XXVII Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся

Старт в науке

Исследование процесса гальванопластики на примере осаждения меди на различных материалах

• Авторы
• Руководители
• Файлы работы
• Наградные документы

Попов Е.О. 1

---

1МБОУ "СОШ № 8"

Егорова Т.Ю. 1

---

1МБОУ "СОШ № 8"

Работа в формате PDF

888.1 KB

Автор работы награжден дипломом победителя II степени

Диплом школьникаСвидетельство руководителя

Введение

Целью данной практической работы является экспериментальное исследование процесса гальванопластики на примере осаждения меди и получение металлической копии заданного объекта.

Для достижения этой цели были поставлены следующие задачи:

1. Изучить теоретические основы электролиза и условия электроосаждения компактного металлического слоя. 2. Освоить методику подготовки диэлектрических моделей для гальванопластики путем нанесения токопроводящего слоя. 3. Собрать лабораторную гальваническую установку и провести процесс электроосаждения меди в различных режимах. 4. Исследовать влияние ключевого технологического параметра (плотности тока) на качество полученного медного покрытия (скорость роста, равномерность, структура поверхности). 5. Проанализировать результаты, сделать выводы об оптимальных условиях проведения процесса и возможных источниках брака. 6. Провести исследование и сравнение осаждения меди на металлические поверхности и пластик. 7. Провести дополнительное исследование осаждения меди на объекты при добавлении дополнительных химических элементов.

Объект исследования: процесс электрохимического осаждения меди из кислого сульфатного электролита.

Предмет исследования:

1. качественные характеристики (адгезия, толщина, морфология) медного покрытия, полученного методом гальванопластики на неметаллической(пластиковой) и металлической модели.

2. качественные характеристики медного покрытия с добавлением тиомочевины.

Работа позволит наглядно понять роль каждого компонента гальванической цепи и получить уникальный навык создания металлических копий, лежащий в основе многих высоких технологий. Методы исследования: Работа с источниками информации. Теоретические исследования. Экспериментальные методы. Наблюдение. Анализ полученных результатов.

1. Теоретическая часть. Основы гальванопластики

1.1. Сущность и история открытия гальванопластики

Гальванопластика – технология получения точных металлических копий различных предметов, путем осаждения разнородных металлов на модели. Заготовка (то, с чего делают копию) помещается в ёмкость с электролитом и металлической пластиной. Она играет роль катода («плюса»). Отрицательным полюсом – анодом – является пластина. При воздействии электрического тока ионы металла с пластины переносятся на катод. После завершения реакции металлический слой достигает 0,2–2 мм и в точности повторяет форму исходного изделия. Начало этой технологии в России и во всем мире связано с именем Б.С. Якоби (1801-1874 гг.), который и открыл метод гальванопластики.

Процесс гальванопластики является частным случаем электролиза – окислительно-восстановительной реакции, протекающей под действием постоянного электрического тока в растворе или расплаве электролита.

2. Практическая часть. Этапы реализации работы

2.1. Схема и принцип работы гальванической установки

Для проведения процесса гальванопластики была собрана классическая гальваническая установка, принципиальная схема которой представлена на рисунке 1 (см. Приложение В). Принцип работы установки основан на протекании постоянного электрического тока через электролит, что вызывает направленное движение ионов и окислительно-восстановительные реакции на поверхности электродов.

Основные компоненты установки:

1. Источник постоянного тока (DC): регулируемый лабораторный блок питания источник тока (лабораторный блок питания или зарядное устройство для автомобильных аккумуляторов). Важно, чтобы была возможность регулировать силу тока; обеспечивает необходимую разность потенциалов для запуска и поддержания процесса электролиза. (Приложение А фото 5)

2. Электролитическая ванна: пластиковый контейнер с крышкой объёмом 1,2–1,5 л; служит резервуаром для электролита и электродов. (Приложение А фото 9)

3. Анод: положительный электрод. Использована пластина из технически чистой меди (M1) размером ~50x100x2 мм. Площадь анода должна быть не меньше площади катода для обеспечения равномерного растворения. Анод подключен к положительной клемме (+) источника тока.

4. Катод: отрицательный электрод. В качестве катода используется подготовленная неметаллическая модель (в данном эксперименте – пластиковая фигурка), на поверхность которой нанесен токопроводящий графитовый слой. Катод подключен к отрицательной клемме (-) источника тока.

5. Электролит: водный раствор, содержащий ионы осаждаемого металла.

