Изучение применения электрохимических процессов в условиях школьного кабинета химии

Современный оборудованный кабинет химии в любой муниципальной образовательной школе позволяет проводить многие опыты и эксперименты, которые могут расширять горизонты познания школьников и стимулировать интерес к изучению целого комплекса естественных наук. Одним из самых интересных разделов, находящихся на стыке химии и физики, является гальванопластика и гальваностегия.

Актуальность данной темы для меня обусловлена следующими причинами.

Во-первых, гальванопластика известна около 150 лет и была изобретена в 1838 г. русским ученым Борисом Семеновичем Якоби (1801-1874). И хотя находилось немало людей, которые оспаривали приоритет открытия Б. С. Якоби, но оно было признано в 1867 г. Международной комиссией Всемирной парижской выставки. Таким образом, мне хотелось познакомиться с открытием русского учёного подробнее.

Во-вторых, химия является для меня наиболее трудной областью знаний, и мне хотелось дополнительно подготовиться к изучению данного предмета, занимаясь практически. Во время работы я узнал много нового и на практике освоил один из разделов - электрохимию.

В-третьих, работа моих родителей связана с получением изделий по методам гальванопластики и гальваностегии, и многие аспекты этих процессов были мне не понятны.

Гипотеза исследования: в условиях школьного кабинета химии и даже в домашних условиях можно использовать процессы гальванотехники для получения различных декоративно-прикладных и технических изделий.

Цель данной работы: рассмотреть и на практике изучить процессы гальванопластики и гальваностегии в условиях школьного кабинета химии в МОУ СОШ №208.

Проверка выдвинутой гипотезы потребовала решения следующих задач:

1. Изучить химическую и физическую литературу по теме исследования и определить возможности использования процессов гальванопластики и гальваностегии в прикладных работах.

2. Получить на практике изделия с помощью гальванопластики и гальваностегии.

3. Рассмотреть наилучшие условия для протекания этих процессов.

Таким образом, предметом исследования в моей работе являются процессы гальванопластики и гальваностегии в условиях школьного кабинета химии.

Объект исследования - изделия, полученные с помощью упомянутых процессов.

Работа состоит из 22 страниц и включает введение, две главы, заключение, список литературы, состоящий из 7 источников, и двух приложений.

1. Особенности процессов гальванопластики и гальваностегии

1. 1. Общая характеристика процессов

Гальванотехника - область прикладной электрохимии, охватывающая процессы электролитического осаждения металлов на поверхность металлических и неметаллических изделий. Она включает: гальваностегию - получение на поверхности изделий прочно сцепленных с ней тонких металлических покрытий и гальванопластику - получение легко отделяющихся, относительно толстых, точных копий с различных предметов, т. н. матриц.

Т. е. гальванопластика - электрохимический способ копирования (получение точных копий изделий). Она широко используется в технике при изготовлении матриц в полиграфии, пресс-форм для прессования грампластинок и т. п. Этим способом изготовляют металлические сетки, ювелирные изделия, копии скульптур, гравюр, детали сложной конфигурации. Способ отличается исключительно высокой точностью воспроизведения рельефа изделия.

Гальваностегия - электрохимический процесс покрытия одного металла другим, более устойчивым в механическом и химическом отношении, например стальные детали покрывают хромом, никелем, медные - никелем, серебром или другими металлами.

Открытие и техническая разработка методов принадлежат русскому учёному Б. С. Якоби, о чём он доложил 5 октября 1838 на заседании Петербургской АН. Изобретение было приобретено русским правительством с условием подробного опубликования метода. И уже в 1840 г. был издан на русском и немецком языках труд <<Гальванопластика или способ по данным образцам производить медные изделия из медных растворов помощью гальванизма>>. В предисловии к своему сочинению Б. С. Якоби пишет: <<Гальванопластика исключительно принадлежит России: здесь она получила свое начало и свое образование>>.

Широко использовать в промышленности ее начали в 1950-1960. В первый период ее применение ограничивалось производством скульптурных портретов, барельефов. Внедрение технологии гальванопластики в крупных промышленных масштабах характерно для второго периода ее развития (производство грампластинок, форм для литья, печатных плат предметов искусства и т. д. )

Гальванотехника основана на явлении электрокристаллизации - осаждении на катоде (покрываемом изделии в гальваностегии или матрице в гальванопластике) положительно заряженных ионов металлов из водных растворов их соединений при пропускании через раствор постоянного электрического тока. Количественно гальванотехнические процессы регулируются по законам Фарадея с учётом побочных процессов, которые сводятся чаще всего к выделению на поверхности покрываемых изделий наряду с металлом водорода; качественно - типом и составом электролита, режимом электролиза, т. е. плотностью тока, а также температурой и интенсивностью перемешивания. Различают электролиты на основе простых или комплексных соединений. Первые значительно проще, дешевле и при интенсивном перемешивании (чаще воздушном) допускают применение высоких плотностей тока, что ускоряет процесс электролиза.

