegerea corecta a
conditiilor experimentale. O alegere inteligenta a acestora este
rezultatul intelegerii principiilor care controleaza reactia si a
proprietatilor fiecarei parti din echipamentul electrolitic:
celula, electrolizi, solvent, electrolit.
Coroziunea chimicasi electrochimica Coroziunea reprezint
fenomenul de distrugere parial sau total, ntrun anumit timp, a
suprafeelor pieselor, n urma unor aciuni chimice sau/i
electrochimice ale mediilor tehnologice i nconjurtoare. Ca urmare a
acestei solicitri de coroziune au loc modificri ale dimensiunilor,
a masei sau formei corpului, modificri care se intensific n
condiiile micrii relative ntre suprafee. Distrugerea ncepe la
suprafaa pieselor i se propag n masa de material, proces ce poate
duce n timp la degradarea complet a pieselor sau a
subansamblurilor. Materialele metalice utilizate n construcia
utilajelor i instalaiilor din industria alimentar sufer diferite
degradri importante datorit contactului permanent cu mediul agresiv
(oxigen, aer, gaze, medii saline, ageni chimici etc.).
a. Tipuri de coroziune
O clasificare amnunit i grupare a tipurilor de coroziune se
ntlnete n literatura de specialitate [Pa81], [e07]. Dup mecanismul
de desfurare a procesului se deosebesc
urmtoarele tipuri de coroziune: chimic, electrochimic i
biochimic.
Coroziunea chimic apare atunci cnd un metal pur, foarte
curatinteracioneaz chimic cu mediul de lucru. O parte din metal se
transform n produi chimici care sunt ndeprtai de pe suprafa n urma
micrii relative a suprafeelor. Acest tip de coroziune poate s apar
i datorit aciunii gazelor uscate la temperaturi ridicate sau a
soluiilor de neelectrolii asupra metalului acid). n cazul
coroziunii chimice, iniial se formeaz o pelicul de produse ale
coroziunii. Apoi, atacul coroziv depinde de solubilitatea
produselor coroziunii, el ncetnd, dac acesta este solubil n mediu
agresiv. Pelicula format va proteja metalul contra coroziunii
ulterioare dac este aderent la metal, compact, impermeabil,
elastic, rezistent i are acelai coeficient de dilatare ca i
metalul. prin combinarea chimic a metalului cu componenii agresivi
ai mediului (de exemplu, evile de la concentratorul sub vid al
glucozei care este
Coroziunea electrochimic apare atunci cnd dou sau mai
multemetale cu poteniale elctrochimice diferite se afl n contact cu
un electrolit aflat n mediul de lucru. Ca urmare, ntre metalele
disimilare apar diferene de potenial electric care au ca urmare
transport electrochimic ntre piese sau ntre poriuni ale aceleai
piese. O parte din produii transportai sunt eliminai prin
deplasarea relativ dintre suprafee. Coroziunea electrochimic apare
i datorit aciunii atmosferei umede asupra mediului. De exemplu,
ambalajele metalice pentru produsele alimentare sunt supuse mai
ales coroziunii electrochimice datorit aciunii electroliilor
lichizi (soluii apoase de acizi i sruri) i atmosferei umede
(coroziune atmosferic) asupra metalului.
