des Chemielehramtsstudiums an der Uni Marburg referiert. Zur besseren
Durchsuchbarkeit wurde zudem eine Texterkennung durchgeführt und hinter das eingescannte Bild gelegt, so dass Copy & Paste möglich ist – aber Vorsicht, die Texterkennung wurde nicht korrigiert und ist gerade bei schlecht leserlichen Dateien mit Fehlern behaftet.
Alle mehr als 700 Protokolle (Anfang 2007) können auf der Seite
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Zudem stehen auf der Seite www.chids.de weitere Versuche, Lernzirkel und Staatsexamensarbeiten bereit.
Dr. Ph. Reiß, im Juli 2007
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Seite
1. Vorwort 3
2. Geschichte 4
3. Galvanoplastik 4
4. Galvanostegie 5
5. Theorie der elektrolytischen Metallabscheidung 6 6. Elektrochemischer Anteil der Metallabscheidung 7 7. Kristallographischer Anteil der Elektroabscheidung 9
8. Einfluß der Metallnatur 9
9. Einfluß der Arbeitsbedingungen 10
10. Technik der Elektroplattierung 12
11. Demonstrationsversuch: Galvanoplastik 13
12. Versuch: Galvanisches Verzinken 14
13. Versuch: Galvanisches Verkupfern 15
14. Versuch: Galvanisches Glanzvemickeln 16
15. Versuch: Reduktives Verkupfern 18
16. Versuch: Galvanisieren von Naturstoffen 21
17. Deutsches Museum: Ausstellung Galvanotechnik 21
18. Literaturverzeichnis 22
1) Vorwort
Galvanotechnik ist überall !?
In allen Lebensbereichen sind wir von Produkten umgeben, deren Oberflächen galvanisch veredelt wurden .
Ob wir durch eine vergoldete Brille auf eine versilberte Uhr, ob wir den Fernseher oder die Waschmaschine anstellen, ob wir in unser Auto oder ein Flugzeug steigen. In jedem Fall
spielt die Galvanotechnik eine wichtige Rolle.
Allein die deutsche Wirtschaft erleidet schätzungsweise einen jährlichen Verlust von ca. 50 Milliarden DM durch Korrosion und Verschleiß. Durch Reibung und Abrieb werden
zusätzlich Werte von etwa 10 Milliarden DM vernichtet.
Diese Zahlen unterstreichen die Bedeutung und Verpflichtung der Oberflächentechnik.
So könnten diese Verluste durch eine konsequentere Anwendung korrosionsschützender Verfahren vermindert werden.
Denn das dringende Gebot der Stunde heißt: Schonender Umgang mit allen Rohstoffen, I mit unserer Umwelt und Energieeinsparung, wo immer möglich.
,
Die Galvanotechnik ist ein Schritt in die "richtige" Richtung.
Auf Grundmaterialien werden extrem dünne Schichten mit wenigen um I ( 111000 mm)
~ abgeschieden. Die Rohstoffe werden also äußerst sparsam und gezielt nur da eingesetzt, wo
. ~ sie benötigt werden.
Die Galvanotechnik umfaßt die Themengebiete Galvanoplastik und Galvanostegie.
I
Zu meinem Vortrag ist noch zu sagen, daß ich Versuche ausgewählt habe, die auch in der Schule durchführbar sind. Deshalb habe ich z.b. auf cyanidische Bäder verzichtet.
Woher stammt eigentlich der Name Galvanotechnik?
b) Geschichte
Ein kleiner Blick in die Geschichte zeigt uns, daß man diese Oberflächentechnik schon recht lange kennt. Ihren Namen verdankt sie dem italienischen Naturforscher Luigi Galvani
( * 1737 - + 1798 ). Er war ein italienischer Arzt und Professor der Anatomie in Bologna. Er entdeckte 1789 bei Froschschenkelversuchen, die nach ihm benannte galvanische Elektrizität (Gleichstrom), die er auf "tierische Elektrizität"
zurückführte, später aber durch chemische Wirkung erklärte.
Die Arbeitsweise in den handwerklichen Galvaniken des 19. Jahrhunderts hat natürlich wenig gemein mit der heutigen weiterentwickelten Technologie. Damals wurden vorwiegend Medaillen, Schmuck und Kunstgegenstände versilbert, vergoldet oder verkupfert. Das Spektrum der modernen Galvanotechnik ist fast unübersehbar gewachsen. Innovation ist eine der Stärken dieser Branchen.
r>: ~ Galvanoplastik
Geschichte:
Als Entdecker der Galvanoplastik gilt Moritz Hermann von JACOBI (1801-1874), der 1838 die erste galvanoplastische Nachbildung einer Medaille in Petersburg herstellte.
