научная статья по теме ВОЛЬТАМПЕРОМЕТРИЯ СЕЛЕКТИВНОГО РАСТВОРЕНИЯ AG,AU-СПЛАВОВ В УСЛОВИЯХ ТВЕРДОФАЗНО-ЖИДКОФАЗНОГО МАССОПЕРЕНОСА Химия

Текст научной статьи на тему «ВОЛЬТАМПЕРОМЕТРИЯ СЕЛЕКТИВНОГО РАСТВОРЕНИЯ AG,AU-СПЛАВОВ В УСЛОВИЯХ ТВЕРДОФАЗНО-ЖИДКОФАЗНОГО МАССОПЕРЕНОСА»

ФИЗИКОХИМИЯ ПОВЕРХНОСТИ И ЗАЩИТА МАТЕРИАЛОВ, 2013, том 49, № 6, с. 661-670

ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ ПРОБЛЕМЫ ЗАЩИТЫ МАТЕРИАЛОВ

УДК 541.135.5:138.2

ВОЛЬТАМПЕРОМЕТРИЯ СЕЛЕКТИВНОГО РАСТВОРЕНИЯ Ag,Au-СПЛАВОВ В УСЛОВИЯХ ТВЕРДОФАЗНО-ЖИДКОФАЗНОГО

МАССОПЕРЕНОСА

© 2013 г. О. А. Козадеров, А. В. Введенский

Воронежский государственный университет 394006, Россия, Воронеж, Университетская пл., 1

e-mail: ok@chem.vsu.ru Поступила в редакцию 23.10.2012 г.

Решена задача анодного, кинетически обратимого селективного растворения гомогенного металлического А,В-сплава при сопоставимых скоростях массопереноса ионов растворяющегося металла (в жидкой фазе) и атомов A (в твердой фазе) и найдены условия реализации сугубо твердофазного диффузионного транспорта при потенциодинамической ионизации. Сопоставлением результатов численного моделирования вольтамперометрического процесса с экспериментальными данными по селективному растворению Ag,Au-сплавов установлено, что реализации сугубо твердофазного диффузионного режима перехода Ag в раствор способствует увеличение ионной концентрации серебра, снижение скорости сканирования анодного потенциала, а также уменьшение атомной доли серебра в сплаве.

Б01: 10.7868/80044185613060090

ВВЕДЕНИЕ

Селективное растворение (СР) гомогенных металлических сплавных А,В-систем (твердые растворы, интерметаллиды) при анодной поляризации, как и их избирательная коррозия в агрессивных средах, обусловлены ионизацией и переходом в раствор электролита только электроотрицательного компонента А. Процесс приводит к постепенному обогащению поверхностного слоя твердой фазы электрохимически стабильным металлом В и его насыщению вакансиями, концентрация которых существенно превышает равновесную [1—4]. Очевидно, при замедленном отводе ионов растворяющегося компонента в глубь жидкой фазы вблизи границы раздела возникает градиент ионной концентрации. В итоге в обеих фазах формируются сопряженные диффузионные зоны, и при достаточно высоких токах обмена разряда/ионизации контроль СР быстро переходит к стадии мас-сопереноса.

Нестационарность массопотоков в сплаве и растворе обуславливает использование релаксационных электрохимических методов [5] для изучения диффузионной кинетики избирательного анодного или коррозионного растворения. Действительно, линеаризация экспериментальных хронограмм в соответствующих критериальных координатах позволяет сделать вывод о локализации контролирующего массопереноса и временном интервале, в котором процесс СР лимитируется диффузией в сплаве или растворе. Кроме то-

го, по наклону линейного участка нестационарной кинетической кривой нетрудно рассчитать численные значения параметров формирующейся диффузионной зоны, например, коэффициента диффузии Б.