Через него замыкается электрическая цепь. (Приложение А фото 9)

6. Соединительные провода с зажимами типа «крокодил»: обеспечивают

надежный электрический контакт между элементами цепи. При замыкании цепи на катоде (модели) происходит восстановление ионов меди из раствора и их осаждение в виде металла, формируя точную копию поверхности модели.

2.2. Описание материалов и реактивов

1. Модель (Катод):

Материал: железные гвозди и  пластик (ABS). Выбор пластика обусловлен химической стойкостью, гладкой поверхностью и легкостью нанесения токопроводящего слоя.

Форма: пластиковая декоративная рельефная фигурка (игрушка заяц и медведь). (Приложение А фото 12)

Способ проведения: для пластика -  метод графитизации – нанесение тонкого сплошного слоя графитовой дисперсии (графитовой смазки, растертой в спирте, или аэрозольного графитового спрея). Железные гвозди в токопроводящем слое не нуждаются.

2. Анод:

Материал: медь марки М1 (содержание Cu 99.9%). Выбор обусловлен необходимостью поддержания постоянной концентрации ионов меди в электролите за счет анодного растворения.

Подготовка: пластина зачищена наждачной бумагой (зернистость P400) до чистого металлического блеска для удаления оксидной пленки, обезжирена этанолом и промыта дистиллированной водой.

3. Электролит

Для гальванопластики меди был приготовлен кислый сульфатный электролит следующего состава:

Медный купорос (CuSO₄·5H₂O): 200 г/л. Является основным источником ионов меди (Cu²⁺). Обеспечивает необходимую концентрацию металла для осаждения.

Серная кислота (H₂SO₄, конц.): 50 г/л. Выполняет три ключевые функции:

- резко повышает электропроводность раствора, снижая рабочее напряжение

- предотвращает гидролиз сульфата меди (сдвигает равновесие, не допуская выпадения нерастворимого основания Cu(OH)₂).

- улучшает растворение анода, предотвращая его пассивацию.

Дистиллированная вода: растворитель.

Назначение компонентов: данный состав является стандартным и обеспечивает хорошую высаживающую способность, стабильность работы и получение плотных мелкокристаллических осадков.

Для эксперимента с тиомочевиной был использован тот же электролит, только с добавлением тиомочевины. (Приложение А фото 4)

Роль тиомочевины (CH₄N₂S):

1. Выравнивающий агент: адсорбируется на выступах поверхности, локально увеличивая поляризацию и замедляя там осаждение металла. Это способствует заполнению микровпадин и получению гладкой поверхности.

2. Блескообразователь: способствует образованию мелкозернистой, плотной структуры осадка с высоким естественным блеском без дополнительной полировки.

3. Смягчающая добавка: Снижает внутренние напряжения в осажденном металле, предотвращая растрескивание толстых слоев. Далее было организовано наблюдением за процессом. В соответствии с площадью объекта, был выставлен ток, соответствующий площади фигурок.

2.3. Технология подготовки модели

Качество подготовки поверхности модели напрямую определяет возможность и равномерность осаждения металла. Работа проводилась в следующей последовательности:

1. Механическая очистка и обезжиривание:

Модель была тщательно промыта в теплой воде с моющим средством для удаления пыли и технологических загрязнений. Затем модель погружена в водный раствор кальцинированной соды (Na₂CO₃) на 2-3 минуты для обезжиривания, после чего промыта проточной водой. Заключительное обезжиривание проведено путем протирания поверхности ватным тампоном, смоченным в этиловом спирте.

2. Нанесение токопроводящего слоя (графитизация):

На очищенную и высушенную поверхность пластиковой модели с помощью мягкой кисти был нанесен тонкий, равномерный слой графитового спрея. Нанесение проводилось в 2-3 приема с промежуточной сушкой (2-3 минуты) для формирования сплошного, непросвечивающего, матово-черного слоя. Особое внимание уделялось покрытию труднодоступных мест и углублений рельефа.

3. Контроль качества проведения:

Проверена сплошность покрытия визуально: отсутствие проплешин и неокрашенных участков.

4. Подготовка к взвешиванию:

Подготовленная и высушенная модель была взвешена на ювелирных весах с точностью до 0.001 г. Полученная масса (m₁) зафиксирована как «масса до осаждения».

Данная методика обеспечивает создание на поверхности диэлектрика сплошного токопроводящего подслоя, который в процессе гальванопластики становится начальной поверхностью для роста металлической меди.

