Текст книги "Занимательная гальванотехника: Пособие для учащихся"

Автор книги: Николай Одноралов

сообщить о нарушении

Текущая страница: 1 (всего у книги 5 страниц)

Одноралов Николай Васильевич
«Занимательная гальванотехника: Пособие для учащихся»

От автора

Книга «Занимательная гальванотехника» предназначена для учащихся. Мы назвали ее занимательной, так как в ней описаны наиболее эффектные декоративные отделки металла и изготовление гальванопластикой различных декоративных металлических изделий.

Юные читателе этой книги найдут самые различные способы декоративных отделок металла: серебрение, никелирование, хромирование и другие покрытия, а также способы цветного оксидирования металла в красивые яркие цвета.

Технология и рецептура, предлагаемые нами, просты, практически проверены автором и могут быть легко освоены школьниками, знакомыми с элементарными основами химии и электротехники. Автор в своей работе стремился способствовать развитию практических интересов учащихся и приобретению ими навыков самостоятельного пополнения знаний.

Мы считаем, что данная книга, носящая прикладной характер, может явиться пособием для школ на уроках химии и при организации производственного обучения школьников, а также быть использована юными техниками во Дворцах пионеров.

Книга состоит из двух разделов: гальванопластики, где описаны способы получения копий с художественных изделий в металле, и гальваностегии, где описаны способы декоративной отделки этих изделий путем оксидирования – придания соответствующего цвета изделиям или покрытия их серебром, никелем и другими металлами, придающими гальванопластическим изделиям красивый внешний вид.

В настоящем издании некоторые разделы книги дополнены и переработаны.

Метод гальванопластики находит широкое применение в различных областях промышленности – машиностроении, приборостроении для получения высокоточных или тонкостенных изделий и др.

Особенно широкое применение находит гальваностегия, имеющая особо важное значение почти во всех областях машиностроения, для нанесения защитных, декоративных и специальных металлических покрытий. Сюда относятся покрытия, наносимые с целью повышения твердости, износоустойчивости, жароустойчивости, коррозиоустойчивости, для декоративных целей и т. п.

Все эти методы гальванотехники дают возможность улучшать изделия, выпускаемые нашей промышленностью, экономить и заменять цветные металлы. Поэтому овладение технологией гальваностегии и гальванопластики на основе теоретических и практических знаний дают возможность не только получить общее представление о прикладной электрохимии, но и овладеть определенными навыками в этой области, что даст возможность перенести их в производственные условия тем, кто посвятит себя этой интересной работе.

История и цель гальванопластики

Много веков прошло, пока человек сумел расплавить металл, сделать его текучим и придать металлу посредством заполнения формы любой требуемый вид. Расплавленный металл вливали в каменные формы, сделанные из мягкого камня, жировика – стеатита, который легко поддается обработке путем вырезывания и выдалбливания. Позднее стали применять формы из глины с песком и т. д.

Литье металла стало в настоящее время важным техническим процессом, исходным в обработке металлов. Современная техника вооружена многими способами литья, но не все существующие способы дают достаточно точное воспроизведение нужной конфигурации в металле: здесь сказываются материал, из которого изготовлены формы, точность их изготовления, усадка металла, деформации, возникающие при неравномерном остывании металла и т. д. Поэтому литейщики упорно и небезуспешно работают над тем, чтобы получать отливки безукоризненной точности.

Существуют способы придавать металлу требуемую форму и не прибегая к отливке, штамповке, чеканке. Эти способы связаны с изготовлением сложного, дорогого и быстро изнашивающегося инструмента. Так готовят, например, монеты. Изготовить крупные изделия с высоким рельефом этим путем невозможно.

Здесь на помощь приходит гальванопластика, воспроизводящая форму в металле с безукоризненной точностью и любым рельефом. Гальванопластика основана на электролизе водных растворов солей металлов, которые в процессе электролиза выделяют металл, осаждающийся на поверхности форм. Гальванопластику применяют там, где требуется точность изготовления изделий или деталей в металле.

Более ста лет прошло с тех пор, как русский ученый Борис Семенович Якоби открыл способ электролитического получения копий в металле. Это было выдающееся открытие; в истории культуры оно приравнивалось Русским техническим обществом к открытию книгопечатания. Новый способ был назван гальванопластикой, так как осаждаемая в процессе электролиза медь пластически точно воспроизводила форму пластинки, на которую осаждалась.

