11. Depuneri catodice de metale CUPRAREA

Scopul lucrăriiDepunerea cuprului pentru realizarea cablajelor imprimate utilizate în industria

electronică.

Depunerile catodice (galvanice) a stratelor metalice se fac in scopul cresterii rezistentei la coroziune a pieselor acoperite, imbunatatirii aspectului decorativ si marirea rezistentei acestora la uzura. Depunerile electrochimice (catodice) au la baza reactia catodica de reducere a ionilor metalici din solutii apoase : M+z + z e-→ M↓ pe suprafata piesei legata la polul negativ al unui circuit electric de electroliza (fig 1).

Depunerea catodica a metalelor din solutii apoase are loc la potentiale mai negative decit potentialul de echilibru al metalului in seria potentialeloe standard Volta.

Principiul lucrarii. Depunerile catodice de cupru prezinta o importanta deosebita din punct de vedere decorativ, protector cat si functional. In scop protector – decorativ cuprul se depune ca substrat inaintea depunerilor de crom, nichel, argint si staniu atat pe materiale metalice cat si pe materiale nemetalice cum ar fi materiale plastice si ceramice. In scop functional, datorita conductibilitatii electrice ridicate depunerile de cupru sunt utilizate pe scara larga in tehnologiile electrotehnice si electronice.

In lucrarea de fata se va efectua o cuprare cu anod solubil, adica se va depune un strat de cupru pe o placa de alama. Electrodepunerea cuprului are loc intr-o celula de electroliza (fig. 1), utilizand drept electrolit o solutie acida de CuSO4. Anodul celulei este o bara de

cupru, iar la catod se plaseaza piesa ce urmeaza a fi protejata.

Sulfatul de cupru se disociaza in solutie conform ecuatiei:

CuSO4®Cu2+ + SO42- (1)

La electrozii instalatiei de electroliza se desfasoara urmatoarele reactii electrochimice:

Catod (alama): Cu2+ + 2e-® Cu (reducere) (2)

Anod (cupru): Cu - 2e-®Cu2+ (oxidare) (3)

6

1

5

4

3

2A

Fig 1. Montaj de electroliza

Sursa de curent continuuRezistenta variabilaAnodCatodVas electroizolantmiliampermetru

Potrivit reactiilor chimice de mai sus, la catod (polul negativ), deci pe piesa de alama, se depune cupru, iar anodul (piesa de cupru) se consuma (electroliza cu anod solubil).

Aparatura si substante: anod de cupru, catod de alama, solutie acida de sulfat de cupru, montaj de electroliza, balanta analitica.

Mod de lucru1. Se curăţă placuța de alamă pe care urmează să se facă depunerea;2. Se imersează câteva minute în soluţia de degresare, se spală în jet de apă; 3. Se imersează 3 minute în soluţia de decapare, se spală cu apă distilată şi se usucă apoi cu hârtie de filtru; 4. Se cântăreşte plăcuţa de alamă la balanţa analitică cu precizie de 0.01 g şi se notează masa iniţială, mi; 5. Se realizează montajul conform figurii 1; 6. Se montează electrozii în suportul special, se conectează la bornele sursei de curent continuu respectând polarităţile şi se introduc în baia de electroliză; 7. Se conectează instalaţia de electroliză la reţea şi se pune în funcţiune; 8. Se reglează cu ajutorul potenţiometrului sursei, intensitatea curentului electric la 0.5 A.ObservaţieObservaţie: în timpul electrolizei se va urmării ca intensitatea curentului electric să se menţină constantă.9. După 30 de minute se întrerupe funcţionarea instalaţiei; Catodul de alamă se scoate din celula de electroliză se spală cu apă distilată şi se usucă prin tamponare cu hârtie de filtru; 10. Se cântăreşte la balanţa analitică şi se notează masa finală, mf; 11. Se măsoară suprafaţa totală, S a plăcuţei de metal care a fost acoperită cu cupru.

Rezultate şi calcule: Se întocmeşte următorul tabel:

Metalul de

protejat

I[A]

t[ore]

mi

[g]mf

[g]mp

[g]mt

[g]c

[%]

S[cm2]

h[cm] []

Se calculează masa teoretică de cupru (mt ) conform legilor lui Faraday (relaţia 4), cunoscând ACu=63.54[g/mol];

(4)

in care: A - masa atomica a metalului (ACu=63,5 g)

I - intensitatea curentului de electroliza (A); t - timpul de electroliza (h); z - valenta metalului;

F - numarul lui Faraday (F= 96500 C = 26,8 A∙h) (1 C = A∙s) Se calculează masa de cupru depusă practic cu relația mp = mf - mi; Se calculează randamentul de curent cu ajutorul relaţiei (5);

(5)

Se calculează grosimea stratului de cupru depusă la electroliză cu relaţia (6) cunoscând Cu=8.93 [g/cm3].

(6)

unde: mp - masa practica de cupru depusa, g; S - suprafata piesei pe care s-a realizat

depunerea, cm2; g - masa specifica (densitatea) cuprului (gCu=8,93 g/cm3).

Exerciţii.1. Sa se calculeze curentul de electroliza (I) si timpul de electroliza (t) necesar depunerii unui strat de cupru de grosime (δ) 0,2 mm pe o suprafata (S) de 1 cm2 daca densitatea de curent (i=I/S) este 1,5 A/dm2

, iar ACu=63g, z=2 si F=96500 A.sec.2. O celula de producere a aluminiului prin electroliza solutiei de alumina in criolita topita necesita 20000 A. Cat aluminiu (mp) se obtine pe zi in celula de electroliza presupunand ca randamentul este 92%. Masa atomica a Al este 27 g iar F=96500 A.sec. 3. La electroliza unei solutii de fier la o intensitate de 4 A si un randament de 80%, se depun in 2 ore 4,45 g fier (mp). Care este starea de oxidare (z) a fierului in solutia respectiva. AFe= 56 g. 4. Pentru acoperirea completa a unui obiect de podoaba este necesara o cantitate de 2,5 g Ag.Folosindu-se la electroliza un anod de argint intr-o celula electrolitica cu solutie de AgNO3, timp de 10 min se cere: a) reactiile la electrozi; b) intensitatea curentului folosit la argintare; c) daca se foloseste un curent de 5 A, care este randamentul de curent? 5. Se cupreaza prin electroliza cu anod solubil de cupru un obiect cu dimensiunile 10-20 cm. Stratul de Cu depus are grosimea de 0,005 mm (= 8,9 g/cm3). Sa se scrie reactiile care au loc la electroliza CuSO4 si sa se calculeze timpul de cuprare daca intensitatea curentului este I = 5 A. Masa atomica a Cu este 64 g.