آبکاری الکتریکی: هنر پوشاندن فلزات
آبکاری از نگاه علم: الکترولیز در عمل
برای درک آبکاری، ابتدا باید با مفهوم سلول الکترولیتی آشنا شویم. اگر یک باتری معمولی را در نظر بگیرید، دو سر مثبت و منفی دارد. در آبکاری، ما از یک منبع برق مستقیم (مثل باتری یا رکتیفایر) استفاده میکنیم. سر مثبت منبع به یک قطعه فلزی متصل میشود که به آن آند میگویند. سر منفی نیز به جسمی که میخواهیم آبکاری شود (مثل یک قاشق) وصل میشود و آن را کاتد مینامند. هر دوی این قطعات درون یک محلول خاص به نام الکترولیت قرار میگیرند.
با روشن کردن جریان برق، یک سفر اتمی جالب آغاز میشود. یونهای مثبت فلزی موجود در الکترولیت (مثل $ Cu^{2+} $) جذب قطب منفی (کاتد) میشوند. در آنجا الکترونهای اضافی که از منبع برق به کاتد رسیدهاند، این یونهای مثبت را به اتم خنثی فلز تبدیل میکنند. این اتمها یکی پس از دیگری بر روی سطح جسم کاتد مینشینند و لایه فلزی مورد نظر ما را تشکیل میدهند. همزمان، اتمهای فلز آند، الکترون از دست داده و به یون مثبت تبدیل شده و وارد محلول میشوند تا غلظت الکترولیت ثابت بماند. این واکنش کلی را میتوان اینگونه نشان داد:
$ M^{n+} (aq) + n e^- \rightarrow M (s) $
که در آن $ M $ نماد فلز، $ n $ تعداد الکترونها، $ (aq) $ نشاندهنده حالت محلول و $ (s) $ نشاندهنده حالت جامد است.
مراحل گام به گام یک آبکاری ساده (مسکاری)
بیایید مراحل آبکاری یک قاشق فولادی با مس را به عنوان یک آزمایش ساده دنبال کنیم:
1. تمیزکاری سطح: قاشق (کاتد) باید کاملاً تمیز و عاری از چربی، گردوغبار و زنگزدگی باشد تا لایه مس به خوبی بچسبد. این کار با سمباده زدن و شستشو در محلول رقیق اسید انجام میشود.
2. تهیه سلول: یک ظرف شیشهای یا پلاستیکی مقاوم را با محلول سولفات مس پر کنید. یک قطعه مس خالص را به عنوان آند انتخاب کنید.
3. اتصال مدار: قطب مثبت منبع برق DC (مثلاً یک باتری 9 ولتی) را با سیم به تکه مس (آند) وصل کنید. قطب منفی را به قاشق (کاتد) متصل نمایید.
4. شروع فرآیند: هر دو قطعه (آند و کاتد) را درون محلول قرار دهید، به طوری که با هم تماس نداشته باشند. با برقراری جریان، بلافاصله خواهید دید که رنگ قاشق کمکم به رنگ صورتی-قرمز مس تغییر میکند.
5. پایان کار: پس از چند دقیقه (بسته به ضخامت لایه مورد نظر)، جریان را قطع کرده و قاشق را خارج کنید. آن را با آب شسته و خشک نمایید. حالا یک قاشق با پوشش براق مس دارید!
| فلز پوششی | الکترولیت متداول | مزایا و ویژگیها | مثالهای کاربرد |
|---|---|---|---|
| طلا | سیانور طلا یا محلولهای بدون سیانور | زیبایی، مقاومت در برابر اکسیداسیون، هدایت الکتریکی عالی | جواهرات، اتصالات الکترونیکی، مدالها |
| نقره | سیانور نقره | بازتابندگی بالا، هدایت الکتریکی و حرارتی عالی | ظروف غذاخوری، آیینهها، قطعات الکتریکی |
| کروم | اسید کرومیک ($ H_2CrO_4 $) | سختی بالا، مقاومت سایشی، درخشش آینهای | دکمهها، دستگیره خودرو، لوازم خانگی |
| روی | سیانور روی یا سولفات روی |
محافظت فداشونده در برابر خوردگی (محافظ گالوانیک5)
نیاز به پوشش ثانویه (مانند رنگ)
|
اتصالات فولادی، بدنه خودرو (زیر رنگ)، سطلهای فلزی |
| قلع | اسید سولفوریک و فنول سولفونیک اسید | غیرسمی، مقاوم در برابر خوردگی، لحیمپذیری خوب | قوطیهای کنسرو، اتصالات الکترونیکی، ظروف آشپزخانه |
آبکاری در خدمت صنعت و زندگی روزمره
تصور کنید دوچرخهای که پارک شده، دائماً در معرض باران است. اگر بدنه آن از فولاد ساخته شده باشد، به مرور زنگ میزند. اما با یک لایه آبکاری روی، این اتفاق نمیافتد. در این حالت، روی قربانی میشود و به جای فولاد اکسید میشود و از آن محافظت میکند. این یک کاربرد محافظتی است.