Так, например, в гальваностегии при покрытии изделий простой конфигурации электролит на основе сернокислого цинка в присутствии коллоидных добавок допускает плотность тока до 300 а/м[2], а при интенсивном воздушном перемешивании - до 30 ка/м[2].

В гальванопластике растворы простых солей, чаще сернокислых, обычно применяют без введения каких-либо органических добавок, т. к. в толстых слоях эти добавки отрицательно сказываются на механических свойствах полученных копий. Применяемая плотность тока ниже, чем в гальваностегии; в железных гальванопластических ваннах она не превышает 10 - 30 а/м[2], в то время как при железнении (гальваностегия) плотность тока достигает 2000 - 4000 а/м[2]. Гальванические покрытия должны иметь мелкокристаллическую структуру и равномерную толщину на различных участках покрываемых изделий - выступах и углублениях. Это требование имеет в гальваностегии особенно важное значение при покрытии изделий сложной конфигурации. В этом случае используют электролиты на основе комплексных соединений или электролиты на основе простых солей с добавками поверхностно-активных веществ. Примером благоприятного влияния поверхностно-активных веществ на структуру покрытия может служить процесс осаждения олова из сернокислого оловянного электролита; без добавок поверхностно-активных веществ на поверхности покрываемых изделий выделяются изолированные кристаллы, напоминающие ёлочную мишуру и не представляющие никакой ценности как покрытие. При введении в электролит фенола, крезола или др. соединения ароматического ряда вместе с небольшим количеством коллоида (клей, желатина) образуется плотное, прочно сцепленное покрытие с вполне удовлетворительной структурой. Для цинкования изделий сложной формы применяют щёлочно-цианистые электролиты или др. комплексные соли цинка. Для кадмирования изделий применяются, как правило, цианистые электролиты. То же можно сказать про серебрение, золочение, латунирование.

Существенную роль в гальванотехнических процессах играют аноды, основное назначение которых - восполнять в электролите ионы, разряжающиеся на покрываемых изделиях. Аноды не должны содержать примесей, отрицательно влияющих на внешний вид и структуру покрытий. В некоторых случаях анодам придают форму покрываемых изделий. Процессы хромирования, золочения, платинирования, родирования и др. протекают с нерастворимыми анодами из металла или сплава, устойчивого в данном электролите. Корректирование электролита в целях сохранения постоянства его состава осуществляется периодическим введением солей или др. соединений выделяющегося металла.

Все процессы как гальванопластики, так и гальваностегии протекают в гальванических ваннах. Часто гальванической ванной называют также состав находящегося в ней электролита. Материалом ванны в зависимости от её размеров и степени агрессивности электролита могут служить: керамика, эмалированный чугун, сталь, футерованная свинцом или винипластом, органическое стекло и др. Ёмкость ванн колеблется от долей миллиметра (для золочения) до 10 м и более. Различают ванны: стационарные (покрываемые изделия в которых неподвижны), полуавтоматические (изделия вращаются или перемещаются по кругу или подковообразно) и агрегаты, в которых автоматически осуществляются загрузка, выгрузка и транспортировка изделий вдоль ряда ванн. Постоянный ток для электролиза получают главным образом от селеновых и кремниевых выпрямителей, плотность тока регулируется при помощи многоступенчатого трансформатора.

1. 2. Гальваностегия

Гальваностегия применяется шире, чем гальванопластика; её цель придать готовым изделиям или полуфабрикатам определённые свойства: повышенную коррозионную стойкость (цинкованием, кадмированием, лужением, свинцеванием), износостойкость трущихся поверхностей (хромированием, железнением). Она применяется для защитно-декоративной отделки поверхности (достигается никелированием, хромированием, покрытием драгоценными металлами). По сравнению с издавна применявшимися методами нанесения покрытий (например, погружением в расплавленный металл) гальваностегический метод имеет ряд преимуществ, особенно в тех случаях, когда можно ограничиться незначительной толщиной покрытия.