Definition:
Die Galvanoplastik dient der Herstellung oder Reproduktion von Artikeln durch elektrolytische Metallabscheidung.
Es werden Metallüberzügen auf nicht metallischen Gegenständen hergestellt.
Vorgehensweise:
Zunächst wird von der Urform ein Abdruck (Negativ; "Vater") aus Gips , Wachs usw . hergestellt. Dieser wird dann durch entsprechende Verfahren leitend gemacht und kann anschließend wie gewöhnliche Metalle galvanisiert werden.
Nach Beendigung der Elektrolyse läßt sich die gebildete Metallschicht von der Form abziehen.
So erhaltene Überzüge werden dann meist mit Metall hintergossen und man erhält so eine genaue Abbildung des Originals.
Verwendung:
Die Galvanoplastik findet in der Herstellung von Preßmatrizen (Schallplatten), im Kopieren von Kunstgegenständen oder im Nachbilden von Münzen ihre Anwendung.
~ Galvanostegie
Im Vergleich zur Galvanoplastik kommt der Galvanostegie eine weitaus größere Bedeutung zu.
Geschichte:
Schon im Jahre 1805 beobachtete BRUGNATELL! die galvanische Vergoldung mittels Cyankalil ösung.
Definition :
Unter Galvanostegie, die auch Elektroplattierung genannt wird, versteht man die Herstellung metallischer Überzüge auf elektrolytischem Wege.
Vorgehensweise:
Der Elektrolyt enthält das abzuscheidende Metall in Ionenfonn (Mn+(aq» gelöst.
Als Kathode schaltet man das zu schützende Metall und die Anode besteht meist aus dem abzuscheidenden Metall.
Unten ist eine schematische Darstellung zu sehen.
Bei Anlegung der Zersetzungsspannung setzt sich dann das gelöste Metall in Form eines Überzuges auf der Kathode ab.
Galvanisches Bad
(schematisch)
Die Anwendungsgebiete der Galvanosregie sind sehr vielfältig und reichenvon der Veredelung von Schm.uckwaren bis hin zu Überzügen von Flugzeug-, Schiffs- und Maschinenteilen.
Die wichtigsten Aufgaben der Galvanostegie bestehen in der Erhöhung des Korrosionsschutzes und in dem Schutz vor mechanischer Belastung. Als weiteres Anwendungsgebiet dient sie der Verschönerung von Gegenständen.
~ Theorie der elektrolytischen Metallabscheidung
Bei der Galvanostegie laufen folgende Reaktionen ab:
Reaktionsvorgang an der Anode (Oxidation):
An der Anode geht das Metall in Lösung.
Reaktionsvorgang an der Kathode (Reduktion):
Er verläuft nach der Bruttogleichung:
Der wichtigere Vorgang ist hierbei die Metallabscheidung an der Kathode, der im folgenden näher erläutert wird.
Da der Mechanismus der Metallabscheidung aus komplexen Salzen nur lückenhaft geklärt ist, beziehen sich die im folgenden beschriebenenMechanismen nur auf die Abscheidung aus Lösungen einfacher Salze.
Die Gesamtvorgänge der Metallabsch.eidung sind teils elektrochemisch,
teils kristallographisch.
~ Elektrochemischer Anteil der Metallabscheidung
Nach Einschalten des Stromes bewegen sich die hydratisierten Metallionen (Mn+(aq», die sich im Elektrolyten befinden, in Richtung Kathode.
Die Bewegung wird durch drei verschiedene Antriebskräfte verursacht:
1. elektrostatische Anziehung (Ionenwanderung)
2. Diffusion, welche durch das Konzentrationsgefälle der Metallionen zur Kathode hin zustande kommt. Sie ist aber erst in Kathodennähe bedeutend.
0 .
3. Konvektion, die verursacht wird durch:
6.1.) Graphische Darstellung
.-+++++++-tt+-+-t-+f - - C
b
\ d
I .
a= Neutralisation
b= Oberflächendiffusion c= Wachstumsstelle
' d= neutrales Oberflächenatom e= Dehytratation
k
- Wärmebewegung
- mechanisches Rühren des Elektrolyten -aufsteigende Blasen an der Kathode
I
g= Hydrat. Metallion h= H 20-Moleküle
1 = Heimholtz - Doppelschicht k= Diffusionsschicht
1= Elektrolytinneres
Erläuterung:
Das Metallion (Mn+(aq)) gelangt aus dem Elektrolytinneren (1) in die sogenannte Diffusionsschicht (k).