После открытия гальванопластики Б. С. Якоби продолжал работать над усовершенствованием своего открытия и только в 1838 г. продемонстрировал свое изобретение в Академии наук в Петербурге. С тех пор гальванопластика получила самое широкое распространение Вскоре в Петербурге впервые в мире было организовано крупное промышленное гальванопластическое предприятие – завод по изготовлению монументальной скульптуры.

Образцы работ русских мастеров, создавших значительное количество гальванопластических художественных изделий, многократно демонстрировались на всемирных выставках в Лондоне, Париже и других городах Европы. В 1867 г. на Всемирной парижской выставке Б. С. Якоби выступил с отчетом о результатах своих исследований в области гальванопластики, которые не утратили своего значения и поныне.

На Всемирной парижской выставке были представлены не только художественные изделия и монументальная скульптура, выполненная путем гальванопластики, но и образцы технических изделий, изготовленных этим способом. Их представил последователь Б. С. Якоби Ф. Г. Федоровский.

Россия являлась ведущей страной в техническом развитии гальванопластики с момента ее открытия. Существуют две области гальванотехники. Одна из них занимается осаждением тонкого слоя металла (толщиной в тысячные доли миллиметра) на другой металл для защиты его от ржавления или декоративной отделки, придающей изделию красивый внешний вид.

К таким металлическим покрытиям относятся никелирование, хромирование, золочение, серебрение и многие другие покрытия. Эта область гальванотехники называется гальваностегией. Задача ее – получить возможно более крепкое соединение откладываемого металла с исходным металлом.

Другая область гальванотехники, которую мы будем описывать в этой книге, называется гальванопластикой; она занимается осаждением металлов толстыми слоями (измеряемыми в миллиметрах), причем осаждение металла производится с целью последующего отделения от покрываемой металлом формы, поэтому крепкого соединения здесь не нужно, изделием является сам отложенный слой металла.

Гальванопластическим способом можно изготовить самые разнообразные художественные изделия. Формы для отложения готовят не только из металла, но и из материалов, не проводящих электричества (например, из гипса, воска, пластических масс), для чего их поверхности делают предварительно электропроводными.

Гальванопластику используют не только в промышленности, где изготовляют этим способом детали машин и приборов, но и в искусстве, где создают копии скульптур и различных художественных изделий из металла.

Гальванопластика является одним из важных методов в полиграфической промышленности, где техника изготовления клише – гальваностереотипов – значительно повышает качество печати книг и иллюстраций. Копирование гравюр на дереве, линолеуме и т. п. до сего времени осуществляется только гальванопластически. С помощью гальванопластики изготовляют также матрицы, которыми прессуют из пластмассы патефонные пластинки.

Области применения гальванопластики в технике обширны и разнообразны: она применяется везде, где точность воспроизведения литья или штамповки оказывается грубой и недостаточной.

Каждый школьник, построив гальванопластическую установку, сумеет не только снимать копии с художественных металлических, гипсовых, пластмассовых и других изделий, но и, умея лепить в пластилине или глине, сможет свои работы затем переводить в металлические изделия гальванопластическим способом.

Гальванопластическим способом можно выполнять множество интересных работ. Делать обычные кружева металлическими и ими украшать деревянные изделия, шкатулки, ларцы и т. п., изготовлять филигранные – ажурные – подстаканники, хлебницы, создавать ювелирные изделия, например броши, браслеты, делать ажурные рамки для фотографий и многие другие красивые изделия.

Гальванопластическим способом можно отделывать изделия из пластических масс и стекла, наращивая металл по заранее нанесенному на них рисунку.

Применять гальванопластику можно и для получения металлических гербариев, делая оттиски на воске с растений и затем наращивая на восковые отпечатки металл. Можно металлизировать гальванопластическим способом цветы, семена и т. п.

Таким образом, занимательная гальванопластика в школе и дома может найти самое широкое применение не только своей занимательностью и практическим изучением электрохимии, но и созданием изделий прикладного и декоративного искусства.

Гальванопластический способ получения художественных изделий в металле отличается от литья тем, что может применяться в условиях лабораторий, физических и химических кабинетов школ, на станциях юных техников, а также в домашних условиях в отведенном и оборудованном для этого месте. Этот способ не требует сложного или недоступного оборудования и материалов; все, что требуется для выполнения гальванопластических работ, вполне может быть найдено среди школьных приборов и реактивов или на станциях юных техников, а при создании гальванопластической мастерской в домашней обстановке может быть приобретено в магазинах (медный купорос, серная кислота).

