Задача №3: Трансмутация. Команда: Карбораны

Если поместить медную монету в раствор сульфата цинка, добавить туда цинковых гранул и полученную смесь нагреть, то через какое-то время монета покроется слоем цинка. От каких факторов будет зависеть толщина цинкового покрытия, получаемого таким способом, и почему? Какую максимальную толщину слоя цинка можно получить таким методом? Можно ли аналогичным образом покрыть цинком стальной гвоздь чтобы защитить его от коррозии?
Условие задачи:

Цель: Объяснить наблюдаемое явление оцинкования и выявить факторы от которых оно зависит.
Задачи:
Выявить факторы, влияющие на толщину цинкового покрытия, получаемого таким образом и объяснить, почему они влияют.
Определить максимальную толщину цинкового покрытия, получаемого таким методом.
Определить, можно ли покрыть аналогичным методом стальной гвоздь для защиты его от коррозии.

Ограничения
Покрытие цинком в объяснении процесса будем считать сплошным [1]
Мы покрываем цинком монокристалл меди.
Медная монета = чистая медь
Сталь = чистое железо.
[1]Покрытие - относительно тонкий сплошной слой материала, наносимого с целью предотвращения коррозии, противодействия высокотемпературному воздействию, сопротивления износу для смазки или других целей.
«Металлы и сплавы. Справочник.» Под редакцией Ю.П. Солнцева; НПО "Профессионал", НПО "Мир и семья"; Санкт-Петербург, 2003 г.

Zn2+
Анионn-, (ZnOH)+, H3O+, H2O
Zn2+
Zn
ē
ē
Cu
ē
H2
Причина выделения цинка на меди
Zn0 - 2ē → Zn2+
2H3O+ + 2ē → H2↑ +2 H2O
Zn2+ + 2ē → Zn0↓

ϕ(Zn аморфный) < ϕ(Zn кристаллический)
Вывод: процесс не идет
Zn

Противоречие:

Максимальная толщина ЦИНКОВОГО покрытия равна
0!

Диффузионная модель

Факторы, влияющие на выделение цинка
ϑпроцесса = f(C Zn2+ в р-ре)
ϑпроцесса = f(Т), где Т ϵ [Ткристаллизации; Ткипения р-ра]
Возможность процесса = f(pH)

Практическая часть
Схема установки:
Бюретка
Прибор для измерения pH
PASCO Sensor
PS - 2102

Возможность процесса = f(pH)
Методика опыта

Возможность процесса = f(pH)
Первый эксперимент
Результат: Процесс идет.

Возможность процесса = f(pH)
Второй эксперимент
Результат: Процесс идет.

Возможность процесса = f(pH)
Третий эксперимент
Результат: Процесс идет.

Покрытие меди кадмием
методом, предложенным в задаче
Cd/Cu

Покрытие меди кадмием
методом, предложенным в задаче
Cd/Cu
Результат:

Покрытие меди свинцом
методом, предложенным в задаче
Pb/Cu

Покрытие меди свинцом
методом, предложенным в задаче
Pb/Cu
Результат:
Pb

Цинк на железе не выделяется вообще!
ΔϕFe/Zn < ΔϕCu/Zn
2. Fe0 + H+ (в результате гидролиза соли) →Fe2+ + H2 ↑

Максимальная толщина цинкового покрытия на меди = 0
Максимальная толщина цинкового покрытия на железном гвозде = 0 => таким способом оцинковать невозможно
Выводы

Литература
А.А. Караванова, М.М. Криштал, А.А. Еремичев, И.С. Ясников, В.В. Окулов – Механизм образования слоистой структуры цинкового покрытия при гальваническом цинковании стальных изделий в нестационарном режиме, Вектор науки ТГУ. No 3(13), 2010 – с.4
И. М. Ковенский, В. В. Поветкин Металловедение покрытий: Учебник для вузов / М54 — М.: «СП Интермет Инжиниринг», 1999. - 296 с.
А.А. Попов, С.В. Гриб. Взаимная диффузия в двойных системах: учебно-методическое пособие по выполнению лабораторной работы по дисциплине «Физическое материаловедение» / Екатеринбург: ГОУ ВПО УГТУ–УПИ, 2006. 23 с. П 58
Шрейдер Х. Осаждение окисных слоев из органических растворов. Физика тонких пленок. под ред. Г.Хасса и Р. Туна М.:Мир. 1970.
Э. Ф. Штапенко, В. А. Заблудовский, В. В. Дудкина – Диффузия на границе “пленка–подложка” при электрокристаллизации цинка на медной подложке - Научный журнал: Физика металлов и металловедение, том 116, № 3, с. 1–6, 2015

Покрытие серебра медью
методом, предложенным в задаче
Cu/Ag

Покрытие серебра медью
методом, предложенным в задаче
Результат:
Cu/Ag

2ZnSO4 + 2H2O ↔ (ZnOH)2SO4 + H2SO4
Zn2+ + H2O ↔ ZnOH+ + H+
1 ступень
Zn(OH)2SO4 + H2O ↔ Zn(OH)2↓ + H2SO4
ZnOH+ +H2O ↔ Zn(OH)2↓ + H+
pH<7
H2O ↔ H+ + OH−
Диссоциация
ZnSO4
Происходящие в растворе процессы
Автопротолиз воды
Гидролиз
ZnSO4
2 ступень

Практическая часть

Практическая часть

Практическая часть

Практическая часть

Практическая часть
Результаты
Начальный pH=2,7
После добавления кислоты до pH=1,4
После добавления щелочи до pH=10,3
Цинковое покрытие исчезает при следующем pH:

Диффузионная модель
ДИФФУЗИЯ НА ГРАНИЦЕ “ПЛЕНКА–ПОДЛОЖКА” ПРИ ЭЛЕКТРОКРИСТАЛЛИЗАЦИИ ЦИНКА НА МЕДНОЙ ПОДЛОЖКЕ Э. Ф. Штапенко, В. А. Заблудовский, В. В. Дудкина
D = 1.75 × 10-15м2/с

…
100%
99%
98%
2%
1%
0%
Zn
S=1м2
Da(Zn) = 2,84×10-10 м
Da(Cu) = 2,90×10-10 м
Da(Zn) ≈ D(Cu) ≈ 2,84×10-10 м