Als Diffusionsschicht wird die Flüssigkeitsschicht des Elektrolyten bezeichnet, die sich in unmittelbarer Nähe der Kathode befindet (O,Olcm von der Kathode).
Durch das in dieser Schicht herrschende Konzentrationsgefalle kann man hier einen Spannungsabfall von 1-10 V/ern beobachten, durch den die äußeren H 20 Dipole der Hydrathülle des Metalliones ausgerichtet (f) werden.
Danach gelangt das Metallion zur sogenannten Helmholtz-Doppelschicht (i), also zu der Phasengrenze Kathode - Elektrolyt.
Die Helmholtz - Doppelschicht besteht aus einer äußeren diffusen und einer inneren starren Schicht.
Das Metallion durchquert zunächst die diffuse Schicht, in der ein Spannungsabfall von 10 4 - 10 5 V/ern herrscht.
Diese Feldstärke reicht aus, um alle H 20-Diploe der Hydrathülle auszurichten und diese somit vom Metallion zu lösen (e)
Der weitere Weg ist sehr umstritten.
In der Literatur tauchen zwei Mechanismenauf. Folgende Variante ist in der Literatur häufiger zu finden:
Das Metallion tritt an beliebiger Stelle durch die Helmoltz - Doppelschicht. Beim Durchtritt wird da.s dehydratisierte Metallion unter Aufnahme von Elektronen neutralisiert (a).
Mn+ + n x e- ~ M
Dadurch wird es zu einem neutralen Oberflächenatom, das sich auf der Kathodenoberfläche bewegt (b), bis es auf eine Wachstumsstelle trifft (c).
Oder es bildet einen neuen Wachstumskeirn, falls es keine Wachstumsstelle findet (zu viele Inhibitoren vorhanden).
Das Oberflächenatom tritt dann in das Kristallgitter ein
1J Kristallographischer Anteil der Elektroabscheidung
Unter Elektrokristallisation versteht man die elektrolytische Abscheidung von Metallkristallen aus Elektrolytlösungen.
Die Metallatome treten bevorzugt dort ins Gitter ein, wo der Arbeitsaufwand am geringsten ist. Dieses ist an Wachstumsstellen der Fall.
Wenn keine Wachstumsstellen erreicht werden, entstehen neue Kristallkeime.
Je höher die Metallüberspannung ist, desto leichter entstehen die Kristallkeime (Inhibitoren
r>. erhöhen überspannung zusätzlich). Dadurch wird der überzug feinkörniger.
Bei schwacher Inhibition bilden sich keine neuen Keime und der Überzug wird grobkörniger Keimbildung und Kristallwachstum werden von Gitterkräften und elektrostatischen Kräften bestimmt.
Je näher man sich im Gleichgewichtszustand befindet, desto mehr überwiegt die Gitterkraft Es werden kaum neue Keime gebildet.
Je entfernter man sich vom Gleichgewichtszustand befindet (Polarisation), desto höher ist der Anteil der elektrostatischen Kräfte. Dieses hat eine erhöhte Keimbildung zur Folge.
~ Einfluß der Metallnatur
Je nach den Hemmungen, die die Metalle bei der Abscheidung erfahren , kann man drei Gruppen von Metallen unterscheiden
8.1.) Metalle, die sich bei geringer Hemmung (Metallüberspannung) abscheiden:
Sie wachsen ungehemmt zu isolierten Kristallen.
Zu ihnen gehören die niedrig schmelzenden Metalle wie
Blei, Thallium, Zinn , Cadmium und Bismut.
• Sie besitzen eine hohe Beweglichkeit bei Zimmertemperatur.
• Sie haben eine geringe spezifische freie Oberflächenenergie, dadurch eine geringe Adsorptionsneigung und somit geringe Inhibitorenempfindlichkeit.
• Deshalb sind Durchtrittspolarisation und Kristallpolarisation niedrig.
8.2.) Metalle mit hohen Schmelzpunkten (Fe-G-ruppe, Pt-Gruppe):
Sie verhalten sich in. allen Punkten entgegengesetzt zur ersten Gruppe.
• Sie besitzen eine geringe Beweglichkeit bei Zimmertemperatur.
• Sie haben eine hohe Inhibitorenempfindlichkeit.
r>:
• Bei der Elektrokristallisation ist die Keimbildung vor dem Weiterwachsen der Kristalle bevorzugt.
8.3.) Metalle mit "mittleren" Eigenschaften Zu ihnen gehören z.B Zink, Silber, Antimon, Kupfer
Je nach Inhibitionsgrad bevorzugen sie Kristallwachstum oder Keimbildung, auch in den anderen Eigenschaften nehmen sie eine MittelsteIlung ein.