Описываемые практические работы в «Занимательной гальванотехнике» доступны каждому школьнику, знакомому с элементарными основами химии и физики.

Законы электролиза

Металлы, применяемые в гальванопластике, выделяются из водных растворов их солей: сульфата меди, железа и других. Молекулы этих солей, растворяясь, подвергаются электролитической диссоциации, т. е. распадаются на ионы, несущие положительные и отрицательные заряды.

Вещества, распадающиеся при растворении в воде на ионы, называют электролитами. В технике для простоты электролитом называют самые растворы этих веществ. Если в электролит погрузить два электрода и присоединить их к полюсам источника постоянного тока (рис. 1), например, к гальванической батарее или аккумулятору, причем к отрицательному полюсу подключить форму, проводящую электрический ток, а к положительному – пластину из того металла, из которого мы хотим получить металлическое изделие, то будет происходить электролиз.

Рис. 1. Гальваническая ванна.

При этом положительно заряженные ионы будут двигаться к отрицательному полюсу (в нашем случае к форме), называемому катодом, а отрицательно заряженные ионы будут двигаться к положительному полюсу, называемому анодом.

В гальванопластике для получения медного электролита наиболее распространен медный купорос или кристаллогидрат сульфата меди CuSО₄·5Н₂О. При прохождении электрического тока через водный раствор сульфата меди ионы меди (Сu²⁺), являющиеся катионами, несут положительные заряды, а кислотный остаток (SО₄^2-), являющийся анионом, несет отрицательные заряды. В результате разряда на катоде, т. е. в форме, выделяются металлическая медь и водород, а на аноде – кислород. На катоде всегда разряжается металл, а на аноде – кислотный остаток. Поэтому при составлении электролита применяют соли, содержащие ионы осаждаемого металла, а в качестве анода обычно применяют пластины из того металла, который хотят выделить на катоде.

М. Фарадей установил, что количества химических веществ, выделившихся на электродах, прямо пропорциональны количеству электричества, прошедшего через электролит.

Если, например, через электролит пропустить ток силой 1 А в течение 1 ч, то на катоде выделится такое же количество металла, какое выделится при прохождении тока силой 10 А в течение 0,1 ч.

М. Фарадей установил также, что количества веществ, выделенные на электродах равными количествами электричества, относятся друг к другу как химические эквиваленты этих веществ. Эквивалентная масса равна атомной массе, деленной на валентность. Так, например, атомная масса серебра равна 107,88, а так как серебро одновалентно, то эквивалентная масса его выражается тем же числом. Атомная масса меди равна 63,57, медь двухвалентна, поэтому эквивалентная масса ее 63,57:2 = 31,78.

Для выделения грамм-эквивалента любого металла должно пройти количество электричества, равное 26,8 А·ч (ампер·часам). Таким образом, от протекания 1 А·ч согласно закону Фарадея выделяется:

1 : 26,8 = 0,0373 (г·экв)

Расчет количества различных металлов, выделяемых 1 А·ч, приведен в таблице 1.

При пользовании этой таблицей для определения количества металла, выделяющегося при определенной силе тока за какой-либо отрезок времени, надо умножить величину, взятую из последней колонки, на силу тока в амперах и на время электролиза в часах.

Так, например, для определения количества меди, выделяющейся на катоде при силе тока 8 А за 3 ч электролиза, необходимо перемножить числа:

1,186·8·3 = 28,464 г.

Таким образом, при непрерывной длительности электролиза масса отложившегося металла зависит от силы тока. Сила тока, отнесенная к единице поверхности электрода, называется плотностью тока; она измеряется в амперах на квадратный дециметр (А/дм²).

Ввиду того, что плотность электролитической меди составляет 8,9 г/см³, в приведенном примере будет выделено 28,464: 8,9 = 3,18 г/см³. Если мы разделим это число на площадь поверхности изделия (например, в данном случае она равна 1 дм², т. е. 100 см²), получим толщину отложенного слоя меди, в нашем примере 0,31 мм.

Гальваническая установка и режим работы

Гальванопластические работы производят в сосудах-ваннах, имеющих обычно прямоугольную форму. Но могут использоваться сосуды и других геометрических форм. Емкость сосудов-ванн определяется объемом тех предметов, которые репродуцируют. Для снятия копии с медалей могут использоваться стеклянные цилиндрические банки емкостью 4–5 л, а при репродуцировании небольших барельефных работ – 10–20 л.

