MỞ ĐẦU Mạ điện là một trong những phương pháp hiệu quả nhất để bảo vệ kim loại nền khỏi bị ăn mòn, chống xâm thực và có giá trị trang sức cao. Trong đó, lớp mạ đồng và hợp kim đồng có thể coi là lớp mạ phổ biến và lâu đời nhất. Lợp mạ đồng và hợp kim đồng rất đa dạng, nó có thể mạ trên hầu hết các kim loại và hợp kim, được dùng rộng rãi để làm lớp mạ lót trên sắt, tăng khả năng bám của các lớp mạ khác, tăng độ bển chống ăn mòn và độ bóng. Lớp mạ tiếp theo lớp mạ đồng bảo vệ chi tiết khỏi bị thấm cacbon, nitơ, oxi.
Vì điểu này sẽ làm giảm chất lượng kim loại nên, mặt khác, lớp mạ đồng đem oxi hóa sẽ thu được nhiều màu sắc làm tăng hiệu ứng trang trí. Lớp mạ đồng thau bám tốt vào các kim loại khác nhau, rất dễ đánh bóng, do đó, nó được dùng làm lớp mạ lót trước khi mạ niken, thiếc, chì. Mat khác, lớp mạ thau tăng được lực bám dính cao su, nên nó được mạ lên thép trước khi bọc cao su. Lớp mạ hoàng đồng thiếc chịu được lực ma sát trượt rất cao nên nó được dùng mạ lót các 6 trục xe, các thiết bị chịu ma sát, Lớp mạ hoàng đồng có tính chất chống thấm nitơ rất tốt cho thép khi gia nhiệt.
Ngoài ra, với việc chọn tỉ lệ đồng (Cu) nhất định trong hợp kim thau hay hoàng đồng, lớp mạ đồng thau và lớp mạ hoàng đồng cho màu giống vàng dùng làm lớp mạ trang trí giả kim hoàn. Là một giáo viên ngành hóa trong tương lai, việc nắm bắt được một công nghệ liên quan mật thiết đến bài giảng cũng như đời sống sẽ có ý nghĩa như sau ; - Giúp giáo viên vừa nghiên cứu khoa học vừa cải thiện đời sống. - Có thể giúp học sinh quan sát công nghệ hóa học mà trường phổ thông chưa thể đáp ứng, thực hiện tốt nguyên lý “hoc đi đôi với hành ”. - LA nơi giáo dục tốt cho học sinh lòng yêu nghề, yêu khoa học khi các em còn đi học và sau khi tốt nghiệp.
SVTH: Nguyễn Anh Tuấn- | Van C7ất Ughitp GVHD: TS Nguyễn Khươn - Gé6p phần vào công cuộc công nghiệp hóa - hiện đại hóa của đất nước ở ngay địa phương trường đóng. Vì những lý do trên, trong luận văn này chúng tôi tập trung nghiên cứu thành phần, điều kiện lớp mạ đồng và hợp kim đồng trên các chi tiết là hợp kim cũng như đơn kim phổ biến trong đời sống và kỹ thuật. Mục đích chính của luận văn : 1. Khảo sát thành phan và các tham số quan trọng của các dung dịch mạ đồng xyanua, dung dịch mạ đồng thau và dung dịch mạ hoàng đồng thiếc nhằm thu được lớp mạ ưng ý.
Lớp mạ đồng, thau hay hoàng đồng là lớp mạ catod, có tác dụng làm lớp mạ trung gian chống ăn mòn điện hóa, để lớp mạ có tính trang trí cao, cần thành phân gia công hóa học để có tác dụng vừa bảo vệ vừa trang trí, nên trong luận văn này còn có mục đích nghiên cứu thành phan và diéu kiện để gia công điện hóa hay hóa học lớp mạ đồng cho màu sắc hấp dẫn hợp thị hiếu. Trong thực t€ sau khi mạ lót lớp mạ đồng để chống ăn mòn điện hóa, ta cần mạ tiếp theo lớp mạ niken bóng, trên lớp mạ niken bóng người ta phải mạ lớp mạ crôm hay lớp mạ vàng thau, hoàng đồng với mục đích đánh bóng trang trí. Tuy nhiên dù thau hay hoàng đồng cũng sẽ bị sỉn màu trong không khí ẩm, vì thế trong thực tế công nghiệp, cần thiết phải phủ lên lớp mạ vàng thau hay hoàng đồng một lớp vecni không màu để giảm thiểu sự thay đổi màu sắc của chúng. Vì thế sơ đồ của luận văn này sẽ là : SVTH: Nguyễn Anh Tuấn- 2 Lujan Otn “7ất (2(giiệp GVHD: TS Nguyễn Khương SnPb, ZnAl.