2J Einfluß der Arbeitsbedinguneen auf die Metallabscheidung
9.1.) pD-Wert und Pufferung
Der experimentell bestimmte pH-Wert muß durch, geeignete Pufferung konstant gehalten werden.
Es werden häufig Oxalsäure, Borsäure, Natriumsulfat, Borax u.a. als Pufferstoffe verwendet.
Die Bedeutung des pR-Wertes soll aus folgendem Beispiel hervorgehen:
Nickelniederschläge: pR = 1 -2: Niederschlag sehr weich
pH = 5,5-6: Niederschlag hart bis spröde
Erklärung: An Kathode scheidet sich auch noch H 2 ab, dadurch steigt der pR-Wert und es tritt
Hydrolyse ein. Die so ausgeflockten Produkte werden in Niederschlag mit eingebaut.
9.2.) Netzmittel
Netzmittel dienen zum Schutz gegen Bläschenbildung (H 2) an der Kathode, die die
Ausbildung von Poren bewirken können. Außerdem werden so evtl. Schm.utzteilchen an der Kathode abgelöst.
Verwendete Netzmittel: Na-AlkyIsulfonate, Na-Fettalkoholsulfate, Fettsäureamide
9.3.) Glanzbildner
Glanz kommt durch glatte Oberfläche. Durch Nachpolieren kann die Korosionsbeständigkeit des Überzuges leiden, deshalb versucht man gleich glatte, glänzende Überzüge zu erzielen.
Die Glanzbildner lassen den Metallniederschlag an den mikroskopischen Vertiefungen schneller wachsen. als an den Erhebungen und beein.flussen so die Wachstumsri.chtung.
Man verwendet meist organische Substanzen.
Die Wirkungsweise ist nicht eindeutig geklärt (evtl. setzen sie sich an den rausragenden Stellen der Metalloberfläche fest und hemmen dort das Weiterwachsen -> Inhibitoren.).
Glanzbildner werden z.T. in den Niederschlag mit eingebaut oder an Elektrode zerstört.
Glanzzusätze wirken meist badspezifisch
9.4.) Leitsalze und Depolarisatoren
Leitsalze dienen zur Erhöhung der Leitfähigkeit.
Häufig werden Alkali- oder Ammoniumsalze des abzuscheidenden Metalls verwendet.
Depolarisatoren fördern das Inlösunggehen des AnodenmateriaIs. Anionen (bei Ni meist CI-) tragen hierzu wesentlich bei.
9.5.) Stromart, Stromdichte
In der Galvanostegie wird meist unter Gleichstrom galvanisiert.
Zu hohe Stromdichten bewirk.en H 2 - Abscheidung an Kathode, was zu schwammigen, spröden oder porösen Überzügen fuhrt
9.6.) Badbewegung Aufgaben:
• Gas- und Schmutzteilehen fortspülen
• Konzentrationsausgleich an den Elektroden
(Bei nicht Bewegen des Bades wird die Metallionenkonzentration an der Kathode so gering, daß vermehrt H 2 abgeschieden wird. Die Folge ist ein schwammiger überzug. An der Anode kann die Konzentration so steigen, daß das Salz ausflockt.)
9.7.) Badtemperatur
Eine erhöhte Badtemperatur steigert die Ionenbeweglichkeit, vermindert den Badwiderstand und läßt eine höhere Stromdichte zu.
Der Nachteil ist ein erhöhtes Kristallwachstum. Dieses führt im allgemeinen zu grobkörnigeren und weicheren Niederschlägen.
übliche Temperatur: 30 - 50°C
9.10.) Anodenmaterial:
Das Anodenmaterial besteht i.d.R. aus dem abzuscheidenden Metall, um die Konzentration des Elektrolyten weitgehend konstant zu halten.
Das Anodenmaterial sollte wenig Verunreinigungen enthalten, da diese auf das Bad störend wirken können.
!.!!J Technik der Elektroplattierung
An dieser Stelle soll nur ein kurzer Überblick gegeben werden.
10.1.) Mechanische Vorbehandlung
Für festhaftende Überzüge muß die Oberfläche des Werkstoffes sauber, fettfrei und glatt sein.
z.B. Sandstrahlen, Schleifen, Polieren, Bürsten und Kratzen
10.2.) Chemisches Reinigen Chemisches Beizen:
Der Werkstoff wird in Säuren (Hel, H 2 S0 4, H 3 P0 4, HN0 3) oder Laugen (NaOH, KOR) eingetaucht.
