Τι είναι η ηλεκτρολυτική επιμετάλλωση;

Πώς λεπτά στρώματα ενός μετάλλου επιθέτονται σε ένα άλλο μέταλλο (επιμετάλλωση)

Υπό: Andy Crawford Tim Ridley / Getty Images μέσω: ThoughtCo

Από την Anne Marie Helmenstine, Ph.D. στο ThoughtCo. Ενημερώθηκε στις 15 Ιουνίου 2019

Η ηλεκτρολυτική επικάλυψη (επιμετάλλωση ή γαλβανισμός) είναι μια διαδικασία με την οποία πολύ λεπτά στρώματα ενός επιλεγμένου μετάλλου συνδέονται με χημικό δεσμό σε μοριακό επίπεδο στην επιφάνεια ενός άλλου μετάλλου. Η διαδικασία αυτή καθ' εαυτή περιλαμβάνει τη δημιουργία ενός ηλεκτρολυτικού στοιχείου: μια διάταξη που χρησιμοποιεί ηλεκτρισμό για να αποθέσει μόρια σε μια συγκεκριμένη θέση.

Πώς λειτουργεί η ηλεκτρολυτική επικάλυψη.

Η ηλεκτρολυτική επικάλυψη είναι η εφαρμογή ηλεκτρολυτικών κυττάρων κατά την οποία εναποτίθεται λεπτό στρώμα μετάλλου πάνω σε μια ηλεκτρικά αγώγιμη επιφάνεια.

Ένα κύτταρο αποτελείται από δύο ηλεκτρόδια (αγωγούς), συνήθως κατασκευασμένα από μέταλλο, τα οποία συγκρατούνται χωριστά το ένα από το άλλο. Τα ηλεκτρόδια βυθίζονται σε ηλεκτρολύτη (διάλυμα).

Όταν συνδεθούν με μια ηλεκτρική πηγή και κλείνει το κύκλωμα το διαρρέει ένα ηλεκτρικό ρεύμα, και θετικά ιόντα στον ηλεκτρολύτη κινούνται προς το αρνητικά φορτισμένο ηλεκτρόδιο, που ονομάζεται κάθοδος. Τα θετικά ιόντα είναι άτομα με ένα ηλεκτρόνιο λιγότερο. Όταν φτάνουν στην κάθοδο, παίρνουν ηλεκτρόνια και χάνουν το θετικό τους φορτίο.

Την ίδια στιγμή, αρνητικά φορτισμένα ιόντα κινούνται προς το θετικό ηλεκτρόδιο, που ονομάζεται άνοδος. Τα αρνητικά φορτισμένα ιόντα είναι άτομα με επιπλέον ηλεκτρόνια. Όταν φτάσουν στη θετική άνοδο, αφήνουν τα ηλεκτρόνια τους σε αυτήν και χάνουν το αρνητικό φορτίο τους.

Η Άνοδος και η Κάθοδος

Σε μία μορφή ηλεκτρολυτικής επιμετάλλωσης, το μέταλλο που πρόκειται να επιστρωθεί βρίσκεται στην άνοδο του κυκλώματος, με το προς επιμετάλλωση αντικείμενο να βρίσκεται στην κάθοδο. Τόσο η άνοδος όσο και η κάθοδος βυθίζονται σε ένα διάλυμα που περιέχει ένα διαλελυμένο μεταλλικό άλας - όπως ένα ιόν του μετάλλου επιμετάλλωσης - και άλλα ιόντα που δρουν για να επιτρέπουν τη ροή ηλεκτρισμού μέσω του κυκλώματος.

Το συνεχές ρεύμα τροφοδοτεί την άνοδο, οξειδώνοντας τα άτομα του μετάλλου και διαλύοντας τα στο ηλεκτρολυτικό διάλυμα. Τα διαλυμένα ιόντα των μετάλλων ανάγονται στην κάθοδο, και εναποτίθεται το μέταλλο επί του αντικειμένου. Το ρεύμα μέσω του κυκλώματος είναι τέτοιο ώστε ο ρυθμός με τον οποίο διαλύεται η άνοδος είναι ίσος με τον ρυθμό με τον οποίο επιμεταλόνεται η κάθοδος.