4 [ Tẩy dấu | 4 4 ) L Rửa| J ] Gia công hóa + học, điện hóa tạo < | Ma đồng axitbóng | > |Thụ động hóa, bọc keo hiệu ứng màu + = |ecỄ2 4. Khảo sát, dé xuất biện pháp xử lý nước thải trong các công nghệ ma 5, Xây dựng một mô hình thí nghiệp ở phòng thí nghiệm trường phổ thông. SVTH: Nguyễn Anh Tuấn- 3 “thuận am ất ⁄2(giiệp GVHD: TS Nguyễn Khương PHẦN I : CƠ SỞ LÝ THUYẾT I. Thuyết điện ly Arrehenius : - Các axit, bazơ, muối khi tan trong nước phân ly thành các cation (ion dương) và các anion (ion âm).
Dưới tác dụng của dòng điện, ion dương chuyển về catod (cực âm), còn các anion chuyển về anod (cực đương). - Quá trình điện ly là một quá trình thuận nghịch. Mức độ điện ly của chất điện ly được đặc trưng bằng độ điện ly. c' a= L2 — N Cc n (hay c’) là số tiểu phân (hay néng độ) đã phân ly thành ion; N (hay c) là số tiểu phân (hay nồng độ) chất điện ly hòa tan.
O<a<l œ =0: chất không điện ly : rượu, ête, hydrô, cacbon, xéton,. a ~ 1 : chất điện ly mạnh : các muối (trừ một số muối phức), các hydroxyt, kim loại kiểm và kiểm thổ, các axit mạnh (HCI, HạSO¿, HNOs, HBr. Chất điện ly yếu : các axit hữu cơ, các axit yếu H;CO:, HS, H;SO¿, H;S¡O:, HCIO. œ tỷ lệ với sự tăng nhiệt độ va sự pha loãng dung dịch.
Sự điện ly của nước - Độ pH : Nước nguyên chất bị phân ly thành cation H và anion OH. Ở 25°C, một lít nước tao được 107 iongam H* và 107 iongam OH’. Từ phương trình điện ly, ta thấy số ion H và OH’ bằng nhau, Vì thế, độ axit (đặc trưng bằng số ion H*) và độ bazơ của nước nguyên chất là bằng nhau. Nếu thêm axit vào nước, nồng độ HỶ tăng lên, còn néng độ OH' giảm xuống và không bao giờ giảm đến 0.
Ngược lại, khi tăng nồng độ OH' thì nông độ H* giảm xuống và cũng không giảm đến 0. SVTH: Nguyễn Anh Tuấn- 4 Luin an “7ốt 2(giiệya GVHD: TS Nguyễn Khương Ở 25°C, tích số nổng độ ion HỶ và ion OH’ của dung dịch nước luôn là một hằng số : |H*] {OH} = 10°, Để biểu diễn độ axit hay baz của dung dịch người ta dùng khái niệm độ pH : + I p H= - lg g [H*] = lg ea]—— Như vậy, đối với nước nguyên chất, ta có pH = 7, dung dich axit pH < 7, dung dịch bazơ pH > 7. Sơ đồ điện phân : © Nguén điện một chiêu : pin, acquy, máy chỉnh lưu, máy phát điện một chiểu. Phổ biến nhất là máy chỉnh lưu.
Trong điện phân thường dùng máy chỉnh lưu có điện thế ra từ 3V - 50V tuỳ theo yêu cầu kỹ thuật cụ thể. Ví dụ, mạ niken thường dùng điện thế 6V - 12V, mạ crôm dùng điện thế 12V, đánh bóng điện hóa nhôm dùng điện thế 12V - 24V. Điện thế đo được giữa cực dương (anod) và cực âm (catod) là điện thế lúc điện phân được đo chính xác bằng đồng hé von kế (3). SVTH: Nguyễn Anh Tuấn- 5 Oan “7ất (À(qgiiệp GVHD: TS N nk @® Điện trở R : dùng để chỉnh dòng điện lớn nhỏ theo yêu cầu sử dụng.
