电镀(Electroplating)

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现代电化学与电镀的关係是,由义大利化学家布拉格奈特利(Luigi Valentino Brugnatelli, 1761-1818)在1805年开启。布拉格奈特利利用了他的同事伏特(Alessandro Volta, 1745-1827)五年前的一项发明,以电极进行了第一次电沉积(electrodeposition)实验。但布拉格奈特利的发明被法国科学院所压制,在之后的三十年中没有在一般的工业中应用。一直到了1839年,英国和俄罗斯科学家独立地设计了金属电沉积工艺,这种工艺类似布拉格奈特利的发明,可用于印刷电路板的镀铜。不久之后,英国伯明罕的约翰•莱特(John Wright,)发现氰化钾(KCN)水溶液是一个合适电镀黄金和白银的电解液。1840年,莱特的同事乔治埃尔金顿(George Elkington, )和亨利•埃尔金顿(Henry Elkington, )被授予第一个电镀专利。他们两人在伯明罕创建了电镀工厂,从此该技术开始传播到世界各地。他们两人在伯明罕创建了电镀工厂,从此该技术开始传播到世界各地。

电镀为一种电解过程,阳极为提供镀层金属的金属片,电解液通常为欲镀金属的阳离子溶液,非金属离子及其他化学成分所构成。阴极为被镀物极板(图1)。输入电流后,电解液中的金属阳离子游至阴极,其接受电子而还原成金属而附着在被镀物极板上。同时阳极的金属再溶解(氧化),提供电解液更多的金属离子。若使用不溶性阳极电极板(如石墨),则需另添加其他电解液补充欲镀金属之离子液体。

图1
电镀(Electroplating)

图1反应式:
(阴极)被镀物 M+ + e– → M
(阳极)金属板氧化 M → M+ + e–
  M:金属元素

电镀最主要的目的是把金属镀膜附着在基材表面上,进而改变基材表面的性质或尺寸。例如装饰品的黄金镀层,是为了得到光亮如镜且色泽多变的表面,同时又能兼具良好的耐蚀和耐磨性能。工业上的黄金镀膜,则是希望能够达到高导电性、低接触电阻、以及不易氧化等特性。

一般电镀时将被镀物体置于阴极上,使欲镀金属的离子还原于被镀物体表面,但也可以无电极电镀,即非电解电镀法(Electroless plating)为之。非电解电镀是以适当还原剂代替阴极,将已附着于被镀物品表面的金属离子还原。(图2)若与一般电镀比较,电解电镀固然可充分掌握电镀条件,但是非电解电镀法却可不受材质及导电度之限制,因此也受工商业所喜用。于众多非电解电镀试剂中,次磷酸(hypophosphorous acid)与锡(II) 离子是常用的还原剂。其镀层耐腐蚀性比一般的电镀为佳、密着性、耐磨性也较好。由于使用方便,目前印刷电路板多以此法镀银或镀铜。

另外非电解电镀法的例子就是银镜反应,在含氢氧化银(AgOH)或氧化银(Ag2O)的氨水溶液中,银离子会与氨结合成错离子Ag(NH3)2+而溶在水溶液中,加入适量还原剂如甲醛,还原的银金属会析出,而沉澱附着在反应容器的表面,形成一层光华明亮的银镜,如保温瓶中的银镜玻璃,就是利用此原理来製成。
HCH(aq) + 2Ag(NH3)2OH(aq) + NaOH→HCOONa(aq) + 2Ag(s) + 4NH3(aq) + 2H2O(l)

图2
电镀(Electroplating)
图2反应式:
金属析出反应 M+ + e– → M
氧化反应 Red + H2O → Ox + H+ + e–
M: 金属元素   Red: 还原剂   Ox: 氧化生成物

参考资料:
1. Electroplating. http://en.wikipedia.org/wiki/Electroplating
2. Plating. http://en.wikipedia.org/wiki/Electroless_plating
3. Luigi Valentino Brugnatelli.
http://ppp.unipv.it/musei/pagine/Biogra … gnaIng.htm
4. 5E Model Science Lessons. http://pei.cjjh.tc.edu.tw/~pei/
5. 《科学发展》,400期,37~41页,2006年4月。
6. 陈竹亭,选修化学(下),第29页,泰宇出版社,2008。