Экспериментальная часть.

ИССЛЕДОВАНИЕ КИНЕТИКИ АНОДНОГО РАСТВОРЕНИЯ КАДМИЯ

Ионизация атомов кадмия и разряд его гидратированных ионов или сульфатных комплексов протекают на кадмиевом электроде с большой скоростью. Поэтому скорость анодного растворения кадмия (или его амальгамы) в сульфатных и других сходных электролитах определяется скоростью процесса диффузии ионов кадмия от поверхности электрода в толщу раствора и зависит от гидродинамических условий и концентрации ионов кадмия в растворе. Связь между скоростью анодного растворения кадмия и потенциалом кадмиевого электрода в растворе, не содержащем ионов кадмия, описывается уравнением [13], а в растворе с добавкой ионов кадмия уравнением [12].

Содержание работы

Снятие и анализ стационарных анодных поляризационных кривых на кадмиевом электроде в растворе 0,5М Н₂SО₄ и в том же растворе с добавкой 0,005М СdSО₄ в не перемешиваемом электролите, т.е. в условиях естественной конвекции.

Методика измерений

Исследования проводят в трех электродной электрохимической ячейке. В качестве рабочего кадмиевого электрода используют цилиндрический стержень из металлического кадмия, герметично укрепленный в стеклянной трубке. Площадь поверхности кадмиевого электрода составляет ~ 1,2см² (диаметр стержня ~ 3мм, высота ~ 10мм). Кадмиевый электрод можно приготовить и электроосаждением металлического кадмия на впаянную в стекло платиновую проволоку из раствора сульфата кадмия (например, 1M CdSO₄ + 1M H₂SO₄).

Потенциал исследуемого кадмиевого электрода измеряют относительно потенциала ртутного сульфатно-закисного электрода в 0,5М H₂SO₄. Последний соединяют с исследуемым раствором с помощью электролитического ключа, тонкий носик которого должен быть подведен непосредственно к поверхности кадмиевого электрода для уменьшения омического скачка потенциала в растворе. В качестве катода используют второй кадмиевый электрод.

Растворы, необходимые для работы: 1) 0,5М H₂SO₄, 2) 0,5M CdSO₄.

Порядок работы

Измерения проводят на потенциостате-гальваностате IPC-ProM с программным управлением. Запускают управляющую программу на компьютере.

1. В ячейку заливают 100 мл 0,5М раствора H₂SO₄. Этим же раствором заполняют электролитический ключ и устанавливают в ячейку электроды и электролитический ключ. Подсоединяют электроды к потенциостату-гальваностату IPC-ProM и измеряют стационарный потенциал саморастворения кадмия (при отсутствии тока) - Е_сам.

В режиме «Программатор» устанавливают программу снятия стационарных поляризационных кривых в импульсном гальваностатическом режиме Cd(1).

Начальное значение тока – 4мА; интервалы импульсов изменения тока:

1-ый шаг -4 – 4,5мА; 2-ой шаг – 5,0 – 5,5мА; 3-й шаг – 6,0 – 6,5мА; 4-й шаг – 7,0 – 8,0мА. Время продолжительности импульсов на всех шагах – 20с; частота опроса – 2000мс; чувствительность по току - 1А; число циклов – 1.

Запись кривых проводят в координатах E – t..

В не перемешиваемом электролите проводят съемку первой стационарной анодной поляризационной кривой и сохраняют результаты измерений. Перемешивают раствор механической мешалкой и ждут установления стационарного потенциала саморастворения электрода. Аналогичным образом снимают еще две стационарные анодные поляризационные кривые. Полученные данные для трех кривых переносят для обработки в программу «Origin».

2. В ячейку добавляют 1мл 0,5М раствора CdSO₄, чтобы получить раствор 5.10^{-3 M} CdSO₄ + 0,5M H₂SO₄. Перемешивают раствор механической мешалкой и измеряют стационарный потенциал кадмиевого электрода при отсутствии тока (Е₀).

В режиме «Программатор» устанавливают программу снятия стационарных поляризационных кривых в импульсном режиме Cd(2).

Начальное значение тока – 5мА; интервалы импульсов изменения тока:

1-ый шаг -5 – 6мА; 2-ой шаг – 8 – 10мА; 3-й шаг – 15 – 20мА; 4-й шаг – 25 – 30мА. Время продолжительности импульсов на всех шагах – 20с; частота опроса – 1000мс; чувствительность по току - 1А; число циклов – 1.

Запись кривых проводят в координатах E - t.

Аналогично первой части работы в не перемешиваемом электролите проводят съемку трех стационарных поляризационных кривых, и полученные данные переносят в программу «Origin».

Обработка результатов

1. Поляризационные кривые, полученные при анодном растворении кадмия в 0,5М растворе H₂SO₄, строят в координатах E – lgi. Определяют наклон линейного участка зависимости “b” и делают заключение о природе медленной стадии электродного процесса при анодном растворении кадмия.

По величине Е_сам - стационарного потенциала само растворяющегося кадмиевого электрода определяют скорость диффузии ионов кадмия в раствор при отсутствии внешней поляризации, т.е. скорость саморастворения кадмия. Для этого на экстраполированном участке прямой Е, lg i находят плотность тока, которая отвечает стационарному потенциалу само растворяющегося кадмия. Это и будет скорость саморастворения i_сам.

2. При анодном растворении кадмия в растворе серной кислоты с добавкой CdSO₄ (раствор 5.10^{-3 M} CdSO₄ + 0,5M H₂SO₄) зависимость между E и i описывается уравнением (12), которое удобно записать в виде

, (14)

где E^0/ - формальный потенциал системы. Последний можно рассчитать с использованием значения стационарного практически равновесного потенциала кадмиевого электрода (Е₀), измеренного в растворе 5.10^{-3 M} CdSO₄ + 0,5M H₂SO₄ при отсутствии поляризующего тока (i=0)по уравнению

,. (15)

где [Cd²⁺]₀ = 5.10^-3 моль/л, а значение RT/2F = 12 мВ (25⁰С).

Зависимость E – i, полученную с раствором 5.10^{-3 M} CdSO₄ + 0,5M H₂SO₄, строят на графике в координатах (где E и E^0/ выражены в милливольтах, а i в А/см²). Из наклона линейного участка такой зависимости в соответствии с уравнением (14) рассчитывают коэффициент К.

С использованием полученного значения коэффициента К в соответствии с уравнением [12] строят график зависимости в координатах Е - lg([Cd²⁺]_o + i/K). Определяют угловой коэффициент прямолинейного участка полученной зависимости и сопоставляют его с теоретическим значением b=2,3RT/zF.

Для отчета строят следующие графики

1. экспериментальная кривая Е-t, (один любой график)

2. расчет b_k для чистой кислоты (один любой, но указать все рассчитанные b_k)

3. расчет К для раствора к-та+ добавка Cd (один любой)

4. расчет b_k для раствора к-та+ добавка Cd ((один любой, но указать все рассчитанные b_k)

Обязательно подписать все оси на графиках!! Перенести графики в word, поместив по 2 графика на лист.