در تلفن همراه شما، اتصالات ریز داخل آن برای انتقال بهتر سیگنال، اغلب با یک لایه بسیار نازک طلا آبکاری شدهاند. زیرا طلا هدایت عالی دارد و زنگ نمیزند. این یک کاربرد الکتریکی است.
یا در خانه، دستگیرههای درخشانی که میبینید، احتمالاً کروم کاری شدهاند. کروم بهقدری سخت و مقاوم است که به راحتی خش برنمیدارد و همیشه درخشان به نظر میرسد. این یک کاربرد تزئینی-مقاومتی است.
حتی در برخی از خودروهای لوکس، بخشهایی از جلوپنجره یا اگزوز با کروم آبکاری میشوند تا ظاهری لوکس و براق داشته باشند. همچنین، بسیاری از ابزارهای جراحی با نقره آبکاری میشوند زیرا نقره خاصیت ضد میکروبی دارد.
پرسشهای متداول و اشتباهات رایج
پاسخ: خیر. جسمی که به عنوان کاتد استفاده میشود، باید هدایت الکتریکی داشته باشد تا الکترونها بتوانند در سطح آن جریان یابند. بنابراین، فلزات رسانای خوبی برای این کار هستند. برای آبکاری پلاستیک (مثل سپر خودرو)، ابتدا باید سطح آن را با یک لایه بسیار نازک فلز (معمولاً به روش شیمیایی) رسانا کرد و سپس آن را آبکاری الکتریکی نمود.
پاسخ: چند دلیل اصلی وجود دارد: 1) تمیز نبودن سطح جسم قبل از آبکاری که مانع چسبندگی یکنواخت میشود. 2) شدت جریان برق بسیار بالا که باعث میشود فلز با سرعت زیادی رسوب کند و لایهای شکننده و متخلخل تشکیل دهد. 3) غلظت نامناسب یا آلودگی الکترولیت. برای داشتن یک پوشش صاف و براق، باید این پارامترها به دقت کنترل شوند.
پاسخ: در طلاکاری شیمیایی، هیچ جریان برق خارجی استفاده نمیشود. بلکه، لایه طلا از طریق یک واکنش اکسایش-کاهش شیمیایی و با غوطهوری جسم در یک محلول شیمیایی خاص بر روی آن مینشیند. این روش برای پوشش دادن اجسام با اشکال پیچیده مناسبتر است اما کنترل ضخامت و یکنواختی در آبکاری الکتریکی بهتر است.
پاورقی
1 آبکاری الکتریکی (Electroplating یا Electro-deposition)
2 خوردگی (Corrosion): تخریب تدریجی مواد (معمولاً فلزات) بر اثر واکنش با محیط اطراف مانند اکسید شدن آهن و تشکیل زنگ.
3 آند (Anode): الکترودی که در یک سلول الکترولیتی به قطب مثبت منبع تغذیه متصل است و در آن اکسیداسیون (از دست دادن الکترون) رخ میدهد.
4 کاتد (Cathode): الکترودی که در یک سلول الکترولیتی به قطب منفی منبع تغذیه متصل است و در آن کاهش (به دست آوردن الکترون) رخ میدهد.
5 محافظت گالوانیک (Galvanic Protection یا Sacrificial Protection): روشی برای جلوگیری از خوردگی که در آن از یک فلز فعالتر (مانند روی) برای قربانی شدن و محافظت از فلز پایه (مانند آهن) استفاده میشود.
