Рисунок 1. Катодная (і) и анодная (2) поляризационные кривые
При сопротивлении же элемента не бесконечно малом, а равном какой-то определенной величине R, сила тока будет выражаться ординатами точек В и B1на обеих кривых, расстояние между которыми – отрезок А – равно падению напряжения на омическом сопротивлении (К). Поскольку катодный и анодный процессы взаимно связаны. – Т.е. их скорости равны, то точки В и B1на катодной и анодной кривых должны иметь одинаковые ординаты. Чем больше омическое сопротивление между катодными и анодными участками, тем больше будет величина отрезка А1между катодной и анодной кривыми. – Т.е. тем меньше будет сила тока, или, иначе говоря, скорость процесса.
В том случае, когда цементация производится при помощи амальгам, величиной омического сопротивления при практических расчетах можно пренебречь, поскольку катодный и анодный процессы протекают на участках поверхности амальгамы, находящихся в непосредственной Близости друг от друга. При такой предпосылке сила тока будет определяться ординатой точки пересечения обеих поляризационных кривых. Абсцисса же этой точки будет определять потенциал амальгамы в процессе цементации, и изменение потенциала амальгамы в процессе цементации будет соответствовать перемещению этой точки.
Рассмотрим применение изложенных выше представлений для установления зависимости скорости процесса цементации от различных факторов.
Зависимость скорости цементации от природы цементирующего металла
На рисунке 2 схематически показаны поляризационные кривые для катодного выделения металла (кривая 1) и для анодного окисления амальгам двух металлов, обладающих различными потенциалами (кривые 2 и 3). Ход этих кривых определяется природой металлов, природой электролитов и зависит также от ряда других факторов, в частности от температуры, скорости перемешивания, концентрации металла в амальгаме и концентрации ионов металла в растворе. Из рисунка 2 видно, что скорость цементации при данном ходе поляризационных кривых будет выше при цементации амальгамой более электроотрицательного металла. Соотношение скоростей будет выражаться соотношением ординат точек О1 и О2. Однако по мере цементации концентрация ионов цементируемого металла в растворе будет уменьшаться, и это можөт вызвать изменение хода поляризационной кривой. При малой концентрации может наступить явление так называемого предельного тока, и поляризационная кривая примет вид, показанный на рисунке 3 (кривая 1). Как видно из рисунка, в этом случае скорость цементации становится уже не зависящей от природы выбранных нами цементирующих металлов. Однако если взять третий металл (кривая 2), более положительный, нежели два предыдущих, то при данной концентрации ионов цементируемого металла для него скорость цементации будет меньше, чем для двух предыдущих металлов (сравните ординаты точек О1, О2 и О3). При дальнейшем уменьшении концентрации цементируемого металла скорость станет равной для всех трех металлов (кривая 5).
Рисунок 2. Поляризационные кривые при цементации металла двумя различными амальгамами
Рисунок 3. Изменение скорости цементации при изменении концентрации цементируемого металла
Зависимость скорости цементации от природы цементируемого металла
Рассмотрим вначале случай цементации одной и той же амальгамой двух различных металлов не из одного, а из двух различных растворов. На рисунке 4 кривая 1 представляет со6ой поляризационную кривую металла А, 2 – металла Б, 3 – поляризационная кривая для анодного растворения металла амальгамы. Из рисунка видно, что скорость цементации более электроотрицательного металла А меньше скорости цементации металла Б, более электроположительного. Соотношение скоростей выражается соотношением ординат точек О1 и О2. Если же более электроположительный металл присутствует в малых количествах и ход его поляризационной кривой таков, как на кривой4, то и в этом случае скорость цементации более электроположительного металла оказывается меньше, чем скорость цементации более электроотрицательного металла, присутствующего в Больших количествах. Если же оба металла присутствуют в одном и том же растворе, то при малых концентрациях этих металлов поляризационная кривая (кривая 1, рис. 5) будет иметь вид обычной полярографической кривой для двух металлов.
