Galvanotechnik - Referat

Galvanotechnik

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2011

Inhaltsverzeichnis

1 Begriff der Galvanotechnik 2

2 Anwendung 2

3 Verfahren 2

4 Elektrolytisches Galvanisieren

mit loslicher Anode 3

4.1 Beschreibung des Versuchsaufbaus . . . . . . . . . . . . . . . . . 34.2 Beispiel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3

4.2.1 Verwendete Mittel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34.2.2 Eigenschaften des Nickelelektrolyts . . . . . . . . . . . . . 34.2.3 Anforderungen an die Gleichspannungsquelle . . . . . . . 44.2.4 Versuchsaufbau . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4

4.3 Ablauf . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54.3.1 Elektrolyt . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54.3.2 Kathode . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54.3.3 Anode . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5


mit unloslicher Anode 6

5.1 Beschreibung des Versuchsaufbaus . . . . . . . . . . . . . . . . . 65.2 Ablauf . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6

6 Chemisches Galvanisieren - Kontaktverfahren 8

6.1 Beschreibung des Versuchsaufbaus . . . . . . . . . . . . . . . . . 86.2 Beispiel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8

6.2.1 Verwendete Mittel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86.2.2 Versuchsaufbau . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8

6.3 Ablauf . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8

1

1 Begriff der Galvanotechnik

Der Begriff ist nach Luigi Galvani, dem Entdecker des Galvinismus (Erforschungvon Muskelkontraktion durch elektrischen Strom) benannt.Galvanotechnik bezeichnet allgemein eine elektrochemische Abscheidung metal-lischer Niederschlage auf Gegenstanden. Das bedeutet, dass nicht nur Metallebehandelt werden konnen, es ist auch moglich Objekte, die elektrisch leitendgemacht wurden zu galvansieren.1

2 Anwendung

Fur dekorative Zwecke:Zur Verbesserung der Optik, daher ist die aufgetragene Schicht meist dunn.Beispiele hierfur sind das Verchromen oder Vergolden von Gegenstanden.

Zur Steigerung der Funktionalitat:Wird angewendet, um die Eigenschaften eines Materials zu beeinflussen und zuverbessern.1

• Korrosionsschutz

• Verbesserung der Leitfahigkeit

• Verschleißschutz

• Erhohung der Gleitfahigkeit (z.B. Hydraulikzylinder)

3 Verfahren

Die Galvanotechnik umfasst eine Vielzahl verschiedener Verfahren.Einige Beispiele sind1:

• elektrolytisches Galvanisieren

• chemisches Galvanisieren

– Kontaktverfahren

– Reduktionsverfahren

• Gestellgalvanisieren

• Leiterplattenherstellung

1Vgl. Galva-projekt.de: “Galvanotechnik”,http://www.galva-projekt.de/doku.php?id=galvanotechnik.

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mit loslicher Anode

4.1 Beschreibung des Versuchsaufbaus

Das bekannteste Verfahren stellt das elektrolytische Galvanisieren dar. Unterder Einwirkung eines elektrischen Stromes wird ein chemischer Prozess erzwun-gen, der zur Abscheidung eines Metalles fuhrt.

Eine Gleichstromquelle sorgt fur die notige Energiezufuhr. Ein Teil der gelie-ferten elektrischen Energie wird in chemische Energie umgewandelt. Das Funk-tionsprinzip ist das Gegenteil einer Batterie, welche chemische in elektrischeEnergie umwandelt.

Ein Gefaß wird mit einem Elektrolyt befullt. Die Flussigkeit leitet nach demAnlegen einer Spannungsquelle den elektrischen Strom, ist also ein Leiter zwei-ter Klasse. Die Leitfahigkeit ist auf die Ionen zuruckzufuhren, d.h. die Atomeoder Verbindungen der Flussigkeit sind nach Außen positiv oder negativ geladen.