® Vôn kế một chiều (DC): đo hiệu điện thế thực của 2 cực, là điện thế có tải. Nó phản ánh quá trình điện phân có bình thường hay không. Vôn kế được dùng phải phù hợp với điện thế thiết kế ở vôn kế. @® Ampe kế DC : Chỉ chính xác cường độ dòng điện qua dung dịch cũng như qua các điện cực.
Ampe kế cũng cho biết quá trình điện phân có bình thường hay không. Trong điện phân cần tránh hiện tượng chập mạch lúc này dòng điện sẽ lớn v6 cùng, gây cháy máy. ® Anod : nối với cực dương của nguồn điện một chiều. Trong mạ điện, anod có hai loại : - Anod hòa tan : dùng để mạ đồng, niken, kẽm, cadimi, than.
có tắc dụng bố sung các cation kim loại vào dung dịch làm ổn định thành phần dung dich. Anod tan theo phương trình : M-ne ---> M°*, Cu - 2c ---> Cu’, Các cation kim loại tan vào dung dịch điện phân đi đến catod còn các elctron hóa trị ở lại trong kim loại anod, được nguồn điện hút sang catod theo mạch ngoài. - Anod không tan : than chì, thép không gỉ, bạch kim, được dùng để anod hóa nhuộm màu, tẩy gi, làm bóng điện hóa hay mạ crôm, Khi điện phân, bể mặt anod không tan, xảy ra quá trình oxy hóa nước, ion OH’, CT. 2C] -2c --> Cl; 4OH' -4e --->2H,0 + O;+ ® Catod : nối với cực âm ổn điện.
Trong mạ điện, vật mạ được nối với catod. Trên bể mặt catod luôn xảy ra phản ứng khử. Ví dụ : M” +ne ---> MY SVTH: Nguyễn Anh Tuấn- 6 Luin Van Tét Ughi¢ p - GVHD: TS Nguyễn Khương Zn** +2e ---> Zn Cu” +2e ---> Cu 2H:O” +2c ---> Hạ + 2H,0. Khi điện phân, H; thường thoát ra ở catod song song với quá trình kết tủa kim loại.
Hạ thấm vào một số kim loại gây ra hiện tượng "giòn hidro”. Bể mặt catod trước khi ma cần phải sạch bóng, đều. Catod vật mạ phải ngập trong dung dịch mạ. ® Dung dịch chất điện phân thường có 2 phần : - Thành phan cơ bản gồm hợp chất chứa ion của kim loại mạ và một số hóa chất thiết yếu khác, nếu thiếu chúng thì dung dịch không thể mạ được.
- Thành phần phụ gia : + Chất làm bóng lớp mạ. + Chất đệm cố định pH. + Chất thấm ướt, chống bong. + Chất làm giảm sức căng nội, cho lớp mạ dẻo, không don, nứt, + Chất san bằng làm cho lớp mạ đồng đều.
+ Chất làm giảm sức căng bể mặt, chống thấm H; gây giòn. + Chất làm tăng độ dẫn điện. + Chất chống thụ động hóa anod nhằm ổn định dung dịch mạ. Đặc điểm dung dịch mạ : + Có độ dẫn điện cao nhằm giảm tổn thất điện và làm cho lớp mạ đều.
+ Có pH xác định để cho chất lượng tốt. Ví dụ : mạ Niken Ni pH = 4,5 - 5,5, mạ xyanua vàng pH = 10,5 - 11,5, mạ kẽm Zn pH = 3,5 - 4,0. + Mỗi dung dịch mạ cần có một nhiệt độ tối ưu để thu được lớp mạ tốt. ví dụ mạ : SVTH: Nguyễn Anh Tuấn- 7 luật Odin Fé f2(gitiệp GVHD: TS N n Kh Ni : 55 - 70°C, Ag : 20 - 30°C, Au : 60 - 70°C, Cr : 40 - 80°C.
Đồng xyanua : 50 - 70°C, + Mỗi dung địch có một mật đô dòng catod thích hợp, chẳng han: © Mạ đồng trong dung dịchaxi =: k = 2-4 A/dm’.