Galvanizácia je technika, ktorá umožňuje pokryť vodivý materiál extrémne tenkou vrstvou iného vodivého materiálu. Galvanickým pokovovaním môžete napríklad naniesť tenkú vrstvu zlata na kontakty spínačov a iných elektronických komponentov.

Princíp galvanizácie

Elektrolytická disociácia

Princíp galvanického pokovovania je tiež založený na princípe elektrolytickej disociácie. Niektoré elektrolyty môžete disociovať vo vani tak, že do nej zavesíte dve elektródy, ktoré sú pripojené na jednosmerný prúd. Jedna elektróda je predmet, ktorý sa má galvanicky pokovovať, druhá elektróda je kov, ktorým chcete predmet pokryť. Záporné ióny idú do kladnej dosky, kladné ióny do zápornej dosky. Na platniach sa ióny spájajú s elektrónmi a opäť vytvárajú atómy. Tieto atómy vytvárajú väzby, čím sa na jednej z elektród usadzujú tenké vrstvy zlata, striebra, cínu atď.

Klasifikácia

Všeobecná koncepcia galvanického pokovovania sa v praxi delí na:

• Galvanostegia: V tomto prípade ide o nanášanie veľmi tenkých vrstiev (50 µm až 100 µm) ušľachtilého kovu na menej ušľachtilý kov.

• Galvanoplastika: Pri tejto technike sa na objekt nanášajú hrubšie vrstvy kovu (od milimetrov až po centimetre), aby sa vytvorila forma, pomocou ktorej sa objekt kopíruje.

• Eloxácia: Špeciálna technika, ktorá je hojne používaná len pri hliníku, ktorá mu dodáva po aplikácii lepšie povrchové vlastnosti, poprípade farebnú úpravu. .

Galvanostégia

Príklad: pokovovanie železného predmetu meďou

Na nasledujúcom obrázku je znázornený príklad tejto techniky, konkrétne pokrytie železného predmetu tenkou vrstvou medi. V zásade to môžete robiť aj doma, pretože je potrebné použiť len málo chemikálií. Pripravíte kúpeľ pozostávajúci z destilovanej vody, v ktorej rozpustíte síran meďnatý CuSO₄. Potom musíte železný predmet veľmi starostlivo očistiť a odstrániť z neho každú mastnú škvrnu. Zaveste predmet do kúpeľa a pripojte ho vodičom k zápornému pólu nastaviteľného zdroja jednosmerného napätia. Ako druhú elektródu zaveste do kúpeľa medený plech a pripojte ho ku kladnému pólu.

Priebeh procesu

Zapnete zdroj napätia a nastavíte ho na také napätie, aby kúpeľom tiekol malý prúd. V dôsledku elektrolytickej disociácie sa síran meďnatý rozkladá na kladné ióny medi Cu++ a záporné síranové ióny S04--. Vplyvom elektrického poľa migrujú kladné ióny k železnému predmetu a záporné k medenej platni. Meďnaté ióny preberajú nadbytočné elektróny zo železa, čím sa ióny menia na plnohodnotné atómy medi. Tieto atómy sa ukladajú na železo, takže železný predmet sa pomaly pokrýva veľmi hustou, ale veľmi tenkou vrstvou medi. Síranové ióny odovzdajú svoj záporný náboj medenej platni a nakoniec opäť vytvoria síran meďnatý.

Podmienky

Nie je pravda, že na zrážanie zlata možno použiť každú kombináciu vodivých materiálov s každým možným elektrolytom. Na to potrebujete minimálne zlatú elektródu ako kladnú elektródu a veľmi špecifické chemické soli obsahujúce zlato, ktoré sú však veľmi drahé.

Faradayove zákony

Faradayove elektrochemické zákony

Technika galvanického pokovovania kovov nie je nový objav. Bola známa už v čase, keď veda o elektrine skutočne prekvitala. Je zrejmé, že na verejnosť v tom čase tento druh mágie hraničiaci s kúzlami značne zapôsobil. Fenomén galvanického pokovovania sa preto podrobne skúmal, pretože ani na konci 19. storočia sa úplne nevytratilo stredoveké presvedčenie, že takto sa dá zlato vyrobiť lacno a pomerne aj jednoducho. Ak sa to nedalo dosiahnuť alchymistickými prostriedkami stredoveku, možno by sa to dalo dosiahnuť novými fenoménmi elektriny. V tej dobe muž, známy ako Michael Faraday uskutočnil rozsiahle experimenty na tému galvanizácie, ktoré viedli k objavu niekoľkých dôležitých zákonov, ktoré sa nazývajú Faradayove elektrochemické zákony.

Prvý Faradayov zákon

Hmotnosť látok chemických premených účinkom elektrického prúdu je priamo úmerná veľkosti náboja, ktorý prešiel roztokom (elektrický náboj je vyjadrený súčinom prúdu a času, počas ktorého prúd pretekál).

m = A * Q = A * I * t

Konštanta úmernosti A je elektrochemický ekvivalent. Číselne sa rovná hmotnosti látky vylúčenej nábojom 1 Coulombu.

A = m / Q

Množstvo vylúčenej látky teda nezávisí od veľkosti elektród, ich vzdialenosti, svorkového napätia, od toho s akého elektrolytu sa látka vylučuje, odporu, koncentrácie, teploty elektrolytu atď.