Elektrolytisches Beizen:
Die Säure dient als Elektrolyt. Der Werkstoff wird kathodisch oder anodisch geschaltet und
die Reinigung erfolgt durch Gasentwicklung.
Entfetten
Das Werkstück wird entweder durch Eintauchen in organische Lösungsmittel (z.B.
Trichlorethylen, Benzin, Benzol, Xylol, Toluol etc.) oder durch elektrolytische Entfettung, wobei die Lauge als Elektrolyt dient, entfettet. Der Werkstoff kann anodisch oder kathodisch geschaltet werden.
Polieren
Es existiert elektrolytisches und chemisches Polieren.
10 3.) Elektroplattieren
Als Elektroplattierung bezeichnet man die elektrolytische Metallabscheidung von Nickel, Zink, Kupfer, Chrom, Zinn, Silber, etc., sowie Mischüberzüge (z.B. ZnlPb, ZnJNi,
Ni/Fe-Legierungen).
104.) Nachbehandlung
Nachbehandlungsprozesse sind Trocknen, Färben, Glänzen und Passivieren.
!1J Demostrationsversuch: Galvanoplastik
Dieser Versuch wurde im Labor durchgeführt, da man sehr viel Zeit benötigt.
Bei diesem Versuch wurde von einem Spielstein zunächst eine Gipskopie ("Galvano rt )
r hergestellt. Diese Gipskopie wurde mittels eines Silberleitlackes der FirmaHERAEUS leitend gemacht. über die Zusammensetzung des Lackes wollte mir die Firma keine Auskunft geben.
Anschließend muß man den Lack trocknen lassen.
Da.nach wurde der Galvano in ein galvanisches Bad gehängt und bekam so einen metallischen Überzug,
In meinem Versuch wurde der Galvano galvanisch verkupfert. So erhält man eine genaue
Kopie des Originals.
r>
.llJ Galvanisches Verzinken
Allgemeines:
Zink gehört neben Nickel zu den am häufigsten galvani sch abgeschiedenen Metallen.
Es ist relativ preiswert und bietet einen guten Korrosionsschutz, vor allem auf Stahl und Eisen (kathodischer Schutz). Der Korrosionsschutz wird meist noch durch zusätzliche
Chromatierung und/oder Versiegelung verbessert.
Praktisch wird Zink aus verschiedenen Badtypen abgeschieden:
Alkalisch cyanidischen Elektrolyten Alkalisch cyanidfreien Elektrolyten Sauer ammoniumhaltige Elektrolyten Sauer ammoniumfreien Elektrolyten
Anwendungsbereiche:
Beschlagteile im Automobil-, Zweirad-, Maschinen- und Elektromaschinenbau, Gebrauchsartikel im Haushalt, Camping und Sport, Einkaufswagen, Schrauben, etc.
Versuchsbeschreibung:
Chemikalien:
150g ZnS04 x 7H 20, 15g Na2S04 x lOH 20 , 20g Ah (S04)3 x 18 H 20 , lOg H 3B03
Geräte :
400 ml Becherglas (weite Form) . Gleichspannungsquelle, Magnetrührer mit Rührfisch und Kontaktthermometer, Verbindungsschnüre, Krokodilklemmen, Zinkblech und Messingblech
Elektroden:
Anode: Zinkblech; Kathode: Messingblech
Spannung :0,5 ~ 1 V Temperatur: 20°C
Stromstärke: 0,3 A Versuchsdauer: 5 - 15 min Voltmeter wird parallel und Amperemeter in Reihe geschaltet.
(Schaltskizze siehe Anlage.)
Durchführung
Man löst zunächst 150g ZnS04 x 7H 20, 15g Na2S04 x lOH 20, 20g AI 2(S04)3 x 18 H 20 und lOg H 3B03 in 500ml H 20. Als zu verzinkende Kathode verwendet man ein gut entrostetes und entfettetes Eisenblech oder Messingblech. Als Anode dient ein Zinkblech. Man
elektrolysiert etwa 15 Minuten lang, ohne daß sich Gasblasen entwickeln.
!JJ Galvanisches Verkupfern
Allgemeines:
Kupfer ist neben der galvanischen Abscheidung von Gold das älteste galvanotechnische Verfahren.
Kupfer ist duktil (dehnbar), leicht polierbar, weich und leitet Strom und Wärme gut.
Es wird bevorzugt aus alkalisch/cyankalischen oder aus sch.wefelsauren Elektrolyten abgeschieden.
Anwendungsbereiche:
Kupfer wird in der Automobil-, Haushalts- und Elektroindustrie verwendet.
Kupfer dient hier meist nur als unterste Schicht vor allem bei Beschichtungen von Zinkdruckguß und Stahl. Es wird dann mit Nickel und mit Chrom weiter beschichtet.
