Тех.ғ.к, доцент Сарбаева Г.Т., х.ғ.к. Сарбаева K.Т.,

х.ғ.д., профессор Баешов А.Б., Сарбаева М.Т.

Қ.А.Ясауи атындағы Халықаралық қазақ-түрік университеті, Казахстан

АЗОТ ҚЫШҚЫЛЫ ЕРІТІНДІСІНДЕ АЙНЫМАЛЫ ТОКПЕН ПОЛЯРИЗАЦИЯЛАНҒАН ТИТАН ЭЛЕКТРОДЫНЫҢ ЕРУІ

Бұл жұмыста алғаш рет титан электродтарының азот қышқылы ерітіндісінде жиілігі 50 Гц өндірістік синусоидалы айнымалы үш фазалы ток кезіндегі электрохимиялық еритіндігі көрсетілді. Бұл кезде оның қарқынды түрде еріп титан (ІІІ) нитратының түзілетіні анықталды. Электролиз нәтижелері, басқа қашқыл орталарда жүргізілген зерттеу жұмыстарының нәтижелерімен салыстырылды.

Титан электродтарының үш фазалы айнымалы ток кезіндегі электрохимиялық еруі бірқатар электрохимиялық параметрлерге (айнымалы ток тығыздығы, электролит концентрациясы, электролиз ұзақтығы, электролит температурасы) әсері зерттелінді. Тәжірибелер сиымдылығы 300-400 мл электролизерде, ерітіндіні араластырусыз жүргізілді. Электролит ретінде азот қышқылының ерітіндісі қолданылды. Электродтар – 99,68% титан пластиналарынан дайындалды. Үш фазалы ток күші арнаулы ток көзінен алынды. Титан электродтарының салмақтарының өзгеруіне және ерітіндідегі титан иондары концентрациясының мөлшеріне қарап, Ті (ІІІ) иондарының ток бойынша шығымы есептелінді.

Титан электродтарының азот қышқылының сулы ерітіндісінде үш фазалы айнымалы токпен поляризациялағанда, титан (ІІІ) нитратының Ti(NO₃)₃ түзілгенін, ерітінді түсінің күлгін түске боялуынан да байқауға болады.

Айнымалы токпен поляризациялағанда титан тотығып, ерітіндіге үш валентті ион түрінде өтеді:

Ti⁰ - 3e ® Ti³⁺ (1)

Түзілген титан (ІІІ) иондары ерітіндідегі нитрат-иондарымен әрекеттесіп, Ti(NO₃)₃ түрінде тұнбаға түседі.

Ti³⁺ + 3NO₃^- ® Ti(NO₃)₃ (2)

Азот қышқылы ерітіндісінде титан электродтарын үш фазалы айнымалы токпен поляризациялағанда, титан (ІІІ) ионының ток бойынша шығымы, әрбір фазаның анод жартылай периодына есептелді. Ток бойынша шығымға ток тығыздығының әсері 2000–10000 А/м² аралығында қарастырылды (1-сурет). Титан (ІІІ) иондарының ток бойынша шығымының максимум мәні 4000-5000 А/м² кезінде 30-35% құрайды. Ток тығыздығы өскен сайын электрод бетінде оксидтік қабаттардың түзілу процесі баяулайды да, титанның еру процесінің жылдамдығы артады. Ал ток тығыздығын 10000 А/м² дейін жоғарылатқан кезде титанның еруінің ток бойынша шығымы 26,4 %-ға төмендейді. Аса жоғары ток тығыздығында катодтық жартылай периодта электрод бетіндегі оксидтік қабат толық тотықсызданып үлгермейді, сол себептен титан (ІІІ) ионының анод жартылай периодында түзілуінің ток бойынша шығымы төмендейді. Катод жартылай периодында титан бетінде сутегі иондарының тотықсыздануы да орын алады:

2Н⁺ + 2е ® Н₂ (3)

Айта кету керек, тұрақты токпен анодты поляризациялағанда титан ерімейді. Электрод бетінде вентильді титан оксиді (Ті_хО_у) түзіліп, электрохимиялық тізбектен ток өтпей қалады.

1-сурет. Титан (ІІІ) ионының түзілуінің ток бойынша шығымына фазалардағы ток тығыздығының әсері: (СHNO₃ = 1,0 н., τ=30 мин, t=20°С)

Күкірт қышқылы мен тұз қышқылының сулы ерітіндісінде жүргізілген зерттеу жұмыстары [1-2] титан (ІІІ) ионының ток бойынша түзілу шығымының азот қышқылы ерітіндісіне қарағанда біршама жоғары болуымен ерекшеленеді.

Титан (ІІІ) иондарының ток бойынша шығымына азот қышқылы ерітіндісінің концентрациясының әсері 2-суретте көрсетілген. Электролит концентрациясы 0,25-3,0н. аралығында қарастырылды. Айнымалы токпен поляризациялау кезінде титан (ІІІ) нитратының түзілуіне азот қышқылының бастапқы концентрациясы айтарлықтай әсерін тигізеді. Қышқыл концентрациясы 0,5-1,0 н. аралығында ток бойынша шығым максимум мәннен өтетіні байқалады.

