Galvanotechnik. 1. Definition Galvanotechnik (G.): 2. Theoretischer Hintergrund: [2]

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1 Universität Regensburg Institut für Anorganische Chemie Lehrstuhl Prof. Dr. A. Pfitzner Demonstrationsversuche im Wintersemester 2012/ November 2012 Betreuung: Frau Dr. M. Andratschke Referenten: Stangl, Erika; Simmel, Daniel Galvanotechnik 1. Definition Galvanotechnik (G.): [nach L. Galvani]: auf der Elektrolyse beruhende elektrochemische Arbeitstechnik zur Erzeugung metallischer Überzüge auf von selbst leitenden oder leitend gemachten Werkstoffoberflächen. Das zu beschichtende Werkstück dient als Kathode (Abscheidungselektrode) [ ]. Im weiteren Sinne rechnet man auch sogenannte stromlose Beschichtungsverfahren zur G., z. B. Verfahren zum Vernickeln. [1] 2. Theoretischer Hintergrund: [2] Die Galvanotechnik beruht auf dem Prinzip der Elektrolyse. Die Elektrolyse erfolgt mittels einer äußeren Spannungsquelle. Als Kathode und Anode werden elektrische Leiter verwendet. Der Stromkreis wird durch sich in Lösung befindliche Ionen geschlossen. Wichtig dabei ist, dass die Ionen sich frei bewegen können. Die Kationen wandern zur Kathode, an der sie reduziert werden und die Anionen bewegen sich zur Anode, wo sie oxidiert werden. Die Galvanotechnik nutzt dieses Prinzip, um Werkstoffe mit Metallschichten zu überziehen (s. Abb. 1). Als Anode verwendet man das abzuscheidende Metall und als Kathode den zu beschichtenden Gegenstand. Nichtmetalle müssen zuvor mit einem Leitlack besprüht werden, damit sie beschichtet werden können. Befinden sich im Galvanisierbad gelöste Ionen des abzuscheidenden Metalls, so kann eine inerte Anode, wie z. B. Graphit, verwendet werden, um den Stromkreis zu schließen (s. Versuche 1-3). - + e - e - Kathode Anode K + A - Elektrolytlösung mit Kationen (K + ) und Anionen (A - ) Abb. 1 Allgemeiner Versuchsaufbau (vereinfacht) 1

2 3. Versuche: Versuch 1: Verzinken eines Eisennagels [3, 4 (modofiziert)] Chemikalien: 1,2 g Zinksulfat-Heptahydrat ZnSO 4 7 H 2 O, 1,6 g Natriumhydroxid NaOH, 400 ml Wasser H 2 O, Aceton C 3 H 6 O (zum Reinigen) Geräte: Gleichspannungsquelle Stativ mit Stativklemmen Verbindungskabel mit Krokodilklemmen Wäscheklammern Schleifschwamm Becherglas (600 ml) Eisennagel (Fe) Graphitelektrode: Baubleistrift (C) Durchführung: Beobachtung: Erklärung: 1. 1,6 g NaOH werden in 400 ml H 2 O gelöst. Anschließend werden 1,2 g ZnSO 4 dazu gegeben und unter Rühren und Erwärmen in Lösung gebracht. 2. Der Eisennagel wird mithilfe eines Schleifschwammes gereinigt und mit Aceton entfettet. Der Baubleistift wird mit Aceton entfettet. 3. Eisennagel und Bleistift werden in die Lösung gestellt, wobei der Nagel als Kathode und der Bleistift als Anode geschaltet wird. 4. Es wird 5 Minuten bei 4,5 Volt und maximal 0,1 Ampere galvanisiert. Eine glänzende Zinkschicht setzt sich auf dem Eisennagel ab. Der Baubleistift wird nicht beschichtet. Die in der Lösung befindlichen Zn 2+ -Ionen werden an der äußeren Eisenschicht des Nagels zu Zink reduziert und bilden eine mikrometerdünne Schicht um den Nagel (vgl. Abb. 2). Der Bleistift als Graphitelektrode ist inert und nimmt nicht an der Reaktion teil. Kathodenreaktion: Zn e - Zn Vorher Nach ca. 5 Minuten Abb. 2 Bilder vor und nach Versuch 1 2