Als metallische Endschicht verwendet man. Kupfer bei Kunstgegenständen und in der Gal vanoplastik.
Versuchsbeschreibung:
Chemikalien:
125g CUS04 x 5H 2 0 , 25g H 2 S0 4
Geräte:
400 ml Becherglas (weite Form). Gleichspannungsquelle, Magn.etrührer mit Rührfisch und Kontaktthermometer, Verbindungsschnüre, Krokodilklem.men, Kupferblech und
Messingblech
Elektroden:
Anode: Kupferblech. Kathode: Messingblech
Spannung: 2,5 V Stromstärke: 4,5 A
Temperatur: 40°C
Versuchsdauer: 5 - 15 min Voltmeter wird parallel und Amperemeter in Reihe geschaltet.
(Schaltskizze siehe Anlage.)
Durchführung:
Man verkupfert am Besten ein Messingblech, da man aus sauren Bädern keine festhaftenden Kupferüberzüge erhält. Man löst zunächst 125g CUS04 x 5I-1 2 0 in 500ml H 20 auf. Dann fügt man vorsichtig unter Umr-ühren 25g H 2S04 hinzu. Man füllt etwa 200 ...300 ml der auf etwa 40°C erwärmten Lösung in ein Becherglas, stellt das Messingblech als Kathode und das Kupferblech als An.ode hinein und elektrolysiert etwa 15 Min.uten lang, ohn.e daß sich Gasblasen an den Elektroden entwickeln. Das Messingblech überzieht sich mit einer lachsroten, ggf. glänzenden Kupferschicht, die noch nach Beendigung des Versuchs poliert werden. kann.
llJ Versuch Galvanisches Glanzvernickeln
Allgemeines
Nickel hat in der Galvanotechnik unter allen Metallen die größte Bedeutung und steht verbrauchsmäßig an erster Stelle.
Galvanisch abgeschiedenes Nickel ist relativ hart, duktil und abriebfest.
Für die elektrolytische Abscheidung von Nickel werden fast ausschließlich saure Elektrolyte eingesetzt.
Hauptbestandteil des Elektrolyten ist Nickelsulfat (NiS0 4) . Zur Stabilisierung des pH-Wertes wird meistens Borsäure (H 3B03) verwendet.
Es können auch noch organische Agentien, die als Glanzbildner fungieren, zugesetzt werden.
Die Glanzbildner sind niedrig zu dosieren, da bei Überschreitung der optimalen Konzentration der Niederschlag abplatzen kann.
Die Glanznickelniederschläge sind viel härter als die Mattnickelniederschläge und benötigen
nur geringer Nachpolitur.
Anwendungsbereiche
Nickel wird hauptsächlich zum Korrosionsschutz von Stahl, Zink und Messing, z.T. auch von Aluminium- und Magnesiumlegierungen verwendet.
Da die Überzüge einen angenehm warmen, leicht gelblichen Farbton besitzen., wird Nickel sehr oft für dekorative Zwecke benutzt.
Versuchsbeschreibung Chemikalien:
112g NiS0 4 x 7H 20, 18g NiC1 2 x 6 H 20 (als Leitsalz zur Erhöhung der Leitfähigkeit), 14,8g H 3 B0 3 (als Puffersubstanz), 0,2g Natriumlaurylsulfat (als Netzmittel) und O,2g
2-B'utin-l.4.-diol (als Glanzbildner)
Geräte:
400 ml Becherglas (weite Form). Gleichspannungsquelle,Magnetrührer mit Rührfisch und Kontaktthermometer, Verbindungsschnüre, Krokodilklemmen, Nickelblech und Kupferblech
Elektroden:
Anode: Nickelblech,
Spannung: 2 -2,2 V Stromstärke: 0,6 - 1 A
Kathode: Kupferblech
Temperatur: 40°C
Versuchsdauer: 5 - 15 min
Voltmeter wird parallel und Amperemeter in Reihe geschaltet.
(Schaltskizze siehe Anlage.)
Durchführung:
Man löst zunächst 112g NiS0 4 x 7H 20, 18g NiC1 2 x 6 H 20, 14,8g H 3B03, O,2g
Natriumlaurylsulfat und O,2g 2-Butin-l.4.-diol in 500 ml H 20 auf. Man füllt etwa 200 ...300 ml
der auf etwa 40°C erwärmten Lösung in ein Becherglas. Nun stellt man das Kupfer- und das
Nick.elblech in die Lösung. Man elektrolysiert bei einer Spannung von 2 - 2,5 V etwa 5 - 15
Minuten.