Ал қышқыл концентрациясының артуы қышқылдың тұтқырлығын арттырады да, ток бойынша шығымды 18% дейін төмендетеді. Бұл кезде электрод бетінде тығыз оксидтік қабаттың қалыңдығы артады.

Дәл осыған ұқсас жағдайды күкірт қышқылында жүргізілген тәжірибелерден көруге болады. Күкірт қышқылы концентрациясының өсуімен титанның еруінің ток бойынша шығымы 78 % -тен 45,2%-ке дейін төмендейді. Ал тұз қышқылы концентрациясының артуымен Ті (ІІІ) иондарының ток бойынша шығымы артады, мысалы, 150 г/л кезінде 71,03% құрайды.

Электролиз уақытының титан еруінің ток бойынша шығымына әсері 3-суретте көрсетілген. Суреттен көрініп тұрғандай электролиз уақыты артқан сайын, титан еруінің ток бойынша шығымы да бірте – бірте төмендеп, соңында аз мәнге жетеді. Өйткені электролиз уақытының артуымен электрод бетінде оксидтік қабаттың түзілу реакциясының үлесі артады да, титан электродының ион түзе еруі тежеледі.

2-сурет. Титан (ІII) иондарының түзілуінің ток бойынша шығымына азот қышқылы концентрациясының әсері: (i =4000 A/м², τ=30 мин, t=20°С)

Айта кету керек, күкірт қышқылында бастапқыда титанның еруінің 0,5 сағат кезіндегі ток бойынша шығымы 63%, 2,5 сағат кезінде 86,5 % құрайды.

Ал тұз қышқылында электролиз ұзақтығын 2,0-3,0 сағат аралығында жүргізгенде электролизер түбінде титан (ІІІ) хлоридінің күлгін кристалдарының түзілгені байқалады.

Титан электродтарына 4000 А/м² ток тығыздығын бере отырып, үш фазалы айнымалы токпен поляризациялау кезінде азот қышқылы ерітіндісінің температурасын жоғарылатқанда титан еруінің ток бойынша шығымы түзу сызықты заңдылықпен төмендейді. Электролит температурасының өсуімен электрод бетіндегі оксидтік қабаттың еру жылдамдығына қарағанда түзілуі қарқынды жүреді. Нәтижесінде тотық қабатының қалыңдығы артып, титанның электрохимиялық еруін тежейді.

Электролит температурасы 20°С кезінде ток бойынша шығым 32,5%, ал t=70°С кезінде 15-16,2% құрады.

Күкірт қышқылында керісінше, электролит температурасы өскен сайын титан еруінің ток бойынша шығымы түзу сызықты заңдылықпен өседі [1].

3-сурет - Үш фазалы айнымалы ток поляризациясы кезіндегі

титанның еруінің ток бойынша шығымына электролиз уақытының әсері:

(i = 4000 A/м², С HNO₃ = 1,0 н, t=20°С)

Электролит температурасының өсуімен электрод бетіндегі оксидтік қабаттың түзілу жылдамдығына қарағанда еруі қарқынды жүреді. Электролит температурасы 20°С кезінде ток бойынша шығым 63%, ал t=80°С кезінде 87,21% құрайды.

Титанның еруінің ток бойынша шығымын зерттеу онан әрі электролит температурасына тәуелді тұз қышқылында жүргізілді (4-сурет). Тұз қышқылының 150 г/л және 80⁰С кезінде титан (ІІІ) хлоридінің ток бойынша шығымы 89%-ке дейін жоғарылайтыны байқалған. Температураның жоғарылауымен ТіО₂ қабатының тотықсыздануы жүзеге асып, электр потенциалы теріс металл ретінде (Е⁰ =-1,23В) титанның химиялық жолмен де еруіне мүмкіндік туады.

Сурет 4. Үш фазалы айнымалы токпен титан электродтарын

азот қышқылы ерітіндісінде поляризациялаған кезде титанның еруінің ток бойынша шығымына электролит температурасының әсері:

(i = 4000 A/м², СHNO₃ =1,0 н, t=0,5 сағат)

Біздің жүргізген жұмыстарымызда, алғаш рет азот қышқылы ерітіндісінде өндірістік жиіліктегі үш фазалы айнымалы токпен поляризацияланған титанның электрохимиялық еруі зерттелінді. Электролиздің стационарлы емес режимінде, титан электрохимиялық активтілік көрсетіп, Ті(NO₃)₃ қосылысын түзе еритіндігі анықталды.

Әдебиеттер

1. Сарбаева Г.Т. Күкірт қышқылында “қиын еритін” Al, Pb, Tі электродтарының айнымалы токпен поляризациялаған кездегі электрохимиялық қасиеттері және олардың қосылыстарын синтездеу. Кандит.дисс. Шымкент, 1997, 154 б

2. Баешов А. Электрохимические процессы при поляризации промышленным переменным током /Материалы Международной научно-практической конференции «Современное состояние и перспективы развития науки, образования в Центральном Казахстане». Караганда, 2008. С. 209-214.