Все покрытия в гальваностегии должны быть прочно сцеплены с покрываемыми изделиями; для многих видов покрытий это требование должно быть удовлетворено при любой степени деформации основного металла. Прочность сцепления между покрытием и основой обеспечивается надлежащей подготовкой поверхности покрываемых изделий, которая сводится к полному удалению окислов и жировых загрязнений путём травления или обезжиривания. При нанесении защитно-декоративных покрытий (серебряных, золотых и т. п. ) необходимо удалить с поверхности изделий оставшуюся от предыдущих операций шероховатость шлифованием и полированием.

Технологический прогресс в гальваностегии развивается по пути непосредственного получения блестящих покрытий, не требующих дополнительной полировки; прогресс в области оборудования заключается в разработке и внедрении механизированых и автоматизированных агрегатов для механической подготовки поверхности и нанесения покрытий, включая все вспомогательные операции, вплоть до нанесения покрытий на непрерывную полосу с последующей штамповкой изделий (например, автомобильные кузовы, консервная тара и др. ). Ведущими отраслями промышленности, в которых гальваностегия имеет значительный удельный вес, являются автомобилестроение, авиационная, радиотехническая и электронная промышленность и др.

1. 3. Гальванопластика

Гальванопластика отличается от гальваностегии главным образом методами подготовки поверхности обратных изображений копируемых предметов-матриц и большей толщиной наращиваемого металла (в десятки и сотни раз). Матрицы бывают металлические и неметаллические. Преимущества металлических матриц заключаются в более лёгкой подготовке поверхности (чаще методом оксидирования) и возможности снятия большего количества копий. В качестве промежуточного поверхностного слоя на металлическую матрицы обычно наносят тонкую плёнку серебра (десятые доли мкм) или никеля (до 2 мкм). Оба эти металла прекрасно оксидируются при трехминутном погружении в 2 - 3%-ный раствор бихромата и обеспечивают лёгкий съём наращенного слоя. Перспективно применение в качестве материала для металлических матриц оксидированного алюминия. Сообщение электрической проводимости лицевой поверхности неметаллических матриц обычно осуществляется путём её графитирования. Для этой цели свободный от примесей мелкочешуйчатый графит наносят на поверхность матрицы мягкими волосяными щётками. Для крупных и сложных по рельефу предметов, например статуй, барельефов и т. п. , наиболее употребительны гипсовые и гуттаперчевые матрицы. При изготовлении матриц подобные предметы делят на участки. Полученные гальванопластически прямые копии соединяют пайкой с таким расчётом, чтобы швы не исказили изображения.

Наиболее распространена медная гальванопластика, меньше - железная и никелевая. Основная область применения гальванопластики - полиграфия. Гальванопластика широко применяется также при изготовлении матриц грампластинок, для производства волноводов и др.

1. 4. Общие вопросы применимости методов в прикладных работах

Таким образом, теоретическое изучение процессов гальванотехники показало, что принципиальных трудностей для их применения в прикладных работах не существует. Оборудование для гальваностегии ничем не отличается от оборудования, применяемого для гальванопластики.

В качестве гальванической ванны может быть использована любая стеклянная банка такого размера, чтобы покрываемый металлом предмет свободно в ней размещался и при этом не находился слишком близко от анодных пластин.

Удобнее всего пользоваться четырехугольными стеклянными банками

Из толстой медной проволоки или трубок делают поперечные перекладины, из которых две (а) служат для подвешивания никелевых или медных пластин - анодов, а третья (6) - для никелируемых или омедняемых предметов.

В круглой банке анодную пластину приходится сгибать в виде цилиндра (с) .

Покрываемые предметы подвешивают на медных проволоках. Анодных пластин должно быть две. Важно, чтобы покрываемые предметы были обращены к анодам своими наибольшими площадями и находились с ними примерно в параллельных плоскостях. Перекладины, к которым подвешиваются аноды и покрываемые предметы, необходимо снабдить клеммами для удобства и надежности соединения. Проволоки, которыми прикреплен анод к перекладине, должны находиться выше уровня электролита, особенно если они сделаны из другого металла. Анодные пластины включаются между собой параллельно и присоединяются обязательно к клемме <<плюс>> источника тока (аккумулятора или выпрямителя).

Аноды должны быть тщательно очищены от окислов, грязи и обезжирены, так же как и предметы, предназначенные для покрытия металлом.

Важным условием успешного никелирования и омеднения является чистота. Если в электролите появилась легкая муть или образовался осадок, электролит необходимо профильтровать.