18
14.1. Beanspruchungsstufen
Je nach Verwendungszweck muß die Nickelschicht eine gewisse Mindestdicke besitzen. Im Vordergrund steht die Korrosionsbeständigkeit der Nickelschichten.
Beanspruchungstufe 0 (5 um Schichtdicke)
z.B. Möbelbeschläge, Schrauben, Bauelemente (verdeckt bzw. nicht dekorativ)
Beanspruchungsstufe 1 Cl 0 Jlm Schichtdicke)
Z .B. Möbelbeschläge sichtbar (dekorativ), Stahlmöbel in klimatisierten Räumen, Bauteile elektrischer Geräte
Beanspruchungsstufe 2 (20 um Schichtdicke)
Z.B. Sport-, Freizeit- und Küchengeräte, Badezimmerausstattungen, Installationsmaterial, Bauteile elektrischer Geräte (Feuchtatmosphäre)
Beanspruchungsstufe 3 (30 um Schichtdicke)
z.B. Fahrräder, Rasenmäher, Skibindungen, Kfz-Zubehör (z.B. Dachgepäckträger), Bauteile elektrischer Anlagen mit Außenbeanspruchung, Bau- und Landmaschinenteile, Bauteile elektrischer Anlagen mit Außenbeanspruchung
Beanspruchungsstufe 4 (50 um Schichtdicke)
Z.B. Motorrad-, PKW- und LKW-Teile, Wehrtechnik, Schiffbau, Elektrotechnik, Außenbeanspruchung in Meeresatmosphäre
~ Versuch Reduktives Verkupfern
Um Kunststoffe galvanisieren zu können, muß man sie mit einer leitfähigen Schicht überziehen.
Im folgenden wird ein Weg beschrieben der möglich ist.
Die reduktive Verkupferung dient dazu, auf dem Kunststoff eine leitfähige Schicht zu erzeugen.
Diese kann dann anschließend galvanisch verstärkt werden.
Für diesen Vorgang sind drei Schritte nötig:
1. Aktivierung, 2. Bekeimung und 3.reduktives Verkupfern
1. Schritt: Aktivierung des Kunststoffes
Reaktionsvorgänge :
SnC1 2 + H 2 0 ~
SnC1 2 + 2.H 20 ~
Sn(OH)CI + HCI Sn(OH)2 + 2I-ICI
r>.
Zinnhydroxid und Zinnhydroxychlorid sind gelartig und haftend relativ fest an der Kunststoffoberfläche.
Die Kunststoffoberfläche wird auf diese Weise aktiviert.
2. Schritt: Bekeimung der Kunststoffoberfläcbe
Reaktionsvorgänge:
3Ag + + 20H- ~ Ag 20 + H 20
Ag 20 + 4NH 3 + H 20 ~ 2 Ag(NH 3) 2] + + 20H- 2Ag+ + 80 2 + ~ 2A.gO + Sn 4 +
Die an der Kunststoffoberfläche haftenden Sn 2 + - Ionen reduzieren die Silberionen zu elementarem Silber, welches adsorptiv durch Zinnhydroxid und Zinnhydroxychlorid gebunden wird.
3. Schritt: Reduktive Verkupferung des Kunststoffes
Reaktionsvorgänge:
Cu 2 + + 2e- -7 Cu
HCOH + 30I-I- + Cu 2 + -7 Cu + HCOO- + H 20
Das Formaldehyd dient als Reduktionsmittel, welches die Kupferionen zu elementarem
Kupfer reduziert. Die in der Reaktion zuvor gebildeten, Silberkeime dienen bei dieser
Reaktion als Katalysator.
r·,
Versuchsbeschreibung:
Es wurde ein ABS - Kunststoff(Acrylnitril- Butadien - Styrol- Copolymerisate) verwendet.
Man stellt zunächst. die folgenden Lösungen her.
Zusammensetzung der Aktivierungslösung:
Man löst 23g SnC1 2 in 23ml Hel und 26 ml H 20. Diese Lösung erhitzt man zum Sieden und füllt mit H 20 auf 500 mJ auf Man gibt eine Zinnperle in die Lösung 11m die Oxidation von Zinn(II)- zu Zinn.(IV)- Ionen zu verhindern.
Zusammensetzung der Bekeim1lngslösung:
19 AgN0 3 wird in 10mI H 2 0 aufgelöst. Dann gibt man konz. NH. 3 hinzu bis sich der gebildete Niederschlag von Silberhydroxid unter Komplexbildung wieder aufgelöst hat.