Degradarea biologic a materialelor apare ca urmare a
aciuniiorganismelor vii, materialele de natur organic servind
acestora de hran. Acest tip de degradare apare deosebit de pronunat
la materiale organice i naturale (n special la materiale lemnoase)
dar i la materiale metalice, materiale plastice, materiale de
construcii de natur mineral. Procesul de coroziune este influenat
de coeficientul de stare a
suprafeelor, coeficient ce depinde de rugozitatea suprafeelor,
de tratamentultermic aplicat acestora, de mediul coroziv, de tipul
oelului folosit i de prezena sau absena celorlali concentratori de
tensiune. Coroziunea intervine mult mai puternic n cazul pieselor
solicitate variabil, mrind coeficientul de concentrare a
tensiunilor. Mediile n care se produce coroziune se numesc medii
corozive sau
medii agresive, iar factorii fizici, chimici sau biologici,
capabili s modificeaspectul sau caracteristicile unui material sau
element supus aciunii lor, se numesc ageni de atac. Intensitatea cu
care se manifest aciunea mediilor corosive asupra unui material
definete agresivitatea mediilor respective, materialul afectat de
coroziune se numete material (metal, aliaj) corodat. b. Factori
care influeneaz coroziunea Capacitatea metalelor i aliajelor
metalice de a rezista la distrugerea prin coroziune se numete
rezisten la coroziune i se caracterizeaz prin
viteza i adncimea de coroziune.Intensitatea i distribuia
coroziunii este influenat de o serie de factori care pot fi grupai
astfel: - factori legai de natura i tipul materialului (structur,
compoziie chimic, tratament termic, tensiuni mecanice iniiale
etc.), denumii factori
interni ai coroziunii;
- factori legai de natura, proprietile i compoziia chimic a
mediilor corozive, dar i de condiiile de coroziune (temperatur,
micare, concentraie, pH etc.) denumii factori externi ai
coroziunii. n funcie de aceti factori se deosebesc urmtoarele
tipuri de coroziune: coroziune general de suprafa, uniform sau
neuniform; coroziune n puncte; coroziune difereniat; coroziune de
contact (galvanic); coroziune n gaze; coroziune fisurant sub
tensiune, oboseala la coroziune. n figura 3.1. sunt prezentate
cteva dintre tipurile de coroziune. c. Influena defectelor de
construcie a utilajelor asupra vitezei de coroziune Construciile
defectuoase permit deseori formarea unor focare de coroziune. Cele
mai vulnerabile poriuni sunt asamblrile prin sudur i poriunile de
suprafee care se gsesc ntre asamblrile prin sudur.
Coroziune sub form de pete sau plgi
Coroziune uniform
Coroziune n puncte sau ciupituri (pitting)
Coroziune neuniform
Figura 3.1. Tipuri de coroziune Alte defecte care influeneaz
viteza de coroziune pot fi:
- locurile de mbinare a evilor n flane, seciunile n T din dou
corniere sau seciunile n dublu T cu tlpi late; - prelingerea pe
perei a unui lichid agresiv, la introducerea sa n aparat; - uscarea
lichidelor n crestturi i adncituri; - formarea unui strat inegal de
precipitat pe pereii aparatului duce la apariia unei neomogeniti
electrochimice ale suprafeei; - concentrarea lichidelor agresive n
crpturi i rosturi are ca urmare formarea de focare locale de
coroziune. d. Protecia anticoroziv Aprarea metalelor i aliajelor
mpotriva coroziunii se numete protecie anticoroziv i se refer la
micorarea sau oprirea coroziunii prin creterea rezistenei la
coroziune a materialului metalic sau prin reducerea agresivitii
mediului coroziv. Metodele i mijloacele de protecie anticoroziv se
pot grupa n urmtoarele categorii: - metode de prevenire a
coroziunii; - utilizarea metalelor i aliajelor rezistente la
coroziune (aliaje cu straturi pasivate, de exemplu FeCrNi18-8,
aliaje de titan); - metode de acionare asupra mediului coroziv
(excluderea oxigenului sau a agenilor corozivi, modificarea valorii
pH-ului, adugarea de pasivatori); - metode de acoperire a
suprafeelor metalice (acoperiri organice; cu materiale plastice;
acoperiri metalice cu Zn, Sn, Cr, Ag; oxidare anodic eloxare).
Protecia anticoroziv se poate realiza prin urmtoarele procedee:
pasivare, dezactivare, dezaerare, inhibare, prin intermediul
acoperirilor (straturilor) protectoare, prin anodizare i prin
protecie electrochimic-
catodic sau anodic. Informaii detaliate cu privire la aceste
procedee se afl n literatura de specialitate [Pa81], [Na83].