На рис. 3 показана схема включения гальванической ванны. В качестве источника можно использовать автомобильный аккумулятор или выпрямитель (напряжением 6-12 В), питающийся от сети переменного тока напряжением 127-220 В. К схеме необходимо подключать вольтметр и амперметр. Если поверхность покрываемого предмета менее 2 дм[2], можно использовать миллиамперметр на 500 мА. Сопротивление реостата должно быть порядка 8-10 Ом, чтобы можно было изменять ток в пределах долей ампера.

При сборке электрической цепи ванны очень важно не спутать полюсы у аккумулятора или выпрямителя, так как анодные пластины должны быть обязательно подключены к положительному полюсу, а деталь (предмет) - к отрицательному. При неправильном включении будет <<растворяться>> металл детали или предмета, что приведет к порче электролита.

Ровное плотное покрытие предмета никелем или медью зависит от величины электрического тока, не превосходящей известного предела и зависящей от площади поверхности предмета.

Например, если норма плотности тока равна 0,5 А на 1 дм[2] и предмет имеет общую поверхность около 0,5 дм[2], то ток не должен превышать 0,5 х 0,5 = 0,25 А. При большем токе никель или медь будут откладываться темным, непрочным, легко отделяющимся слоем. Если предмет имеет заостренные части, плотность тока следует уменьшить в 2-3 раза.

Предметы погружают в ванну под напряжением. Для этого их сначала подвешивают на медных голых проводниках диаметром 0,8-1 мм к перекладине (медная трубка), подключают к источнику электрического тока (при этом реостат включают на полное сопротивление) и опускают в ванну с электролитом. Затем, уменьшая сопротивление реостата, доводят ток до нормы.

Во время гальванизации деталь или предмет два-три раза вынимают из ванны на короткое время и осматривают. Если металл откладывается неравномерно, изменяют положение предмета, повернув его к аноду той стороной, на которой слой металла получается тоньше.

При правильном процессе никелирования никель откладывается матовым, повсюду ровным, серебристым слоем. Появление темных пятен свидетельствует о плохом обезжиривании. Тонкий слой металла откладывается на детали или предмете за 20-30 мин, толстый слой за несколько часов.

Предмет, вынутый из ванны, как бы хорошо он ни был предварительно отполирован, имеет матовую поверхность. Для придания блеска его полируют тончайшим мелом (зубным порошком) при помощи суконки. Можно также полировать крокусом, но очень осторожно, чтобы не повредить слой никеля.

Таким образом, мы видим, что методы гальванотехники могут быть с успехом применены для прикладных работ.

2. Применение гальванопластики и гальваностегии в условиях школьного кабинета химии

Для проведения процессов гальванотехники нами было выбрано омеднение, т. к. этот процесс менее трудоёмкий из всех видов и для него не сложно подобрать химические вещества и реагенты.

Для работы было использовано следующее оборудование и материалы:

1. Стеклянная квадратная ёмкость объёмом 5 литров и круглый химический стакан ёмкостью 800 мл.

2. Источник постоянного тока - выпрямитель переменного напряжения от 0 до 24 В, питающийся от сети переменного тока.

3. Медный провод различного сечения и медные пластины в качестве анодов.

Кроме того, нами применялись следующие химические реактивы: oo медный купорос; oo серная кислота; oo дистиллированная вода; oo парафин; oo этиловый (медицинский) спирт; oo сульфид натрия.

В перечне применяемых веществ имеются опасные и ядовитые (серная кислота, спирт), кроме того, работа проводилась с электрическим током, поэтому прежде чем приступить к ней, была изучена техника безопасности при работе с данным оборудованием и веществами.

Электролитический способ копирования медалей, барельефов и декоративных украшений (гальванопластика) заключался в следующем.

С копируемого предмета или изделия, прежде всего, снимали отпечаток, т. е. делают форму из воска, пластилина или гипса.

После отливки полученную форму обезжиривали и подвергали омеднению в электролитической ванне.

Для изготовления форм применяли следующую восковую композицию: воск 20 в. ч. , парафин 3 в. ч. , графит 1 в. ч.

Если форму изготовляли из диэлектрика (воск, пластилин, парафин, гипс), ее поверхность покрывали электропроводным слоем. Проводящий слой наносили механическим путем - втиранием в поверхность формы чешуйчатого графита мягкой волосяной кистью. Графит из мягких карандашей тщательно растирали в фарфоровой ступке, просеивали через сито или марлю и наносили на поверхность изделия мягкой кистью или ватным тампоном. Графит лучше прилипает к пластилину. Формы покрывали раствором воска в бензине. На поверхность, не успевшую высохнуть, наносили графитную пудру, а лишний, неприлипший графит сдували.