In die Flussigkeit werden zwei Elektroden getaucht und mit einer Span-nungsquelle verbunden. Durch Polarisation entstehen Anode (+) und Kathode(-). Aufgrund des Potentialunterschieds entsteht ein elektrisches Feld zwischenden Polen. Durch die im Feld bewegten Ionen der Flussigkeit, schließt sich derStromkreis. 2

4.2 Beispiel

4.2.1 Verwendete Mittel

Elektrolyt: NiSO4 - NickelsulfatAnode: Ni - NickelKathode: Me - Metall

4.2.2 Eigenschaften des Nickelelektrolyts

Nickelelektrolyte sind eine der am haufigsten verwendeten Elektrolyte in derGalvanotechnik. Sie kommen haufig vor der Verchromung zum Einsatz, um einehaft- und glanzvermittelnde Schicht zu erzeugen. Fruher wurden sie oft fur de-korative Zwecke verwendet. Die Anwendung in diesem Bereich ist mittlerweilestark eingeschrankt, da das verwendete Nickel bei vielen Menschen eine allergi-sche Reaktion auslost. Da Nickelschichten sehr schnell anlaufen, d.h. oxidieren,werden sie haufig verchromt.3

2Vgl. Galva-projekt.de, “Grundlagen der Metallabscheidung”,http://www.galva-projekt.de/content/21-grundlagen-der-metallabscheidung.html.

3Vgl. Galva-projekt.de: “Nickelelektrolyte”,http://www.galva-projekt.de/doku.php?id=nickelelektrolyte.

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Abbildung 1: Strukturformel Nickel-sulfat4

4.2.3 Anforderungen an die Gleichspannungsquelle

Die Verbindung zur Gleichspannungsquelle ist getrennt. Nach dem Eintauchender Elektroden in das Elektrolyt, kann dennoch eine Spannung zwischen diesengemessen werden. Um die Elektrolyse durchfuhren zu konnen, muss eine Zersetz-sungsspannung angelegt werden. Sie setzt sich aus der bereits gemessenen Diffe-renz der Redoxpotentiale und der Uberspannung zusammen. Die Uberspannungentsteht durch Ablagerungen von Abscheidungsprodukten auf den Elektroden,welche einen Austausch von Elektronen behindern.5

4.2.4 Versuchsaufbau

Abbildung 2: Elektrolyse von Nickelsulfat mit loslicher Anode

5Vgl. Wikipedia: “Nickel(II)-sulfat”,http://de.wikipedia.org/w/index.php?title=Nickel(II)-sulfat&oldid=87759264.

5Vgl. chempage.de: “Elektrolyse (Abscheidungspotential, Uberspannung)”,http://www.chempage.de/theorie/elektrolyse.htm.

4

4.3 Ablauf

Erklarung der Vorgange in den einzelnen Elementen des Versuchsaufaufbaus.6

4.3.1 Elektrolyt

Es kommt zu einer elektrolytischen Dissoziation, bei der das im Wasser gelosteSalz in positive und negative Ionen zerlegt wird.Im Beispiel: zweifach positiv geladene Nickel-Kationen und zweifach negativgeladene Sulfat-Anionen.

NiSO4 = Ni2+ + SO4

2− (1)

Durch das vorherrschende elektrische Feld wandern die entstandenen Ionen inRichtung der gegensatzlich geladenen Elektroden.

4.3.2 Kathode

Die positiv geladenen Ionen des Elektrolyts bewegen sich zur Kathode, dortangekommen nehmen sie Elektronen auf. Durch die stattfindende Reduktionentstehen neutral geladene Atome/Verbindungen, die sich im Gitterbau der Ka-thode anlagern.Dieser Vorgang wird Abscheidung genannt und ist eine Reduktion.

Ni2+ + 2e− −→ Ni (2)

4.3.3 Anode

Der Anode werden Elektronen entzogen. Durch ihre Loslichkeit versorgt sie dieFlussigkeit mit Ionen, wodurch der Metallgehalt in dieser aufrecht erhalten wird.Es findet eine Oxidation statt.

Ni −→ Ni2+ + 2e− (3)

6Vgl. Gaida, Bernhard: “Einfuhrung in die Galvanotechnik. Grundlagen der chemischen,elektrochemischen, physikalischen und elektrotechnischen Begriffe”. S. 170f.

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mit unloslicher Anode


Der Aufbau ist, bis auf den Austausch der Nickel-Anode mit einem Platinblech,identisch mit dem Vorherigen.

Abbildung 3: Elektrolyse von Nickelsulfat mit unloslicher Anode

5.2 Ablauf

Auch hier uberzieht sich die Kathode mit einer Nickelschicht. An der Anodesteigt Sauerstoff auf, erkennbar durch Blasenbildung. Um den Stromkreislaufaufrecht zu erhalten, muss die Anode mit Elektronen versorgt werden. Im vor-heringen Ablauf wurde dies durch ein Auflosen des Nickels erreicht. Das verwen-dete Platinblech lost sich jedoch nicht zu Platinionen, deshalb mussen Bestand-teile des Elektrolyten, also Molekule des Wassers oder Anionen oxidiert werden.