Alegerea uneia sau alteia dintre metodele de protecie se realizeaz
n funcie de: parametrii tehnologici de funcionare a instalaiei;
forma i dimensiunile obiectului protejat; calitatea materialului
suport, sau al obiectului de protejat; amplasarea obiectului de
protejat n utilaj, instalaie; tehnologia de aplicare i posibilitile
de execuie a proteciei anticorozive. n general, procedeele de
protecie mpotriva coroziunii privesc mai ales coroziunea
electrochimic. Ele constau n vopsire, acoperiri anticorozive sau n
protecie anodic.
1.6. Fabricarea organelor de maini, precizia dimensional i
calitatea suprafeei Fabricarea organelor de maini La realizarea
unei maini i a pieselor sale componente se va ine seama att de
funcionarea, ntreinerea i exploatarea mainii ct i de
caracteristicile materialului utilizat i de tehnologia de fabricaia
adoptat. Numai dac se ia n considerare influena reciproc a acestor
doi factori va rezulta o construcie corespunztoare cerinelor i
economic n acelai timp. Forma pieselor din construcia mainilor i
utilajelor este determinat de solicitrile la care este supus
datorit interaciunii cu piesele nvecinate, este strns legat de
material i tipul de proces tehnologic prin care se obine aceasta.
Aceeai pies poate fi executat prin diferite procedee tehnologice.
Forma optim a pieselor trebuie s fie capabil s asigure o solicitare
ct mai
uniform n toate seciunile ei. Se cunoate c, variaiile brute ale
seciunilor determin concentrarea tensiunilor, ceea ce poate reduce
capacitatea de rezisten a piesei respective. De exemplu,
concentratorii de tensiune devin foarte periculoi n cazul pieselor
din oel aliat supuse la solicitri variabile. Procedeele tehnologice
de obinere a pieselor pot fi grupate astfel: o Turnare: - n forme
de nisip; - n modele uor fuzibile; - n cochilie; - centrifugal; -
sub presiune; - n vid. o Deformare plastic: - la cald: laminare,
forjare, matriare, extruziune; - la rece: tanare, ambutisare,
fasonare, ndoire, extruziune. o Sinterizarea din pulberi: metalice,
metalo-ceramice, polimeri. o Sudare prin: topire, presiune. o
Lipire: tare, moale. o ncleiere o Coasere o Injecie de mase
plastice Prin aceste procedee se obin piese semifabricate.
Ulterior, piesele semifabricate (laminate, turnate, forjate etc.)
se supun urmtoarelor operaii:
o Prelucrri mecanice: strunjire, rabotare, mortezare, frezare,
gurire, alezare, broare, filetare, danturare, rectificare, honuire,
prelucrri chimicomecanice. o Prelucrri neconvenionale:
electroeroziunea, cu laser etc. Sub forma finit, organele de maini
pot fi folosite direct n procesul de montaj al mainii. n funcie de
caracterul produciei i de dotarea ntreprinderii, urmrind n acelai
timp i obinerea efectelor economice maxime, se va alege acel
procedeu de obinere a piesei care satisface cerinele. De exemplu,
piesele turnate necesit modele i de aceea devin rentabile doar n
cazul pieselor de serie mare, afar de faptul cnd complexitatea lor
necesit neaprat procedeul tehnologic de turnare. La asamblarea
pieselor se va ine seama de ordinea normal n asamblare i se vor
evita ajustrile manuale. nainte de asamblare piesele se ung n
scopul uurrii montajului. O alt msur de uurare a asamblrii este de
exemplu, executarea anfrenului (teiturii) din direcia de asamblare,
n cazul pieselor de tip butuc-arbore, Figura 3.2.