В то же время применение базовых уравнений электрохимических хроно-методов (хроноампе-ро-, хронопотенцио- и хроновольтамперомет-рии), полученных решением простейших задач нестационарной линейной полубесконечной диффузии, не позволяет учесть специфики кинетической ситуации, реализуемой в ходе СР гомогенного сплава. Так, хорошо известные уравнения диффузионной кинетики Коттреля, Санда и Рендлса-Шевчика [5] найдены в предположении, что контролирующая стадия массопереноса локализована в одной из граничащих фаз (сплаве или растворе), а также не принимают во внимание целый ряд особенностей селективного растворения: исходную шероховатость электрода, смещение межфазной границы, твердофазную сегрегацию компонентов сплава и релаксацию неравновесной вакансион-ной подсистемы. Учет этих факторов процесса наряду с возможностью реализации сопряженного твердофазно-жидкофазного транспорта осуществлен в рамках модифицированных диффузионных задач пока лишь для потенцио- и гальваностатического СР [1, 4, 6, 7].

В то же время теоретическая база потенциоди-намического метода, в отличие от хроноамперо- и хронопотенциометрии, в приложении к процес-

8

661

сам избирательного травления гомогенных сплавных систем развита далеко не в полной мере, а потому при установлении кинетических особенностей анодного селективного растворения мощный инструмент вольтамперометрии с линейной разверткой потенциала практически не используется.

Ранее получено [8] аналитическое решение нестационарной двумерной задачи твердофазной диффузии при анодном селективном растворении сплава в потенциодинамическом режиме поляризации, которое учитывает шероховатость поверхности электрода и равновесную твердофазную адсорбцию компонентов. Показано, что вне зависимости от формы микронеровностей и характера их распределения по поверхности, микрошероховатость электрода приводит к дополнительному росту тока на I, п(0-кривых диффузи-онно-контролируемого процесса СР. Однако зависимость тока 1макс, регистрируемого в момент ?макс достижения пика хроновольтамперограммы, от квадратного корня из скорости сканирования потенциала V1/2 в общем случае является нелинейной, спрямляясь лишь в случаях, когда ?макс < 1Х и ?макс > Характеристичные времена и отвечающие границам зоны появления искажений на критериальной 1макс, v1/2-зависимости, определяются соотношением между фактором шероховато-сти/п коэффициентом диффузии, средним расстоянием между микронеровностями X и скоростью сканирования потенциала. В [8] применительно к Л§,Ли-силавам показано, в частности, что низкие значения D обеспечивают настолько малое смещение диффузионного фронта в твердой фазе за время получения I, п(0-зависимостей, что он фактически повторяет микрорельеф электродной поверхности, а потому ток в максимуме хроновольтампе-рограммы прямо пропорционален 1макс ~/г В то же время четкие критерии реализации сугубо твердофазного диффузионного режима СР, когда массо-перенос в сплаве не осложнен жидкофазной диффузией ионов в растворе, отсутствуют, что существенно ограничивает применимость результатов теоретического моделирования, полученных в [8].

Задачи работы:

— решить задачу сопряженного твердофазно-жидкофазного диффузионного транспорта при СР гомогенного А,В-сплава в потенциодинами-ческих условиях анодной поляризации;

— базируясь на выводах теоретического анализа, вольтамперометрическим методом установить кинетические особенности избирательного растворения серебра из Л§,Ли-сплавов в кислой нитратной среде, где его ионизация осуществляется квазиравновесно и сопровождается массоперено-сом атомов Л§ в сплаве и ионов Л§+ — в растворе.

Выбор электродной системы Л§—Ли не случаен. Золото электрохимически очень устойчиво,

поэтому анодное растворение Л§,Ли-сплава в кислых нитратных средах является истинно селективным и не сопровождается ионизацией Ли. При не слишком высоких анодных потенциалах процесс не осложнен соле- и оксидообразовани-ем. В присутствии ионов Л§+ ток обмена стадии ионизации серебра весьма высок [9—11], что позволяет считать ее квазиравновесной и при анодной поляризации. Если скорость сканирования потенциала невелика, вкладом тока заряжения ДЭС в общий ток можно пренебречь.