Рисунок 4. Цементация двух металлов из двух раздельных растворов
Рисунок 5. Цементация двух металлов, находящихся в одном и том же растворе
В этом случае, если цементация будет проводиться амальгамой металла, поляризационная кривая которого представлена кривой 2, то сначала будет проходить цементация более электроположительного металла, и лишь когда его концентрация уменьшится и поляризационная кривая для катодного процесса примет вид кривой 3, тогда одновременно начнет цементироваться и второй металл. Соотношение скоростей цементации первого и второго металлов будет пропорционально величине отрезков В1 и В2.
Если же для цементации будет применена амальгама более отрицательного металла, характеризующегося анодной поляризационной кривой 4, то, как видно из рисунка, с самого начала будет проходить цементация обоих металлов. В том случае, когда концентрация более положительного металла весьма велика (кривая 5), обе амальгамы будут цементировать лишь более электроположительный металл.
Зависимость скорости цементации от конкурирующих процессов – выделения водорода и восстановления растворенного кислорода
Это можно рассматривать как частный случай предыдущего: наличие растворенного кислорода вызывает появление соответствующих двух кислородных волн. Так как кислородные волны располагаются в области потенциалов более положительных, нежели волны многих металлов, восстановление растворенного кислорода обычно всегда сопровождает процесс цементации. Что же касается выделения водорода, то поскольку поляризационная кривая для водорода на ртути (и амальгамах) лежит в области сильно отрицательных потенциалов, выделение водорода будет наблюдаться лишь в случае применения амальгам весьма электроотрицательных металлов.
Зависимость скорости цементации от температуры, скорости перемешивания и концентрации цементирующего металла в амальгаме
При повышении температуры, а также при увеличении скорости перемешивания ход поляризационных кривых (как катодных, так и анодных) становится более крутым. Поэтому точки пересечения катодных и анодных кривых будут иметь большие значения ординат. – Т.е. процесс будет проходить с большей скоростью (при расчете на единицу поверхности амальгамы).
Что же касается влияния концентрации растворенных в ртути металлов, то оно сравнительно невелико. Однако при малых концентрациях металла в амальгаме наблюдаются явления предельного тока и для анодного процесса. Это обстоятельство соответствующим образом отразится на положении точки пересечения поляризационных кривых.
Изложенные нами основные положения теории цементации амальгамами могут быть распространены и на случай цементации твердыми металлами. Однако количественные расчеты трудно осуществимы из-за непрерывного изменения величины поверхности катода и анода. При попытке произвести расчет скорости процесса цементации в этом случае нельзя пренебрегать величиной омического сопротивления микроэлементов. Кроме того, следует помнить, что плотность тока при катодном и анодном процессах, как правило, не будет одинаковой, так как площадки катода и анода не равны друг другу. Сила тока, проходящего через катод и анод, будет, конечно, одной и той же.
Увеличение электропроводности раствора приведет к уменьшению потери напряжения на преодоление омического сопротивления (та потеря на рисунке 1 выражается величиной отрезка А). Соответственно с этим должна увеличиться сила тока местных элементов. Однако увеличение электропроводности путем повышения концентрации ионов водорода может привести к конкуренции этих ионов с ионами цементируемого металла. Кроме того, нужно помнить, что изменяя электропроводность путем добавления кислот или различных солей, соответствующим образом можно изменить и ход поляризационных кривых. В связи с этим увеличение электропроводности иногда может вызвать не увеличение, а уменьшение скорости цементации.
При использовании поляризационных кривых для решения практических вопросов технической электрохимии и электролиза следует иметь в виду, что ход кривых может измениться в результате взаимодействия металлов, находящихся в амальгаме. Особенно ярко это взаимодействие может быть проиллюстрировано на примере медно-цинковых амальгам, в которых происходит образование интерметаллического соединения CuZn [4]. Взаимодействие металлов в сложных амальгамах обнаружено нами и в ряде других случаев (например, между сурьмой и цинком, сурьмой и натрием, никелем и цинком, кобальтом и цинком и др.) и является предметом систематического изучения нашими сотрудниками А.И. Зебревой, Г.Н. Бабкиным, В.М. Илющенко, Е.Ф. Сперанской и др.