Σκοπός της ηλεκτρολυτικής επικάλυψης

Υπάρχουν διάφοροι λόγοι για τους οποίους μπορεί να θέλετε να καλύψετε μια αγώγιμη επιφάνεια με κάποιο μέταλλο. Η επιμετάλλωση των κοσμημάτων ή ασημικών με άργυρο ή χρυσό  πραγματοποιείται συνήθως για τη βελτίωση της εμφάνισης και της αξίας των αντικειμένων. Η επιμετάλλωση με χρώμιο βελτιώνει την εμφάνιση αντικειμένων και βελτιώνει επίσης τη αντοχή τους στη φθορά. Επιμετάλλωση με ψευδάργυρο ή κασσίτερο μπορούν να εφαρμοστούν για να προσδώσουν αντίσταση στη διάβρωση. Μερικές φορές η ηλεκτρολυτική επικάλυψη γίνεται απλά για να αυξήσει το πάχος ενός αντικειμένου.

Παράδειγμα ηλεκτρολυτικής επιμετάλλωσης 

Επιμετάλλωση ενός μετάλλου (Me) με χαλκό σε λουτρό θειικού χαλκού
Υπό: Torsten Henning Public Domain, Wikimedia Commons

Ένα απλό παράδειγμα της διεργασίας ηλεκτρολυτικής επιμετάλλωσης είναι η ηλεκτρολυτική επίστρωση χαλκού (επιχάλκωση) στην οποία χρησιμοποιείται το μέταλλο που πρόκειται να επιστρωθεί (χαλκός) ως άνοδος και το διάλυμα ηλεκτρολύτη περιέχει το ιόν του μετάλλου που πρόκειται να επιστρωθεί (Cu²⁺ σε αυτό το παράδειγμα). Ο χαλκός πηγαίνει από την άνοδο στο διάλυμα  και επικάθεται στο μέταλλο (Me) ή τον αγωγό γενικότερα,  που είναι τοποθετημένο στην κάθοδο. Μία σταθερή συγκέντρωση Cu²⁺ διατηρείται στο διάλυμα ηλεκτρολύτη που περιβάλλει τα ηλεκτρόδια:

Άνοδος: Cu (s) → Cu²⁺ (aq) + 2 e^-

Κάθοδος: Cu²⁺ (aq) + 2e^- → Cu (s)

Ο στερεός χαλκός Cu (s) που παράγεται στην κάθοδο επικάθεται στον αγωγό που βρίσκεται εκεί.

Κοινές διαδικασίες ηλεκτρολυτικής επικάλυψης

Μέταλλο	Άνοδος	Ηλεκτρολύτης	Εφαρμογή
Cu	Cu	20% CuSO4, 3% H2SO4	γαλβανοπλαστική
Ag	Ag	4% AgCN, 4% KCN, 4% K2CO3	κοσμήματα, ασημικά
Au	Au, C, Ni-Cr	3% AuCN, 19% KCN, 4% Na3PO4 buffer	κοσμήματα
Cr	Pb	25% CrO3, 0.25% H2SO4	αυτοκίνητα
Ni	Ni	30% NiSO4, 2% NiCl2, 1% H3BO3	επινικέλωση
Zn	Zn	6% Zn(CN)2, 5% NaCN, 4% NaOH, 1% Na2CO3, 0.5% Al2(SO4)3	γαλβανισμός σιδήρου
Sn	Sn	8% H2SO4, 3% Sn, 10% cresol-sulfuric acid	κονσερβοποιία

Ηλεκτροτυπία (γαλβανοπλαστική) και τέχνη

Το περίφημο βάζο "Bryant Vase" της Tiffany and Company κατασκευάστηκε σχολαστικά από εξειδικευμένους τεχνίτες - μεταξύ των οποίων ο Augustus Saint-Gaudens και ο Eugene J. Soligny - που δούλευαν το ασήμι για περισσότερο από ένα χρόνο. Η επιμελήτρια Ellenor Alcorn περιγράφει πώς η Tiffany στη συνέχεια χρησιμοποίησε τη συναρπαστική διαδικασία ηλεκτροτυπίας του 19ου αιώνα για να δημιουργήσει αντίγραφα.
Video από: The Metropolitan Museum of Art, in conjunction with Dynamic Diagrams
 https://www.metmuseum.org/metmedia/video/collections/esda/electrotyping-process

Πηγές:

Helmenstine, Anne Marie, Ph.D. "What Is Electroplating?" ThoughtCo, Jun. 15, 2019, thoughtco.com/what-is-electroplating-606453. (Σύνδεσμος)