3. Результаты экспериментов и их обсуждение

3.1. Эксперимент 1. Влияние плотности тока на процесс и качество осадка

Эксперимент №1 проводился в два этапа с использованием одной и той же модели и свежеприготовленной порции электролита. В качестве модели были использованы обычные железные гвозди. В данном опыте модели металлические. (Приложение А фото 8)

Опыт 1 (Опорный, в оптимальном режиме):

Напряжение на клеммах источника тока установлено U₁ = 3.0 В.

После погружения электродов и замыкания цепи сила тока установилась на уровне I₁ 0.07 А.

Рассчитанная плотность тока составила: Dк₁ = I₁ / S катода = 0.07 А /0.045 дм² ≈ 1.56 А/дм², что находится в рекомендованном диапазоне для получения качественного осадка.

Визуальные наблюдения:

Через 15-20 секунд после включения тока поверхность модели (катода) начала равномерно розоветь, приобретая характерный цвет меди.

В течение всего процесса (40 минут) осаждение протекало спокойно. На поверхности катода наблюдался равномерный розово-красный нарост металла. Выделение газовых пузырьков было минимальным и отмечалось лишь на самых острых краях модели.

Анод (медная пластина) постепенно терял гладкость, его поверхность становилась матовой, рыхлой, цвет темнел. Наблюдалось равномерное растворение меди.

Цвет электролита вблизи катода оставался голубым, существенного изменения прозрачности или окраски всего объема не произошло. (Приложение А фото 10)

Опыт 2 (С повышенной плотностью тока):

Напряжение увеличено до U₂ = 4.5 В для интенсификации процесса.

Сила тока резко возросла и стабилизировалась на уровне I₂ = 0.18 А.

Плотность тока составила: Dк₂ = 0.18 А / 0.045 дм² ≈ 4.0 А/дм², что превышает оптимальное значение.

Визуальные наблюдения:

Освоение началось практически мгновенно, уже через 5-10 секунд. Процесс протекал бурно. На острых углах и краях модели очень быстро образовались рыхлые, темно-красные, а затем черно-коричневые наросты дендритной структуры, похожие на мох. (Приложение А фото 11)

На ровных участках поверхности осадок также формировался быстрее, чем в первом опыте, но его цвет был более темным, матовым, без характерного металлического блеска.

Наблюдалось интенсивное выделение пузырьков газа по всей поверхности катода, что свидетельствует о протекании побочной реакции восстановления ионов водорода (2H⁺ + 2ē → H₂↑).

Растворение анода также было более интенсивным, его поверхность сильно потемнела и стала неровной.

Время проведения эксперимента было сокращено до 20 минут из-за быстрого образования крупных дефектов.

3.2 Таблицы и расчеты

Таблица 2.Исходные параметры и условия проведения экспериментов

Таблица 3.Результаты измерений массы и расчетные данные

Пояснения к расчетам в таблице 3:

*Теоретическая масса рассчитана по формуле: mтеор = (k * I * t), где k – электрохимический эквивалент меди (0.329 мг/Кл = 3.29·10⁻⁴ г/Кл).

Для Опыта 1: mтеор = 3.29·10⁻⁴ г/Кл * 0.07 А * 2400 с ≈ 0.055 г.

Для Опыта 2: mтеор = 3.29·10⁻⁴ г/Кл * 0.18 А * 1200 с ≈ 0.071 г.

**Средняя толщина осадка (δ) рассчитана по формуле: δ = Δm / (ρ * S), где ρ – плотность меди (8.96 г/см³ = 8.96·10⁻³ г/мм³).

Для Опыта 1: δ = 0.436 г / (8.96·10⁻³ г/мм³ * 450 мм²) ≈ 0.012 мм.

Для Опыта 2: δ = 0.795 г / (8.96·10⁻³ г/мм³ * 450 мм²) ≈ 0.022 мм.

Вывод по таблицам: данные показывают, что в Опыте 2 при вдвое меньшем времени масса осажденного металла оказалась почти в 1.8 раза больше, чем в Опыте 1. Это подтверждает прямую зависимость скорости осаждения от плотности тока. Однако расчетная теоретическая масса оказалась значительно меньше практической, что может быть связано с погрешностью измерений на ювелирных весах, неидеальной эффективностью тока (часть тратится на выделение водорода) и погрешностью в определении реальной площади сложной поверхности.

3.3 Влияние плотности тока на процесс и качество осадка

Полученные результаты наглядно подтверждают теоретическую зависимость структуры электроосаждаемого металла от катодной плотности тока.