Для ванн могут применяться не только стеклянные сосуды, но и керамические – глазурованные, пластмассовые, в частности коробки от аккумуляторов, а также деревянные ящики, прочно покрытые горячим битумом, сварные из листовой пластмассы винипласта.

Для электролиза в гальванотехнике применяют постоянный ток низкого напряжения, обычно от 3 до 6 В.

Для получения постоянного тока можно пользоваться селеновыми или купроксными выпрямителями, а также выпрямителями тока на диодах.

Для школьных условий может быть рекомендован выпрямитель школьного электрораспределительного щита (рис. 2).

Рис. 2. Школьный электрораспределительный шит (ШЭ-56).

Для гальванопластических работ, производимых в домашних условиях, могут применяться аккумуляторы или жидкостные гальванические элементы типа Лекланше, Даниэля и др.

Для регулирования силы тока, которая определяется в 1–2 А на 1 дм² (и называется плотностью тока)[1]1
  Плотность тока есть отношение силы тока к рабочей площади катода; эта величина выражает силу тока, приходящуюся на единицу поверхности, в данном случае формы.


[Закрыть], применяют ползунковые или водяные реостаты.

Для измерения силы тока устанавливают амперметр постоянного тока, а для наблюдения за напряжением – вольтметр (смотри схему гальванопластической установки рис. 3).

Рис. 3. Схема гальванопластической установки:

_{1 – ванна; 2 – анод; 3 – катоды-формы для наращивания меди; 4 – источник постоянного тока; 5 – вольтметр; 6 – амперметр: 7 – реостат.}

Форму и медный электрод (анод) подвешивают в ванну на подвесках, медный электрод – на медном или латунном проволочном крючке так, чтобы отверстие в электроде и крючок не касались электролита во избежание разъедания крючка. Форма подвешивается на медной или латунной проволоке на расстоянии 15–20 см от электрода.

Электродом, соединенным с положительным полюсом источника (анодом), для медной гальванопластической ванны служит медная пластина толщиной от 3–4 мм и больше[2]2
  Для наращивания гальванопластической меди рекомендуются медные аноды с содержанием в меди 0,02—0,03 % фосфора. Такие аноды способствуют получению качественных осадков металла и стабилизируют электролит. Стабилизируют электролит и завешиваемые дополнительно к медным алюминиевые аноды.


[Закрыть].

Электродом, к которому присоединяется отрицательный полюс постоянного источника тока (катодом), служит форма.

Форму из воска или гипса предварительно делают электропроводной, покрывая слоем, проводящим электрический ток, – графитом; этот слой и присоединяют к отрицательному полюсу. Слой графита соприкасается с проложенной проволокой.

Состав электролита и его приготовление

Медный электролит для гальванопластических работ приготовляют на основе кристаллогидрата сульфата меди CuSО₄·5H₂О с добавкой серной кислоты H₂SО₄, повышающей электропроводность.

Для приготовления медного электролита отвешивают сульфата меди из расчета на 1 л воды 150–180 г. Растворение сульфата меди лучше всего вести в горячей или теплой воде. После полного охлаждения раствора и доведения его до комнатной температуры электролит фильтруют через ткань и затем в него осторожно вливают серную кислоту. Серную кислоту следует вливать медленно, тонкой струей, во избежание быстрого разогревания электролита и разбрызгивания, что может вызвать тяжелые ожоги.

В медных сульфатных ваннах содержание серной кислоты поддерживают в пределах 30–35 г/л.

Растворимость сульфата меди значительно снижается с увеличением содержания серной кислоты. При наличии повышенного содержания сульфата меди он выкристаллизовывается на стенках ванны и, что хуже, на аноде, затрудняя процесс электролиза.

Избыток серной кислоты в ванне вызывает хрупкие и недоброкачественные отложения меди из-за включения водорода, интенсивно выделяющегося на катоде, особенно при работе с повышенными плотностями тока. При недостаточной концентрации серной кислоты в электролите образуется рыхлый и пористый осадок меди, непригодный для практических целей (табл. 3).