Faradayov druhý zákon

Na vylúčenie jedneho chemického ekvivalentu ktorejkoľvek látky treba vždy rovnaký elektrický náboj, a to

Faradayov náboj 96494 C=26,8 Ah

Chemický ekvivalent prvkov vypočítame tak, že ich mólovú hmotnosť delíme oxidačným číslom atómu prvku. Chemický ekvivalent sa označuje M s dolým indexom daného chemického prvku.

V tabuľke nižšie je uvedený elektrochemický ekvivalent niektorých látok. Ukazuje, že prúd 1 A za sekundu (= 1 Q) môže na elektróde vyzrážať až 0,32938 mg čistej medi.

Galvanoplastika

Vytváranie kópií malých predmetov

Predpokladajme, že múzeum má veľmi vzácnu archeologickú sochu a pre jej zachovanie  vystaovanie je potrebné vytvoriť kópie pre iné múzeá a univerzity. Samozrejme, v dnešnej dobe existujú rôzne moderné metódy riešenia takéhoto problému,  jedným z nich je aj napríklad 3D tlač. Avšak jedným zo starých, ale známych spôsobov je aj galvanoplastika. Jej princíp je pomerne jednoduchý. Polovica sochy sa nastrieka tenkou vrstvou grafitu, respektíve veľmi jemne práškového čistého uhlíka rozpusteného v alkohole.

Tým sa na predmete vytvorí veľmi tenká vrstva elektricky vodivej látky. Predmet sa teraz umiestni do elektrolytického kúpeľa ako záporná elektróda. Ako jeho kladná elektróda sa používa medená doska a ako elektrolyt síran meďnatý. Po privedení prúdu na elektródy prebieha vyššie opísaný proces, pri ktorom sa grafit na predmete pomaly pokrýva vrstvou medi. Ak sa proces galvanizácie vykonáva dostatočne dlho, vrstva medi bude taká hrubá, ako si želáme. Keď vrstva narastie na 1 až 2 mm, predmet sa vyberie z kúpeľa a odstráni sa medená polforma. Postup sa opakuje, pričom sa spracuje druhá polovica sochy. Získate tak dve veľmi presne tvarované, pevné medené formy, ktoré môžete použiť na odliatie toľkých kópií sochy, koľko potrebujete.

Eloxovnie

Povrchová úprava hliníka

Eloxovanie je špecifická aplikácia galvanického pokovovania, ktorou možno posilniť mäkký a pomerne krehký povrch hliníka. Hliníkový obrobok, napr. chladič pre nízkofrekvenčný zosilňovač sa pred galvanizáciou dokonale umyje a odmastí a následne sa vloží do galvanického kúpeľa ako kladná elektróda. Ako záporná elektróda sa používa olovený plech a ako elektrolyt zriedená kyselina sírová. V dôsledku elektrolytickej disociácie vzniká na kladnej elektróde čistý kyslík. Ten sa pri reakcii okamžite spája s hliníkom a vytvorí oxid hlinitý vysokej čistoty. Je zrejmé, že tento proces prebieha vo všetkých zákutiach hliníkového obrobku, takže hliníkový obrobok je pokrytý rovnomernou vrstvou oxidu. Oxid hlinitý má niektoré veľmi priaznivé vlastnosti. Je mechanicky veľmi tvrdý, takže mäkký hliník je dostatočne chránený pred mechanickým poškodením - poškriabaním. Okrem toho je oxid hlinitý veľmi odolný voči všetkým vonkajším vplyvom, ako je chlad, teplo, dážď, UV žiarenie atď. Napokon, oxid hlinitý sa dá veľmi ľahko prifarbovať, čo znamená, že eloxovanie vám umožňuje vytvárať veľmi špecificky sfarbené hliníkové obrobky - rôzne drobné predmety, alebo výkonové hliníkové chladiče pre použitie v elektronike.

Eloxovaný hliníkový chladič

Galvanizácia v domácich podmienkach

Nízke napätia, vysoké prúdy

Samotné pokovovanie medi alebo niklovanie najrôznejších drobných kovových predmetov môže byť zábavným koníčkom a navyše nepotrebujete ani tak veľa vybavenia:

• Sklenená nádoba bez kovových okrajov.
• Niekoľko plechov z rôznych kovov, napríklad medi a niklu.
• Niekoľko druchov chemických solí, napríklad síran meďnatý (CuSO₄) a síran nikelnatý (NiSo₄).
• Nastaviteľný zdroj jednosmerného prúdu.

Na galvanické pokovovanie potrebujete pomerne nízke jednosmerné napätie, ale pomerne veľký prúd. Viacerí výrobcovia preto majú vo svojej ponuke aj špeciálne napájacie zdroje pre takéto aplikácie, ktoré sa označujú ako "elektrolytické". V podstate vyhovuje akýkoľvek zdroj, ktorý dokáže poskytnúť jednosmerné napätie v rozmedzí od 0 V do 15 V pri nastaviteľnom prúde od 0 A do 10 A. Na tento účel možno použiť aj 12 V nabíjačku akumulátorov s nastaviteľným prúdom. Pre väčšie povrchy samozrejme potrebujete prúdovo výkonnejší zdroj.