In verdunnten Elektrolyten wird aufgrund des geringeren Angebots an Sul-fationen uberwiegend eine Oxidation von Wassermolekulen erfolgen.

H2O −→ 2H+ +O + 2e− (4)

In konzentrierten Elektrolyten wird es uberwiegend zu einer Bildung vonPersulfat (S2O8

2−) kommen.

2SO42−

−→ S2O82− + 2e− (5)

6

Das entstandene Persulfat zerfallt in weitere Teile und bildet mit einem Was-sermolekul Schwefelsaure H2SO4. Der Nickel-sulfat-anteil der Losung geht zu-nehmend verloren, wahrend der Anteil an Schwefelsaure zunimmt.7


7

6 Chemisches Galvanisieren - Kontaktverfahren


Zwei Elektroden verschiedenen Metalles werden in ein Elektrolytbad gegeben.Uber einen Spannungsmesser werden sie leitend miteinander verbunden. Dieverwendeten Metalle mussen unedler als die im Elektrolyt vorkommenden Me-tallionen sein.Je unedler ein Metall, desto hoher sein Bestreben Elektronen abzugeben.

6.2 Beispiel

6.2.1 Verwendete Mittel

Elektrolyt CuSO4 - KupfersulfatMetall 1 Fe - EisenMetall 2 Al - Aluminium

6.2.2 Versuchsaufbau

Abbildung 4: Versuchsaufbau des Kontaktverfahrens

6.3 Ablauf

Beide Metalle gehen als Metallionen in Losung, dadurch bleiben Elektronen aufden Elektroden zuruck. Da Aluminium edler als Eisen ist, gibt es mehr Ionenab.

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Fe −→ Fe2+ + 2e− (6)

2Al −→ 2Al3+ + 6e− (7)

Es entsteht ein Potentialunterschied zwischen den Metallen. Uber den ange-schlossenen Verbindungsdraht findet ein Elektronenfluss zum hoher gelegenenPotential des Eisens statt. Die im Elektrolyt befindlichen Kupferionen werdenvon den Elektroden, hauptsachlich von der positiv geladenen Elektrode, angezo-gen. Dort angekommen nehmen sie Elektronen auf und werden zu Kupferatomenreduziert, wodurch sie sich in den Gitterbau der Elektroden eingliedern.

Cu2+ + 2e− −→ Cu (8)

Das unedlere Metall, in diesem Fall das Aluminium, wird als Kontaktmetall be-zeichnet. Auch dort kommt es zu einer Abscheidung von Kupfer. Ist die Ober-flache vollstandig bedeckt, ist das Verfahren beendet. 8


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Abbildungsverzeichnis

1 Strukturformel Nickel-sulfat . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42 Elektrolyse von Nickelsulfat mit loslicher Anode . . . . . . . . . . 43 Elektrolyse von Nickelsulfat mit unloslicher Anode . . . . . . . . 64 Versuchsaufbau des Kontaktverfahrens . . . . . . . . . . . . . . . 8

Literatur

[1] Gaida, Bernhard: “Einfuhrung in die Galvanotechnik. Grundlagen derchemischen, elektrochemischen, physikalischen und elektrotechnischenBegriffe”. 8. Auflage. Saulgau(Wurtt.): Eugen G. Leuze Verlag, 2004.

[2] Galva-projekt.de: “Galvanotechnik”, Version vom 18. No-vember 2010, 05:14 Uhr, abrufbar unter http://www.galva-projekt.de/doku.php?id=galvanotechnik, (28. April 2011).

[3] Galva-projekt.de, “Grundlagen der Metallabscheidung”,Version vom 27. Oktober 2010, 09:00, abrufbar unterhttp://www.galva-projekt.de/content/21-grundlagen-der-metallabscheidung.html,(28. April 2011).

[4] Galva-projekt.de, “Nickelelektrolyte”, Version vom 9. No-vember 2010, 06:52 Uhr, abrufbar unter http://www.galva-projekt.de/doku.php?id=nickelelektrolyte, (28. April 2011).

[5] Chempage.de, “Elektrolyse (Abscheidungspotential, Uberspannung)”,abrufbar unter http://www.chempage.de/theorie/elektrolyse.htm, (28.April 2011).

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