INSTYTUT MATERIAŁÓW INŻYNIERSKICH I

BIOMEDYCZNYCH

INSTRUKCJA DO ĆWICZEŃ Z CHEMII OGÓLNEJ

“Miedziowanie prądowe II”

Opracowała

Dr inż. Santina Topolska

1. WŁASNOŚCI MIEDZI I POWŁOK MIEDZIANYCH

Miedź jest metalem o barwie czerwonawej. Krystalizuje ona z reguły w układzie

regularnym, niekiedy tworzy również kryształy oktaedryczne. Liczba atomowa miedzi

wynosi 29, natomiast masa molowa 63,546 g/mol, w temperaturze pokojowej (tj., 20

0

C)

gęstość miedzi wynosi 8,96 kg/dm

3

. Miedź w szeregu napięciowym metali znajduje się w

części pierwiastków elektrododatnich – jej potencjał standardowy wynosi; E

0

= +375 mV (dla

układu Cu

⇔ Cu

2+

+ 2e

-

).

Proces miedziowania stosuje się zarówno w celach ochronno-dekoracyjnych do

osadzania miedzi jako jednej z wielu warstw, np. powłoki Cu-Ni-Cr, jak również do celów

technicznych – w celu uzyskania pożądanych właściwości pokrywanych wyrobów,

wykorzystując w tym celu dobre przewodnictwo elektryczne miedzi.

2. ZJAWISKO ELEKTROLIZY

Elektroliza – jest to proces chemiczny przebiegający pod wpływem energii

elektrycznej.

Samorzutnie przebiegające reakcje utleniania i redukcji mogą być źródłem energii

elektrycznej ogniw. Niesamorzutne, wymuszone reakcje utleniania-redukcji, których

produkty są energetycznie bogatsze od substratów (reakcja przebiega w stałej temperaturze i

pod stałym ciśnieniem ze zwiększeniem się entalpii swobodnej), mogą być przeprowadzone

tylko wówczas, jeśli dostarczy się energii w postaci energii elektrycznej.

W procesie elektrolizy na elektrodzie dodatniej (anodzie) zachodzi proces oddawania

elektronów, natomiast na elektrodzie ujemnej (katodzie) występuje proces pobierania

elektronów. Zatem, katoda jest to elektroda, na której następuje proces redukcji, anoda –

proces utleniania.

Warunkiem niezbędnym do tego, aby proces elektrolizy mógł przebiegać, jest obecność

swobodnie poruszających się jonów, które mogą zmieniać swój stopień utlenienia, a zatem

proces elektrolizy może być prowadzony w roztworze polarnego rozpuszczalnika, w

którym substraty reakcji są zdysocjowane na jony, albo też w stanie stopionym, w którym w

skład mieszaniny substratów wchodzą jony zdolne do zmiany elektrowartościowości.

Prąd elektryczny płynący w obwodzie zewnętrznym jest przenoszony przez elektrony

gazu elektronowego, a w samym naczyniu elektrolitycznym (elektrolizerze) za

pośrednictwem jonów. Proces elektrolizy zaczyna przebiegać dopiero po przekroczeniu

pewnej, określonej dla danych substratów różnicy potencjałów między elektrodami. Ta

najmniejsza różnica potencjałów, która jest potrzebna do tego, aby elektroliza rozpoczęła

swój bieg, nosi nazwę potencjału rozkładowego. Wartość potencjału rozkładowego jest

zależna od rodzaju jonów ulegających redukcji na katodzie i utleniających się na anodzie,

oraz od rodzaju i budowy wewnętrznej samych elektrod. Proces elektrolizy prowadzi się

najczęściej w celu uzyskania na elektrodach wolnych pierwiastków.

Dla takiego przypadku, np. skutkiem wydzielenia się wolnych pierwiastków na zanurzonych

w roztworze elektrodach z biernego metalu (np. platyny), powstaje ogniwo o pewnej

określonej sile elektromotorycznej.