Таблица 3. Отклонения, наблюдаемые при работе медного электролита, и меры их устранения

Кроме сульфата меди и серной кислоты, для повышения качества гальванонластической меди применяют добавки, например спирт в количестве 8—10 г/л. Добавка спирта значительно улучшает качество меди, делая ее мелкокристаллической, более твердой и упругой. Добавку спирта вводят не более нормы, так как большое количество добавки делает медь хрупкой.

Иногда в электролит могут попадать примеси в виде органических веществ, вредно влияющих на работу электролита. К таким веществам относятся клей, некоторые сорта резины и пр. Для устранения органических примесей подогретый электролит окисляют перманганатом калия (2–3 г на 1 л электролита) или удаляют их мелко истолченным активированным углем (2–3 г/л), а затем фильтруют.

В обычных гальванопластических электролитах поддерживают температуру на уровне 18–20 °C. Она может повышаться до 25–28 °C за счет выделения теплоты при прохождении электрического тока через электролит.

Фильтрование электролита должно осуществляться возможно чаще, это дает возможность удалять из ванн осадок – шлам, накапливающийся в виде порошкообразной меди, графита и пыли.

Чем выше плотность тока и чем интенсивнее растворяются аноды, тем больше шлама собирается в ванне, особенно при использовании низкосортной анодной меди. При таких электролитах шлам оседает на дно ванны, но более легкие его частицы, находясь во взвешенном состоянии, благодаря конвекции перемещаются к катоду, что может вызвать засорение гальванопластической меди.

Шлам, соприкасаясь с отлагающейся медью на катоде, включается в металл и вызывает образование шероховатостей и шишек, которые мешают дальнейшему равномерному отложению металла. Кроме того, графит, применяемый как электропроводящий слой для форм, также загрязняет электролит, что вызывает вкрапления графита в металл и способствует получению шероховатостей поверхности. Поэтому фильтрование электролита имеет важное значение для получения доброкачественных отложений меди. Обычно фильтрование производится сифонным переливанием электролита через фильтр из сукна, стеклянного или асбестового волокна.

Техника анализа медного электролита

Содержание серной кислоты определяется путем титрования.

Для определения содержания свободной серной кислоты необходимо иметь приборы: бюретку на 200 мл, пипетку на 1–2 мл, стеклянную палочку, два стеклянных стаканчика. Реактивы: раствор 0,2 н.[3]3
  Нормальный раствор готовится по плотности гидроксида натрия (или калия). Так, при плотности гидроксида натрия, равной 1,010 н., раствор будет равен 0,238.


[Закрыть] гидроксида натрия NaOH или гидроксида калия КОН и индикатора 0,1-процентный раствор метилового оранжевого.

Ход анализа

Перемешивают электролит и отбирают в колбу из разных мест ванны некоторое количество электролита; из колбы берут в стаканчик 20 мл электролита и разбавляют водой в 2–3 раза. В разбавленный электролит вносят стеклянной палочкой одну каплю индикатора и приступают к титрованию щелочью до перехода розовой окраски раствора в желто-лимонную.

Расчет содержания свободной серной кислоты в электролите производят по формуле

где х – количество свободной серной кислоты (в мг/л); А – количество раствора гидроксида, пошедшего на титрование пробы в миллилитрах; В – количество электролита, взятое для анализа, в миллилитрах; н. – нормальность раствора гидроксида; 0,049 – коэффициент пересчета на содержание серной кислоты; 1000 – коэффициент пересчета на 1 л.

Определение содержания меди

Наиболее простой и быстрый способ определения содержания меди в электролите основан на том, что плотность раствора сульфата меди и серной кислоты при одинаковой концентрации равны н при смешении этих растворов плотность смеси не изменяется. Измерив плотность электролита и зная количество серной кислоты в нем, можно по таблице 4 определить количество сульфата меди. Для определения необходимо иметь ареометр, цилиндр, термометр.

Ход анализа

Электролит размешивают в ванне и наливают в цилиндр. Затем опускают ареометр и определяют плотность электролита при температуре 25 °C.

После этого по таблице 4 находят общее содержание медного купороса и серной кислоты в соответствии с плотностью электролита. Зная количество серной кислоты в электролите, по разности находят содержание в нем сульфата меди.

Пример. Плотность электролита при температуре 25 °C равна 1,16, что соответствует общему содержанию сульфата меди и серной кислоты (CuSО₄ ·5H₂О + H₂SO₄) – 268 г/л.

Если по анализу содержание серной кислоты равно, например, 35 г/л, то содержание сульфата меди составит: 268 – 35 = 233 (г/л).