Greit
Corect
Figura 3.2. Asamblarea pieselor de tip butuc-arbore
De asemenea, la realizarea asamblrii se ine seama i de
interveniile ulterioare necesare n scopul ntreinerii, reparrii i
eventual a nlocuirii pieselor supuse uzurii.
Precizia dimensional Stabilirea corect a toleranelor pentru
fiecare dimensiune a piesei reprezint o etap esenial pentru
succesul subansamblului, mainii, utilajului, instalaiei. Este
suficient ca o singur toleran s fie aleas greit pentru ca maina s
nu-i poat ndeplini rolul funcional. n general, exist dou posibiliti
de a asigura funcionarea mainii din punct de vedere a preciziei
dimensionale, anume: - alegerea unei precizii foarte ridicate
pentru toate elementele componente, respectiv cmpuri de toleran
mici pentru acestea; - alegerea unei tolerane mai mari, a unei
precizii mai reduse care s nu mpiedice buna funcionare a mainii.
Dac se ine seama c aspectul economic este determinant, n alegerea
soluiei finale se va proceda la alegerea unei precizii ct mai
sczute, respectiv a unor tolerane ct mai mari care s asigure
montajul, funcionarea i interschimbabilitatea pieselor i s nu
perturbeze ndeplinirea funciunii Noiunea de toleran este dat de
diferena dintre dimensiunea limit
maxim i dimensiunea limit minim, astfel:- pentru arbore td =
dmax - dmin - pentru alezaj TD = Dmax - Dmin 3.2 3.1
Dimensiunea exterioar a unei piese de form cilindric sau
paralelipipedic (d - diametru sau l - lungime) se numete
convenional arbore respectiv pan iar dimensiunea interioar (D
diametru sau L lungime) alezaj, respectiv canal. De exemplu, la un
lagr, dimensiunea exterioar a fusului d, aflat n interiorul
ansamblului, se numete arbore iar dimensiunea interioar a
cuzinetului (bucei) D reprezint alezajul; n cazul unei pene montate
ntr-un arbore - organe de maini mrginite de suprafee plane, n
interiorul ansamblului se afl pana a crei dimensiune exterioar este
lungimea l iar n exterior se afl canalul din arbore, cu dimensiunea
interioar de lungime L. n cazul n care dimensiunea efectiv a
organului de main executat este mai mare dect dimensiunea limit
maxim sau mai mic dect dimensiunea limit minim, organul respectiv
nu i va putea ndeplini rolul funcional i va fi considerat
rebut.
Abaterile limit sunt dou abateri prescrise, abaterea superioar
(notatAs respectiv as) i abaterea inferioar (notat Ai respectiv ai)
ntre care poate varia abaterea efectiv a organului de main. -
pentru arbore: 3.3 ai = dmin N - pentru alezaj: 3.4 As = Dmin - N
As = Dmax N as = dmax N
Abaterea efectiv este dat de diferena dintre dimensiunea
efectiv(valoarea numeric care se obine prin msurare) notat cu e,
respectiv E i
dimensiunea nominal notat N (valoare luat ca baz pentru a
caracteriza oanumit dimensiune) a organului de main.
- pentru arbore: 3.5 - pentru alezaj: 3.6
a=eN
A=EN
Pe desene, abaterile se consider fa de linia corespunztoare
dimensiunii nominale, denumit linia zero, Figura 3.3.