Np., jeżeli proces elektrolizy będzie biegł w wodnym roztworze chlorku miedzi (II)

stosując platynowe elektrody – to wówczas po przyłożeniu pomiędzy te elektrody pewnej

różnicy potencjałów nastąpi osadzanie się na katodzie niewielkiej ilości miedzi i wydzielenie

się wolnego chloru przy elektrodzie dodatniej. W ten sposób powstaje ogniwo

chloromiedziowe: (-) Pt,Cu/CuCl

2

/Cl

2

,Pt (+)

Jeżeli chlorek miedzi (II) nie rozkłada się samorzutnie na wolny chlor i miedź; potrzebne jest

w tym celu dostarczenie energii elektrycznej, to reakcja odwrotna (reakcja utworzonego

ogniwa) będzie reakcją samorzutną. Siła elektromotoryczna powstałego ogniwa

chloromiedziowego będzie skierowana przeciwnie do przyłożonego napięcia, i dlatego

dopóty, dopóki napięcie przyłożone będzie miało wartość niższą niż siła elektromotoryczna

tworzącego się w czasie elektrolizy ogniwa, proces praktycznie ustanie po wydzieleniu

pewnej bardzo niewielkiej ilości miedzi i chloru. Elektroliza może rozpocząć się dopiero

wtedy, kiedy napięcie przyłożone przewyższy siłę elektromotoryczną ogniwa, utworzonego z

produktów reakcji kontaktujących z jej substratami.

Często zdarza się, że proces elektrolizy wymaga przyłożenia znacznie większego

napięcia, niżby to wynikało z siły elektromotorycznej powstającego ogniwa. To dodatkowe

napięcie, które musimy przyłożyć ponad wartość odpowiadającą wartości siły

elektromotorycznej powstającego ogniwa, aby proces elektrolizy rozpoczął się, nazywamy

nadnapięciem.

Na nadnapięcie wpływa znacznie budowa powierzchni elektrody i jej skład chemiczny,

jak również to, że jest ono związane z gęstością prądu na elektrodzie i ze stężeniem oraz

składem samego elektrolitu.

Elektroliza prowadzona przy użyciu elektrod platynowych jest elektrolizą mało wydajną

i bardzo drogą, dlatego też w praktyce używa się elektrod roztwarzalnych – takich ażeby

dostarczały jony osadzanego metalu – w tym przypadku jest elektroda miedziana, o bardzo

wysokim stopniu czystości.

3. PRAWA ELEKTROLIZY (PRAWA FARADAYA)

Podstawowe prawa elektrolizy wynikają z zasady zachowania materii.

Pojedynczy elektron pobrany z katody powoduje zmniejszenie się elektrowartościowości

atomu lub jonu o l.

Elektron oddany anodzie powoduje zwiększenie elektrowartościowości atomu lub jonu o l.

Mol elektronów pobrany na katodzie spowoduje zmniejszenie się elektrowartościowości

o 1u mola redukujących się atomów, a mol elektronów oddany anodzie spowoduje

podwyższenie się elektrowartościowości o 1u mola utleniających się atomów.

Stąd ilość substancji w molach, która ulega przemianie na elektrodach, jest wprost

proporcjonalna do wielkości ładunku, który przepłynął przez roztwór (pierwsze prawo

Faradaya).

m

B

= Q

⋅k

B

m

B

– masa wydzielonej substancji,

Q – ładunek przepływający przez elektrolit,

k

B

– równoważnik elektrochemiczny substancji wydzielanej.

Z powyższych rozważań wynika też drugie prawo Faradaya – ilość elektryczności,

potrzebna do spowodowania przemiany 1 mola jonów na elektrodzie, jest równa ładunkowi 1

mola elektronów (stała Faradaya, F = 96500 kulombów) pomnożonemu przez liczbę

elektronów pobieraną czy oddawaną przez pojedynczy atom w procesie elektrodowym.

Dla przypadku rozpatrywanego powyżej – elektrolizy wodnego roztworu chlorku

miedzi (II), w celu osadzenia na elektrodzie 1 mola miedzi (Cu

0

) należy doprowadzić ładunek

– Q = 2

⋅ 96500 C, gdyż kation miedzi (II) dla przejścia w stan elektroobojętny pobiera z

elektrody 2 elektrony.

Ćwiczenie

Otrzymać powłokę miedzianą na blaszce mosiężnej, przy zadanej gęstości prądu i w

ustalonym czasie, oraz określić grubość uzyskanej powłoki.

Ze względu na brak elektrody platynowej – proces elektrolizy przeprowadzony zostaje za

pomocą elektrody roztwarzalnej (miedzianej, o stopniu czystości wynoszącym 99,9999%).

Pamiętać o prawidłowym podłączeniu elektrod!! Złe podłączenie spowoduje proces

roztwarzania blaszki mosiężnej!!!!

Literatura:

1. Praca zbiorowa: Poradnik galwanotechnika, WNT, W-wa 2002

2. Trzebiatowski W.: Chemia nieorganiczna, PWN, W-wa, 1977