Anschließend füllt man mit H 20 auf 100 ml auf Die Lösungen müssen immer frisch bereitet werden, da sich sonst das explosive Silberazid bilden kann. Für kurze Zeit kann die Lösung in einer braunen Flasche aufbewahrt werden.
Zusammensetzung der reduktiven Verkupferungslösung:
Lösung I:
170g Kaliumnatriumtartrat, 50g NaOH, 35g CUS04 x 5 H 2 0 , 30g Na2C03, 20m.1 EDTA., c=
0,1 molll werden in 1000 ml H 2 0 gelöst.
Lösung 11:
Formaldehydlösung w(HzCO) = 370/0
Unmittelbar vor Gebrauch wird eine Mischung von Lösungen 1 und 2 im Verhältnis 5: 1 hergestellt.
Die zu galvanisierenden Kunststoffgegenstände werden zunächst durch kräftiges Scheuern mit ATA oder ähnlichen Feinscheuerpulvem entfettet und aufgerauht. Anschließend wird der so behandelte Kunststoff etwa 5 Minuten in die Aktivierungslösung gelegt und nach dem Herausnehmen gut mit Wasser gespült.
Danach wird der Kunststoff für einige Sekunden (ca. 15) in die Bekeimungslösung unter Bewegung getaucht. Danach wird er wiederum gut mit Wasser abgespült.
Dann gibt man den Kunststoff in das reduktive Verkupferungsbad, dem man erst kurz vorher
die Formaldehyd-Lösung zugesetzt hat. Der Kunststoff bleibt in dieser Lösung bis sich eine
hauchdünne Schicht aus Kupfer niedergeschlagen. hat Der Vorgang dauert ca. 5-10 Minuten.
Vorteile des Galvanisierens von Kunststoffen:
• Gewichtserspamis (z.B. Automobilindustrie)
• Formenvielfalt
• Wirtschaftlichkeit
• Perfekte Optik
Anwendungsbereiche:
Die galvanisierten Kunststoffe werden in der Automobilindustrie, bei Möbelbeschlägen, 'bei Sanitärarmaturen, bei Haushaltsartikeln, bei Schmuckwaren, bei Phonogeräte usw. verwendet.
16.) Versuch Galvanisieren von Naturstoffen
Geschichte:
1840 gelang Moritz Hermann von Jacobi nichtmetallische Flächen, durch Überzug aus Graphit elektrisch leitend zu machen.
Versuchsbeschreibung:
Blätter, Blüten, Steine, Pappe usw. lassen sich galvanisieren, wenn man die Oberfläche durch Aufsprühen eines Leitlackes elektrisch leitend macht.
Auf ein Holzstäbchen wurde ein Leitlack aufgetragen. Es wurde ein Silber-Leitiack der Firma HERAEUS verwendet. Die Oberfläche muß sauber und staubfrei sein. Nach dem Trocknen kann dann galvanisiert werden. In diesem Fall wurde wie im obigen Versuch galvanisch verkupfert. Die Versuchsbedingungen waren die seIhen.
17.) Deutsches Museum
Im Deutschen Museum existiert eine Ausstellung über Galvanotechnik. Diese Allsstellung zeigt sehr deutlich was für eine wichtige Rolle die Galvanotechnik in unserer Gesellschaft spielt. Die Galvanotechnik findet unter anderen in der Automobil- und Zweiradindustrie, im Freizeitbereich, in der Bauindustrie, bei Gütern des täglichen Gebrauchs und in der
Elektronik, Luft- und Raumfahrt ihre Anwendung.
18.) Literaturverzeichnis
1. BASF: Spezialchemikalien, Spezialchemikalien für die Galvanotechnik
2. Gerstner: Skriptum zum anorganisch-chemischen Praktikum für Lehramtskandidaten, Marburg 1989
3. Glöckner, Jansen: Handbuch der experimentellen Chemie , Band 6: Elektrochemie, Aulis Verlag
4. Kortüm: Lehrbuch der Elektrochemie, Verlag Chemie GmbH, Weinheim/Bergstraße 1970 5. Lueger: Lexikon der Technik, Band 8, Deutsche Verlagsanstalt GmbH, Stuttgart 1967 6. Ullmanns Enzyklopädie der technischen Chemie, Urban und Schwarzenberg 1952
7. Winnacker-Küchler: Chemische Technologie, Band 4: Metalle, Hanser Verlag, München 1986
8. Zeitschrift: Chemie in unserer Zeit, 15. Jahrgang 1981, Nr. 6, Verlag Chemie GmbH , Weinheim 1981
9. Zeitschrift: Praxis der Naturwissenschaften Chemie , 23. Jahrgang 1974, Heft 8
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