3 Versuch 2: Versilbern eines Kupferrings [4 (modifiziert), 5] Chemikalien: 0,3 g Silbernitrat AgNO 3, 7,5 g Thioharnstoff SC(NH 2 ) 2, 2 Tropfen konzentrierte Salpetersäure HNO 3, gelöst in 150 ml Wasser H 2 O, Aceton C 3 H 6 O (zum Reinigen) Geräte: Gleichspannungsquelle Stativ mit Stativklemmen Verbindungskabel mit Krokodilklemmen Wäscheklammern Schleifschwamm Becherglas (600 ml) Kochplatte Glasstab Kupferring (Cu) Graphitelektrode: Baubleistift (C) Durchführung: Beobachtung: Erklärung: 1. 0,3 g AgNO 3 und 7,5 g Thioharnstoff werden in 150 ml Wasser gelöst. Dabei muss mit Hilfe einer Kochplatte erhitzt und mit einem Glasstab gerührt werden. Anschließend werden 2 Tropfen konzentrierte HNO 3 zugeben. Dann lässt man die Lösung abkühlen. 2. Der Kupferring wird mithilfe eines Schleifschwammes gereinigt und mit Aceton entfettet. Der Bleistift wird mit Aceton entfettet. 3. Kupferring und Bleistift werden in die Lösung gestellt, wobei der Ring als Kathode und der Bleistift als Anode geschaltet wird. Es wird etwa 5 Minuten bei 1,5 Volt und maximal 0,1 Ampere galvanisiert. Der Ring überzieht sich schnell mit einer glänzenden Silberschicht. Der Bleistift wird nicht beschichtet. Die in der Lösung befindlichen Ag + -Ionen werden zu Silber reduziert und bilden auf dem Kupferring eine glänzende Silberschicht (vgl. Abb. 3). Der Thioharnstoff fungiert als Glanzmittel. Er bildet mit den Ag + -Ionen einen Komplex, wodurch die Abscheidung von Silber am Ring gezielt verlangsamt wird und somit gleichmäßiger abläuft. [6] Kathodenreaktion: Ag + + e - Ag Vorher Nach ca. 2 Minuten Abb. 3 Bilder vor und nach Versuch 2 3

4 Versuch 3: Vermessingen eines Kupferrings [3, 4 (modifiziert), 7] Chemikalien: 1,2 g Zinksulfat-Heptahydrat ZnSO 4 7 H 2 O, 4 g Kupfersulfat-Pentahydrat CuSO 4 5 H 2 O, 32 g Kaliumnatriumtartrat-Tetrahydrat KNaC 4 H H 2 O, 1,6 g Natriumhydroxid NaOH, 400 ml Wasser H 2 O, Aceton C 3 H 6 O (zum Reinigen) Geräte: Gleichspannungsquelle Stativ mit Stativklemmen Verbindungskabel mit Krokodilklemmen Wäscheklammern Schleifschwamm Becherglas (600 ml) Kupferring (Cu) Graphitelektrode (C) Bunsenbrenner Durchführung: Beobachtung: 1. 1,6 g NaOH werden in 400 ml H 2 O gelöst. Anschließend werden 1,2 g ZnSO 4 7 H 2 O gelöst und 32 g Kaliumnatriumtartrat-Tetrahydrat dazu gegeben. Zuletzt werden 4 g CuSO 4 5 H 2 O in die Lösung gegeben. 2. Der Ring wird mithilfe eines Schleifschwammes gereinigt und mit Aceton entfettet. Die Graphitelektrode wird mit Aceton entfettet. 3. Der Ring und die Elektrode werden in die Lösung gestellt, wobei der Ring als Kathode und die Graphitelektrode als Anode geschaltet werden. 4. Es wird 10 Minuten mit 4,5 Volt und maximal 1 Ampere galvanisiert. 5. Der Ring wird nach dem Galvanisieren kurz mit Wasser abgespült und anschließend kurzzeitig über der Bunsenbrennerflamme erhitzt. Auf dem Ring bildet sich ein matter, grauer Niederschlag. Nach dem Erhitzen über dem Brenner nimmt der Niederschlag eine goldglänzende Farbe an (vgl. Abb. 4). Die Graphitanode bleibt unverändert. Erklärung: Das Kaliumnatriumtartrat-Tetrahydrat verhindert das Ausfallen von schwerlöslichem Kupferhydroxid, indem es die gelösten Cu 2+ -Ionen komplex bindet. Bei Zuschalten von Strom scheiden sich die Zn 2+ - sowie die Cu 2+ - Ionen auf dem Kupferring ab und bilden eine matte, dunkle Metallschicht. Kathodenreaktion: Zn e - Zn Cu e - Cu Erst nachdem der Ring kurzzeitig über einen Bunsenbrenner erhitzt wird, bildet sich eine gelbglänzende Messingschicht (Kupfer-Zink-Legierung). Der Ring muss anschließend noch poliert werden. 4