Гальваническое покрытие легко отделяется от формы, покрытой графитом. Медные поверхности обрабатывали 1%-ным раствором сульфида натрия, в результате чего на них образуются нерастворимые сульфиды.

Подготовленную форму погружали в ванну, схема которой находилась под током, чтобы не растворилась разделяющая пленка. Сначала проводили <<затяжку>> (покрытие) проводящего слоя меди при малой плотности тока в растворе такого состава:

Сернокислая медь (медный купорос)

150-200 г

Серная кислота

Этиловый спирт

30-50 мл

1000 мл

Рабочая температура электролита была 18-25° С, плотность тока 1-2 А/дм[2]. Спирт необходим для повышения смачиваемости поверхности. После того как, вся поверхность <<затягивалась>> слоем меди, форму переносили в электролит, предназначенный для гальванопластики.

Для гальванопластических работ (омеднение) использовался следующий состав:

Сернокислая медь (медный купорос)

340 в. ч.

Серная кислота

1000 в. ч.

Чтобы изготовить металлические листья растений, со свежих листьев снимали отпечатки на восковой композиции следующим образом. В формочку из плотной бумаги заливали восковую композицию, давали ей остыть почти до полного отвердения, но с таким расчетом, чтобы поверхность ее была эластичной. Затем на поверхность воска накладывали листья и прижимали их стеклом. Когда стекло и листья снимали, на восковой композиции оставался четкий отпечаток листьев.

После полного затвердения воска форму с отпечатком осторожно покрывали графитом. Установив проводники на форме, подвешивали груз и опускали ее в гальваническую ванну.

Для покрытия металлом насекомых (бабочек, жуков и т. п. ) их соответствующим способом подготавливали: насекомых высушивали, покрывали лаком или тонким слоем воска. Затем поверхность нужно сделать токопроводящей, для этого ее при помощи кисточки смазывали жидкой кашицей из графита, разведенного на спирте или водке. После высыхания излишки графита удаляли.

После этого предмет подвешивали на нескольких тонких медных проволочках диаметром 0,1-0,2 мм, перекручивая или перевязывая их неоднократно крест-накрест , и помещали в гальванопластическую ванну. Для устранения плавучести в электролите бабочку, жучка и т. п. прикрепляли парафином к стеклу или кусочку пластмассы. Металл начинает откладываться, прежде всего, около медных проволочек, распространяясь очень медленно на всю остальную поверхность. Поэтому в начале процесса ток должен быть в несколько раз меньше нормального, когда же вся поверхность окажется <<затянутой>> металлом, доводили его до нормы. Продолжительность процесса - несколько часов. Толщина покрытия может колебаться от 0,1 до 2 мм.

Используя метод гальванопластики, можно также металлизировать кружева для декоративно-художественного украшения различных предметов.

Кружева растягивают на рамке и пропитывают парафином. Затем их проглаживают утюгом между листами бумаги для удаления излишков парафина. Далее наносят электропроводящий слой мелкого графита, избыток его тщательно сдувают с кружев. Проложив проводники по краю кружева, их крепят на пластмассовой рамке или рамке из толстого провода с хлорвиниловой изоляцией, вместе с которой кружева погружают в электролит.

Кружева, покрытые медью, обрабатывают латунной щеткой. Паяют их оловянно-свинцовым припоем.

Гальваностегическая отделка металлизированных кружев заключается в нанесении декоративного слоя серебра или золота или в оксидировании.

Заключение

Таким образом, изучение литературы по теме исследования показало, что использование процессов гальванопластики и гальваностегии в прикладных работах возможны, и в условиях школьного кабинета химии и даже в домашних условиях можно использовать процессы гальванотехники для получения различных декоративно-прикладных и технических изделий. Нами были получены различные изделия, которые были покрыты медью и могли быть использованы для различных целей.

Однако часто покрытие получается не совсем красивым, что говорит о том, что некоторые подготовительные этапы были сделаны не совсем правильно (например, покрытие предмета графитом) и необходимо выполнять их скрупулезнее. Кроме того, необходимо следить за чистотой реактивов, используемых в процессах.

При выполнении этих условий полученные изделия в дальнейшем можно использовать при проведении уроков рисования или на уроках физики, а также в других видах деятельности.

В дальнейшем при продолжении данного исследования необходимо добиться более качественного покрытия медью на различных предметах и расширить диапазон применяемых для покрытия металлов, нанося, например, цинк или олово.