1. Образование дендритов: на острых краях и выступах плотность тока локально еще выше. Здесь дефицит ионов меди проявляется сильнее всего, и рост кристаллов приобретает неконтролируемый, древовидный характер. Кристаллы начинают быстрее расти в направлениях, где доступ ионов лучше, образуя дендриты. Это является классическим признаком работы в закритическом режиме.

2. Соответствие с теорией: результаты полностью согласуются с теоретическими положениями, изложенными в пункте 1.3. Они демонстрируют существование оптимального диапазона плотности тока (для данного электролита ~1-2 А/дм²). В его пределах (опыт 1) скорость осаждения согласована со скоростью диффузии, что обеспечивает формирование плотного, компактного слоя.

3. Превышение этого диапазона (опыт 2) приводит к ухудшение качества покрытия: потемнение, рыхлость, дендритообразование и низкую адгезию. При прикосновении к покрытию, весь осаждаемый металл слез.

Вывод по пункту 3.3: экспериментально доказано, что плотность тока является ключевым технологическим параметром процесса гальванопластики. Ее увеличение сверх оптимального значения, хотя и ускоряет наращивание слоя (см. расчет толщины в п. 3.2), делает осадок непригодным для практического использования из-за резкого ухудшения его физико-механических свойств и точности воспроизведения рельефа. Для получения качественной металлической копии необходимо строго контролировать и поддерживать плотность тока в оптимальном диапазоне.

3.4 Эксперимент 2. Осаждение меди на пластиковых объектах

Проводится в 2 этапа: осаждение меди без добавок и с добавкой тиомочевины.

Идея: Сначала осаждаем медь без добавки, затем добавляем тиомочевину и наблюдаем разницу.

Эксперимент №2 проводился с использованием пластиковых фигурок. Для эксперимента используется 2 фигурки. Для начала необходимо рассчитать площадь фигурок, затем подготовить их для эксперимента: обезжирить и покрыть токопроводящим покрытием.

Метод графитизации – нанесение тонкого сплошного слоя графитовой дисперсии (графитовой смазки, растертой в спирте, или аэрозольного графитового спрея). Затем пластиковые объекты помещены в электролиты с разным составом: один с электролитом с медным купоросом (H₂SO₄), второй с добавлением тиомочевины (CH₄N₂S).

1. Опыт 3. Контрольный режим (без тиомочевины):

Налили в ванну часть основного электролита без тиомочевины.

Установили плотность тока 1-2 А/дм² площади модели.

Включили ток на 3-9 часов. Наблюдали: осадок становился матовым, зернистым, немножко, с древовидными выступами (дендритами).

2. Опыт 4. Режим с добавлением тиомочевины:

Отключили ток. Поменяли контрольный электролит.

Заполнили ванну электролитом с тиомочевиной (0,1 г/л).

Включили ток с той же плотностью.

Наблюдали немедленно: Через 2-3 минуты матовая поверхность начала становиться гладкой и блестящей.

Продолжили процесс в течение 3-9 часов для наращивания толстого слоя (0.5-1 мм).

Завершение процесса:

1. Отключено питание через 9 часов.

2. Обе модели были извлечены и промыты под водой.

3. Высушены при температуре 60°C в течение 30 минут.

3.5 Результаты и наблюдения

Таблица 4. Параметры процесса

Таблица 5. Сравнительный анализ массы и качественный анализ

Наблюдение за процессом осаждения меди на фигурке №1:

1. Через 3–5 минут: появление розовых пятен меди вблизи контактной точки.

2. Через 30 минут: равномерное покрытие 7% поверхности.

3. Через 5 часов: полностью закрытая на 90% поверхность, матовый розово-медный цвет.

4. Через 6 часов: покрытие розового цвета 90% поверхности.

5. Через 9часов: покрытие розового цвета без металлического блеска.

Наблюдение за процессом осаждения меди (с добавлением тиомочевины) на фигурке №2:

1. Через 3–5 минут: появление блестящих пятен меди вблизи контактной точки.

2. Через 30 минут: равномерное покрытие 10% поверхности.

3. Через 5 часов: полностью закрытая на 90% поверхность, блестящий золотой цвет.

4. Через 6 часов: покрытие золотого цвета 90% поверхности.

5. Через 9часов: покрытие золотого цвета с металлическим блеском.