ТЕОРЕТИЧЕСКИМ АНАЛИЗ

Предположим, что кинетически обратимая ионизация электроотрицательного компонента А из бинарного гомогенного А,В-сплава сопровождается диффузионным массопереносом его атомов из объема твердой фазы к плоской, идеально гладкой межфазной границе сплав/раствор, который осуществляется, как и отвод ионов Л2+ в глубь жидкой фазы, путем линейной полубесконечной диффузии. Схематично такой процесс можно представить следующим образом:

А ( ОбъеМ ) твердо фазная у

\сплава/ диффузия

A (п оверхностныи) _ \ слоИсплава _

жидкофазная диффузия

^ > a? + (приповерхностный) _ \ слоИ раствора /

_ A + ( объем )

ураствора/'

Примем, что смещением межфазноИ границы в результате избирательного вытравливания электроотрицательного металла из сплава можно пренебречь, а концентрация вакансии, определяющих значение диффузионной подвижности атомов в сплаве, не меняется во времени. В таком случае можно положить коэффициенты твердофазной и жидкофазной диффузии DA = const и DaZ+ = const. Пространственно-временной концентрационный профиль атомов А в сплаве cA(x; t) и ионов в растворе cAz + (x; t) описывается системой дифференциальных уравнений нестационарного диффузионного массопереноса:

dca (х; t) _ d д2ca (х; t)

dt

A дх х

dCA? + (Х; t) = D д CA? + (X; t)

dt

"Az+ я 2

дх

(1)

(2)

Согласно начальному и первому граничному условиям

CA (Х; t)|t =0 = CA^

-ZAe

с +

( * ') * =

.(х * )1

с .2 + (х; *)|

А V /|л

: С .г +, А

: С .2+ А

(4)

(5)

(6)

А

СА

Мх=0 = СА2+ ехр (^ V*).

(X; *)1 0 СА \ЯТ )

(7)

Б

дсА (х; *)

дх

_-Б,

дсг + (х; *)

с=0

дх

с=0

_ ш.

1лЩ

(8)

СА (х ;*) = СА

сА+БА

1 А А

1/2 г (

1+ Б ■*+ 1АГ V

СаБа

1/2 ДТ

сА+Б 1 + А А

1 /2

1 /2 саба у

* ехр (ДТ „т| erfc

■2БАА/2(* - т)1/2-

й т

С Б1/2 1 + Са-+ а+ ехр (1а- Vт

. слБТ КдТ

(9)

с.г+(х ;*) = сл

концентрации диффузантов в начальный момент времени, а также при значительном удалении от межфазной границы принимают соответствующие объемные значения сА и сА1+. Второе граничное условие связывает поверхностные концентрации диффузантов в граничащих фазах и с учетом обратимости стадии переноса заряда представляет собой уравнение Нернста:

1+

1л-V

ДТ

1 +

С б1/2л СА+ БАг+

г>1/2

СлБЛ у

ехр

( ДТ

vт erfc

■2БА/2(* - т)1/2-

й т

1+

С Б1/2

У Б> с СлБУ2

( ДТ

(10)

>(х *)1х=0

Здесь V* = п — перенапряжение процесса. Полагали, что коэффициенты активности диффузантов при поляризации и в обесточенном состоянии близки, а потому активности аАг+ и аА могут быть заменены концентрациями.

Условие непрерывности массопотока на электродной поверхности раздела с геометрической площадью S„

Зависимость тока от перенапряжения, т.е. уравнение вольтамперограммы получили, используя условие (8) непрерывности массопотока на границе раздела сплав/раствор:

1л (п) =

3/2

ДТ

-СаБА V

1 /2 1 /2

1 /2

х &

1+

СА+ БА'+

сБ

1/2

1/2

ГБл*+ 1

1 /2 1 /2 слБЛ п

1А-—п

ДТ

аба у саба ^А-„Л/1А-

(11)

I

ехр „т й „т (ДТ у (дт

принимали во внимание с учетом того, что сила внешнего анодного тока 1(ц) при избирательном растворении А,В-сплава совпадает с током ионизации электроотрицательного компонента.

Решая с

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком