Сколько граммов меди осядет на детали за час при токе 10 А? Пропускай ток через ванну, выбирай меднение, цинкование, хромирование или электролиз воды и смотри, как растет слой металла.
В растворе соли металл существует в виде ионов, например Cu²⁺: атомов меди, у которых не хватает двух электронов. Если опустить в раствор две пластины и подключить к ним источник тока, ионы металла поплывут к минусу, к катоду. Там они получают недостающие электроны и становятся обычным металлом, слой за слоем. Так деталь покрывают медью, цинком, никелем или хромом.
Главное наблюдение Фарадея очень простое: масса металла зависит только от того, сколько электронов прошло через ванну. Вдвое больше ток или вдвое дольше время, и металла вдвое больше. Поэтому толщину покрытия можно рассчитать заранее, по току, времени и площади детали.
ⓘ Любой процесс в опыте длится 5 секунд, независимо от выбранного времени. Шкалы тока, времени и площади логарифмические.
Расчет идет в три шага: заряд, масса, толщина. Числа под формулами берутся из опыта, карточка, которая сейчас дает главный ответ, подсвечена.
Сколько электронов прошло
Заряд равен току, умноженному на время в секундах. Разделив заряд на постоянную Фарадея, получаем число молей электронов.
Закон Фарадея: сколько вещества
Масса вещества пропорциональна заряду и молярной массе и обратно пропорциональна числу электронов на один ион.
Какой толщины покрытие
Масса металла размазана по площади детали ровным слоем. Делим массу на плотность, получаем объем, делим объем на площадь.
F = NA · e = 6,022 · 10²³ · 1,602 · 10⁻¹⁹ = 96 485 Кл/моль
Каждый электрон несет заряд e. Моль электронов это NA штук, значит, его заряд равен их произведению. Этот заряд, около 26,8 А·ч, превращает в металл один моль однозарядных ионов, половину моля ионов Cu²⁺ (31,8 г меди) или треть моля ионов Al³⁺ (9 г алюминия).
При электролизе воды на катоде каждая молекула водорода забирает 2 электрона, а на аноде каждая молекула кислорода отдает 4. Через провод проходит одно и то же число электронов, поэтому молекул водорода получается вдвое больше. Газы при одинаковых условиях занимают объем пропорционально числу молекул, и объемы выходят точно 2 : 1. По этому соотношению видно, что формула воды H₂O.
Штоки экскаваторов и погрузчиков покрывают твердым хромом толщиной 20…50 мкм. Он не ржавеет и не царапается о грязь, поэтому уплотнения служат долго. При ремонте изношенный шток шлифуют и хромируют заново.
Болты, гайки, пластины и кронштейны гальванически цинкуют слоем 8…20 мкм. Цинк защищает сталь даже там, где покрытие поцарапано, потому что ржавеет первым вместо нее.
Изношенные шейки валов, посадочные места подшипников и гильзы наращивают электролитическим железом или хромом. Толщину заранее считают по закону Фарадея и потом шлифуют в размер.
Медь для проводов и обмоток очищают электролизом до 99,99%. Из шлама под анодами извлекают золото, серебро и другие ценные металлы, которые были в руде.
Алюминий получают только электролизом расплава при 950 °C, около 13…15 кВт·ч на каждый килограмм. Электролизом получают и большую часть цинка, хлор и едкий натр.
Электролизеры дают чистый водород для охлаждения генераторов электростанций, для химии и как топливо. На 1 м³ водорода уходит около 4,5…5 кВт·ч электроэнергии.
Ток постоянный, весь заряд проходит через ванну. Выход по току взят средний для каждой ванны и не зависит от тока, хотя в жизни при слишком большой плотности тока он падает. Слой считается равномерным по всей детали; на деле на кромках и углах он толще, а в отверстиях тоньше. Напряжение на ванне задано типичным для процесса, по нему считается затраченная энергия. Объем газов дан при 20 °C и нормальном давлении (24 л на моль). Для алюминия плотность в таблице дана для расплава, но толщину слоя опыт не считает. Время процесса в опыте ускорено, шкалы логарифмические.