5 Vorher Nachher Abb. 4 Bilder vor und nach Versuch 3 4. Alltagsbezug: [8] Das Beschichten mittels Galvanotechnik findet im Alltag vielfältige Anwendungsbeispiele. Grundsätzlich lässt sich zwischen funktionalem und dekorativem Zweck unterscheiden. Größte Differenz ist hierbei die aufgetragene Schichtdicke. Funktionale Galvanisierung dient dem Zwecke einer Eigenschaftsänderung. Hier wird z. B. durch Verzinken, Vernickeln oder Chromatieren ein anfälliges Metall, wie Eisen, korrosionsbeständig gemacht. Weiter werden Metalle versilbert oder vergoldet, um die elektrische Leitfähigkeit zu erhöhen. In Konkurrenz mit anderen Verfahren werden stark beanspruchte Bauteile in Maschinen durch Beschichtung mit anderen Metallen Oberflächengehärtet und somit abriebfester. Zu dekorativen Zwecken werden Werkstoffe i. d. R. mit einer dünnen Schicht hochwertigen Metalls überzogen, um so Wertigkeit zu suggerieren. Beispiele wären das Versilbern einfacher Eisen- oder Kupferringe, wie auch das einfache dekorative Verchromen von Auto- und Motorradbauteilen. Trägt man eine leitende Schicht auf, so können auch Nichtleiter dekorativ galvanisiert werden. Türgriffe in Autos bestehen aus verchromtem Kunststoff. Auch Blätter können zu Schmuckstücken verarbeitet werden. 5. Lehrplanbezug: [9] Galvanotechnik kommt in der Realschule nicht als eigener Themenbereich vor. Die Thematik kann jedoch unter folgenden Lehrplanpunkten in den Unterricht mit einbezogen werden. Im Zweig I (naturwissenschaftlich-mathematischer Zweig) kann das Thema Galvanotechnik in der 8. Klasse unter dem Lehrplanpunkt Ch 8.8 Chemische Bindungen Elektrolyse (E) behandelt werden. Verwendet man als Anode das abzuscheidende Metall, so lässt sich das Thema unter dem Lehrplanpunkt Ch 9.2 Redoxreaktionen als praxisorientiertes Beispiel verwenden. Im Zweig II/III (sprachlicher/hauswirtschaftlicher Zweig) ist das Thema Elektrolyse nicht verankert. Ein direkter Einbau in Unterricht ist nicht vorgesehen. Das Thema Redoxreaktionen wird nur im direkten Zusammenhang mit Sauerstoffübertragung behandelt. Somit ist auch hier keine Einbindung der Galvanotechnik in den Unterricht möglich. 5

6 Literatur: [1] Otto-Albrecht Neumüller: Duden, Das Wörterbuch chemischer Fachausdrücke, Dudenverlag, Mannheim, Leipzig, Wien, Zürich, 2003, S. 263 [2] Charles E. Mortimer, Ulrich Müller: Chemie, Das Basiswissen der Chemie, 10. Auflage, Thieme Verlag, Stuttgart, 2010, S , 364 [3] (modifiziert) (Stand: ) [4] Hans Keune, Wolfgang Filbry, Chemische Schulexperimente, Band 2 (Anorganische Chemie, Teil 1), 1. Auflage, Verlag Harry Deutsch, Thun, Frankfurt/M., 1978, S , 261, 262 [5] (Stand: ) [6] Nasser Kanani: Galvanotechnik, Grundlagen, Verfahren, Praxis, Hansa Verlag, Hamburg, 2000, S. 80 [7] Arnold F. Holleman, Egon Wiberg, Lehrbuch der Anorganischen Chemie, 100. Auflage, de Gruyter Verlag, New York, 1985, S [8] (Stand: ) [9] (Stand: ) 6

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