3.6. Оценка качества покрытия

Внешний вид: 

равномерное покрытие без проплешин, потеков, частично рыхлые участки на фигурке №1;

равномерное покрытие без проплешин и рыхлых участков на фигурке №2, точное повторение образца, красивый блестящий оттенок. Копия хорошо повторяет форму, включая мелкие детали. Фигурку, покрытую тиомочевиной, срочно покрыли глянцевым лаком, чтобы предотвратить окислительный процесс.

3.7. Выводы

Разработана технология получения качественного медного покрытия на пластиковой модели с использованием промежуточного графитового подслоя и с добавлением тиомочевины как выравнивателя и как средства, дающего красивый блеск модели. Тиомочевина в концентрации 0,05-0,2 г/л является эффективной выравнивающей и блескообразующей добавкой для кислых медных гальванопластических ванн. Добавка позволяет получать плотные, низконапряженные осадки меди, пригодные для изготовления толстостенных металлических копий и форм.

Полученный результат: 

1. Пластиковые детали массой 6,766 г покрыты равномерным слоем меди толщиной 0,12 мм с отличной адгезией. Общая масса увеличилась до 15,538 г. и 16,125г. Покрытие обладает высокой химической стойкостью.

2. Оптимальные параметры процесса: напряжение 1,2 В, плотность тока 0,3–0,5 А/дм², время осаждения 9 часов, температура 22±2°C.

3. Технология позволяет создавать легкие электропроводящие изделия сложной формы с пластиковой поверхностью.

3.8. Техника безопасности

1. Работу проводить в проветриваемом помещении.

2. Обязательное использование СИЗ.

3. Не допускать попадания электролита на кожу и слизистые.

4. Утилизация отработанного электролита через пункты приема тяжелых металлов.

Заключение и выводы по работе

На основе проведенного теоретического и экспериментального исследования процесса гальванопластики меди можно сформулировать следующие выводы, которые последовательно отвечают на задачи, поставленные во введении:

1. Изучены теоретические основы процесса гальванопластики. Установлено, что процесс является разновидностью электролиза, где точное металлическое покрытие формируется на катоде за счет восстановления ионов меди (Cu²⁺ +2ē → Cu⁰) при растворении медного анода. Определены ключевые отличия гальванопластики (создание копии) от гальваностегии (нанесение покрытия).

2. Освоена практическая методика подготовки неметаллических моделей для гальванопластики. Отработана технология нанесения токопроводящего графитового слоя на пластиковую основу методом распыления, что является необходимым и достаточным условием для последующего электроосаждения металла.

3. Собрана и успешно апробирована лабораторная гальваническая установка на базе регулируемого источника постоянного тока, медного анода и кислого сульфатного электролита. Процесс электроосаждения меди был проведен в четырех различных режимах.

4. Экспериментально исследовано влияние плотности тока на качество осадка. Установлено, что в оптимальном режиме (Dк ≈ 1.56 А/дм²) формируется плотное, мелкокристаллическое, розово-красное покрытие с хорошей адгезией и равномерностью. В закритическом режиме с повышенной плотностью тока (Dк ≈ 4.0 А/дм²) наблюдается резкое ухудшение качества: осадок становится темным, рыхлым, дендритным на краях и по всей поверхности, с низкой адгезией и прочностью. Выделяется активно водород.

5. Выполнен количественный анализ: рассчитаны масса и средняя толщина осажденного слоя для обоих режимов. Подтверждена прямая зависимость скорости осаждения (прироста массы за единицу времени) от величины плотности тока. Обнаружено расхождение между теоретической (по закону Фарадея) и практической массой осадка, объяснимое неидеальной эффективностью тока и погрешностью измерений сложной поверхности.

6. Выполнен эксперимент с осаждением меди на пластиковой модели и на пластиковой модели с добавлением тиомочевины.

Список литературы

1. Гамбург Ю.Д. Электрохимия: учебник для ВУЗов / Ю.Д.Гамбург, Б.А.Пурин – Москва: Химия, 2018 – 384 с.- ISBN 978-5-91559-162-1.

2. Лайнер В.И. Основы гальваностегии/ В.И. Лайнер, Н.Т.Кудрявцев – Москва: Металлургия, 2018 – 392 с.

3. Практическое руководство по гальванотехнике / ред. А.М.Яковлев. – СПб.: «Профессия», 2014 -256 с.

4. Гальванопластика в искусстве и реставрации/научно-технический вестник «Реставрация и консервация» - 2021 - №4 – с.45-52

5. Гальванотехника: сайт «Химик.ру»-.- URL: https://www.xumuk.ru/encyklopedia

Приложения

Приложение 1

Фото автора

Изображение 1 Гальваническая установка (схема)