as
td
+
ai
As
Ai
TD dmax dmin
Figura 3.3. Dimensiuni i abateri
Tolerana poate fi exprimat i n funcie de abateri limit, astfel:
- pentru arbore: dmax = as + N 3.7 dmin = ai + N - pentru alezaj:
Dmax = As + N Dmin = Ai + N 3.8
Dmin
N
Dmax
n multe cazuri, organele de maini, arbori ct i alezaje sunt
executate n ateliere diferite. Pentru asigurarea asamblrii este
necesar ca aceste organe s fie interschimbabile. De aceea, nainte
de montare, att arborii ct i alezajele sunt supuse unui control n
urma cruia sunt ndeprtate organele de maini ale cror dimensiuni
efective nu corespund toleranelor prescrise. Prin acest control se
asigur att arborilor ct i alezajelor abateri efective cuprinse ntre
abaterea superioar i cea inferioar prescrise de proiectant, fiind
posibil astfel interschimbabilitatea fr o selecionare prealabil sau
fr prelucrri suplimentare la locul asamblrii. Cum asamblarea se va
face la ntmplare, vor rezulta jocuri, respectiv strngeri efective
variabile de la un ansamblu la altul. n funcie de valorile
dimensiunilor efective ale arborelui i alezajului, asamblarea poate
fi mobil (cu joc) i permite deplasarea relativ a pieselor montate,
sau fix (cu strngere).
Ajustajul reprezint raportul n care se gsesc din punct de vedere
aljocului sau al strngerii dou grupe de organe de maini (arbori i
alezaje) care au aceeai dimensiune nominal i sunt n stare montat.
Ajustajele sunt grupate n trei categorii, n funcie de modul n care
sunt aezate cmpul de toleran al arborelui i cel al alezajului, unul
n raport cu cellalt, astfel: ajustaje cu joc, ajustaje cu strngere
i ajustaje intermediare.
n cazul ajustajului cu joc dimensiunea efectiv a alezajului D
este maimare dect dimensiunea efectiv a arborelui d (D > d).
Jocul efectiv D este dat de relaia: J=Dd 3.9
iar valorile maxime i minime ale jocului sunt date de relaiile
3.10, respectiv 3.11.
Jmax = Dmax - dmin 3.10 Jmin = Dmin - dmax] 3.11
La ajustajul cu strngere, alezajul prezint nainte de mbinare
odimensiune efectiv mai mic dect a arborelui (D < d). Strngerea
efectiv S este dat de relaia: S=dD 3.12 iar valorile maxime i
minime ale strngerii sunt date de relaiile 3.13, respectiv 3.14.
Smax = dmax - Dmin 3.13 Smin = dmin - Dmax 3.14
Ajustajul intermediar, Figura 3.4 permite s se realizeze
asamblri att cu jocct i cu strngere deoarece cmpul de tolerane al
alezajului se suprapune parial sau complet peste cmpul de toleran
al arborelui. Suprapunerea parial a celor dou cmpuri poate avea loc
cnd: as < As Figura 3.4. a) i as > As Figura 3.4. b).
Jmax
Jmax
As
as
as Smax Smax
Dmax
N
dmax
Dmin
dmin
a) as < As
b) as > As
dmin
dmax
Figura 3.4. Ajustajul intermediar
Simbolizarea ajustajelor se face prin valoarea nominal urmat de
o fracie n care la numrtor este simbolul cmpului de tolerane ale
alezajului iar la numitor cel al arborelui, de exemplu, 50H7 .
m7
Simbolizarea toleranelor se poate face i prin valori numerice,
de exemplu, 35 0,,025 . Simbolizarea ajustajelor se face numai sub
form de 0 009 liter. Necesitile funcionale ale pieselor n contact
impun caracterul ajustajului i mrimea cmpului de tolerane al
pieselor din componen. De exemplu, un ajustaj prea larg n cazul
unor piese n micare permite deplasri, apar vibraii i se intensific
uzura; un ajustaj prea strns mrete frecarea, fenomen ce duce la
creterea uzurii i a consumului energetic. n cazul unei asamblri
prin strngere (fretare), un ajustaj prea larg nu garanteaz condiii
funcionale iar un ajustaj prea strns poate depi valorile admisibile
ale solicitrilor.
Calitatea suprafeei Calitatea suprafeei este un termen complex i
se refer la caracteristicile suprafeei efective a piesei sub dou
aspecte: fizic i geometric.
