Цементация это нанесение слоя металла на метал, путем восстановления его на поверхности с помощью химической реакции.
Примером служит цементация железа медью, подобно электролизу используется очень широко.
Цементацией в металлургии цветных металлов называют восстановление одного металла другим из водных растворов, например по реакции:
CuSО4 + Fe = FeSО4 + Cu.
Подобно электролизу это также окислительно-восстановительный процесс, возникающий, однако, не в результате протекания тока, а самопроизвольно.
Рис. Схема цементации меди железом: 1 — частицы железа; 2 — участки осаждения меди; 3 — загрязнение поверхности; 4 — распространение осадка меди на свежую поверхность железа.
Реакцию составляют две окислительно-восстановительные системы , образующие гальванический элемент, который при одномолярных активностях имеет электродвижущую силу:
Е0 =0,34— (—0,44) =0,78 В.
По ходу реакции активность (концентрация) меди в растворе убывает, а железа увеличивается и наступает равновесие. Применив выражение , получив
Для любой окислительно-восстановительной реакции, потенциал окислителя индексом ок, а восстановителя — в и заменяя — lgK=pK, получим аналогично:
Константа равновесия реакции цементации меди железом будет
В действительности равновесие не достигается по кинетическим причинам, а остаточная концентрация меди значительно выше.
Схема взаимодействия частицы железа, погруженной в раствор соли меди, показана на рисунке 1.
Ионы Сu2+ начинают разряжаться на наиболее активных участках поверхности, имеющих наибольший запас поверхностной энергии, где предпочтительней происходит адсорбция.
Зародыши, кристаллов растут, разряжая на себя новые ионы и возникает система гальванических элементов, общим анодом которых служит железо, а катодами — кристаллы меди.
Если по какой-либо причине, например в результате окисления или иного загрязнения поверхности, рост кристаллов прекратится, ионы меди найдут новые центры для адсорбции, способные образовать свежие зародыши.
При этом суммарная площадь катодов увеличится, а поверхность железа, способная передавать ионы его в раствор, сократится.
Скорость осаждения меди зависит от условий диффузии ее к катодным участкам; однако по мере уменьшения открытой поверхности осадителя она может контролироваться и диффузией Fe2+ в раствор через проходы и поры между кристаллами.
Чем мельче осадитель и больше его суммарная поверхность, тем быстрее и полнее цементация. Последнюю часто удается ускорить искусственной сдиркой осадка частиц осадителя, например в шаровых мельницах или иным способом.
Из опыта известно, что однозарядные катионы и особенно Н+ ускоряют цементацию. Теоретического объяснения этому пока нет.
Статья на тему Цементация