Calitatea fizic a suprafeei este dat de o serie de indici
referitori lastarea structural a suprafeei, la duritate, precum i o
serie de indici fizicochimici cu privire la conductibilitatea
electric sau termic, capacitatea de absorbie a lubrifiantului,
interaciunea chimic a suprafeei cu mediul de lucru. Calitatea
geometric a suprafeei se definete prin abaterile piesei reale fa de
suprafaa ideal. Aceste abateri sunt de dou feluri: macrogeometrice
- cnd afecteaz dimensiuni comparabile cu dimensiunile reale ale
piesei i microgeometrice cnd afecteaz dimensiuni reduse. Abaterile
macrogeometrice pot fi abateri de form i abateri de poziie iar
abaterile microgeometrice se refer la ondulaii i rugoziti, abateri
ce apar n urma procesului tehnologic de executare a suprafeei.
Rugozitatea suprafeelor este vizibil sub form de rizuri, striaii,
smulgeri de material, pori, particule nglobate n suprafa etc.
Mrimea rugozitii se va alege n funcie de condiiile de lucru innd
seama c preul prelucrrii crete foarte mult cu scderea
rugozitii.
Materiale utilizate n construcia mainilor i utilajelor din
industria alimentar Materialele utilizate n construcia mainilor i
utilajelor din industria alimentar se aleg n mod special pentru
funcia tehnic pe care o au de ndeplinit i innd seama de consumurile
de material i energie, calitate,
fiabilitate, economicitate, durabilitate, cerine privind
sigurana alimentar i de protecie a mediului ambiant. Alegerea
judicioas a materialelor impune cunoaterea proprietilor care
trebuie ndeplinite de piesele n exploatare. Sigurana n exploatare
poate fi realizat nc de la proiectare, cunoscnd urmtoarele: -
condiiile de lucru n exploatare si anume: rolul funcional, tipul,
caracterul i valoarea solicitrilor mecanice, condiiile de
temperatur i mediu etc. - principalele proprieti n baza crora se va
alege oelul, fonta, lemnul, sticla etc. Respectnd ciclul de via al
produsului, mainii, utilajului, instalaiei sau echipamentului, dup
ndeplinirea funciei lor, produsele tehnice devenite inutile trebuie
s fie depozitate ca deeuri, fie redate prin reciclare procesului de
producie. Criterii de clasificare a materialelor Clasificarea
materialelor utilizate n construcia mainilor, utilajelor i
instalaiilor din industria alimentar are la baz urmtoarele
criterii: a) Tipul i structura, respectiv compoziia chimic; b)
Solicitrile n timpul utilizrii i parametrii acestora; c)
Proprietile, din care rezult comportarea materialelor la diverse
utilizri i solicitri tehnico-funcionale; d) Mecanismele de
deteriorare, prin care au loc modificri ale proprietilor
materialului sau formei acestuia, respectiv ale elementelor
constructive care pot leza funcionarea acestora; e) Tehnicile i
metodele de msur, testare i studiu ale materialelor, elementelor de
construcie i construciilor;
f) Tehnici i metode pentru alegerea materialelor corespunztor
utilizrii acestora, innd seama de ansamblul corespunztor al
cerinelor tehnico-funcionale. innd seama de microstructur i de
tipul dominant al forelor de legtur dintre atomi sau molecule, se
deosebesc principalele grupe de materiale: metale semiconductoare
materiale anorganice sau nemetalice materiale organice materiale
naturale materiale compozite.
O schem sintetic a materialelor utilizate numai pentru
construcia organelor de maini a componentelor mainilor,
instalaiilor i utilajelor specifice industriei alimentare, a
dispozitivelor i aparaturii este prezentat n figura 1.4.Materiale
pentru construcia organelor de maini
Materiale metalice
Materiale nemetalice Materiale plastice Materiale de tip
elastomer Materiale sticloase i ceramice Materiale fibroase
Feroase Fonte Oeluri
Neferoase
Figura 3.4. Clasificarea materialelor utilizate n construcia
organelor de maini
