电镀知识讲座电镀基础知识

1、电镀知识讲座电镀基础知识2.1電鍍之定義電鍍(electroplating)被定義為一種電沈積過程(electro depos- ition process), 是利用電極(electrode)通過電流，使 金屬附著於物體表面上，其目的是在改變物體表面之特性 或尺寸。2.2電鍍之目的電鍍的目的是在基材上鍍上金屬鍍層(deposit)，改變 基材表面性質或尺寸。例如賦予金屬光澤美觀、物品的防 鏽、防止磨耗、提高 導電度、潤滑性、強度、耐熱性、耐 候性、熱處理之防止滲碳、氮化、尺寸錯誤或磨耗之另件 之修補。2.3各種鍍金的方法電鍍法(electroplating)無電鍍法(electroless plating)熱浸法(hot dip plating)熔射噴鍍法(spray plating)塑膠電鍍(plastic plating)浸漬電鍍(immersion plating)滲透鍍金(diffusion plating)陰極濺鍍(cathode supptering)真空蒸著鍍金(vacuum plating)合金電鍍(alloy plating)複合電鍍 (composite plat

2、ing局部電鍍 (selective plating)穿孔電鍍(through-hole plating)筆電鍍(pen plating)電鑄 (electroforming)2.4電鍍的基本知識電鍍大部份在液體(solution)下進行，又絕大部份是由水溶 液(aqueous solution)中電鍍，約有30種的金屬可由水溶液 進行電鍍，由水溶液電鍍的金屬有：銅Cu、鎳Ni、鉻Cr、鋅Zn、鎘Cd 、鉛Pb、金Au、銀Ag、鉑Pt、鈷Co、錳Mn、銻Sb、鉍Bi、汞 Hg、鎵 Ga、銦 In、鉈、As、Se、Te、Pd、Mn、Re、Rh、Os、Ir、Nb、W 等。有些必須由非水溶液電鍍如鋰、鈉、鉀、鈹、鎂、鈣、 鍶、鋇、鋁、La、Ti、Zr、Ge、Mo等。可油水溶液及非水 溶液電鍍者有銅、銀、鋅、鎘、銻、鉍、錳、鈷、鎳等金屬。電鍍的基本知識包括下列幾項：溶液性質物質反應電化學化學式界面物理化學材料性質2.4.1 溶液(solution)被溶解之物質稱之為溶質(solute)，使溶質溶解之液體 稱之溶齊劑(solute) o溶劑為水之溶液稱之水溶液(aqueous solution）

3、。表示溶質溶解於溶液中之量為濃度(concentration)。 在一定量溶劑中，溶質能溶解之最大量值稱之溶解度(solub ility)。達到溶解度值之溶液稱之為飽和溶液(saturated solu tion)，反之為非飽和溶 液(unsaturated solution) o 溶液之濃 度，在工廠及作業現場，使用易了解及便利的重量百分率濃度(weight percentage)。 另外常用的莫耳濃度(molal concentration)。2.4.2 物質反應(reaction of matter)在電鍍處理過程中，有物理變化及化學變化，例如研 磨、乾燥等為物理反應，電解過程有化學反應，我們必須充 份了解在處裡過程中各種物理及化學反應及其相互間關係與影響。2.4.4 電化學(electrochemistry)電鍍是一種電沉積(electrodeposition )過程，利用電解體electrolysis)在電極(electrode)沉積金屬，它是屬於電化學之 應用的一支。電化學是研究有關電能與化學能交互變化作用及轉換過程。電解質(electrolyte)例子NaCl，也就是其溶

4、液具有電解 性質之溶液(electrolyticsolution)它含有部份之離子(ions),經 由此等離子之移動(movement)而能導電。帶陰電荷朝向陽極(anode)移動稱之為陰離子(ani on)，帶正電荷朝向陰極(cathode)移動(migrate)者稱之為陰離 子cations)。這些帶電荷之粒子(particles)稱之為離子(ions)。放出電 子產生氧化反應之 電極稱之為陽極(anode)得到電子產生還元化應之電極稱之 為陰極(cathode)。整個反應過程稱之為電解(electrolysis)。2.4.4.1 電極電位(electrode potentials)電位(electrode potential)為在電解池(electrolytic)中之 導電體，電流 經由它流入或流出。電極電位(electrode poten tial)是電極與電解液之間的電動勢差，單獨電極電位不能測定需參考一些標準電極(standard electrode)。例如氫標準電極(hydrogen standard electrode)以其 為基準電位為0電極電位之大小可由Nernst

5、 equation表示之:oE=E0+RT/nF ln aMn+/aM已=電極電位E0=電極標準狀態電位(volt)只=氣體常數(8.3143 J.K-1MOL-1)T=絕對零度(K)口=原子價之改變數(電子移轉之數)aMn+=金屬離子之活度(activity),若極稀薄之溶液，其活度就 等於金屬般則活度為濃度乘上活度係數，即a = r *c。金屬電極之活度，若為純金屬即為1。法拉第常數2442 標準電極電位(standard electrode potential)標準電極電位(standard electrode potential)是指金屬電極之活度為1(純金屬)及在金屬離子活度為1時之電極電位。即 E=E0E=E0+RT/nF In 1/1=E0+0= E0氫之標準電位在任何溫度下都定為0,做為其他電極之參考電極(REFERENCEELECTRODE),以氫標準電極為 基準0,各種金屬之標準電位見表排列在前頭之金屬如Li較易失去電子，易被氧化，易溶解， 易腐蝕，稱之為濺金屬或金屬(basic metal)。相反如Au金屬 不易失去電子.不易氧化.不易溶解.容易被還元稱之為貴金屬

6、(noble metal)。電極電位電極電位Li+ -3.045Co ?Co+2 -0.277Rb?Rb+ -2.93Ni ?Ni+2 -0.250K?K+ -2.924Sn ?Sn+2-0.136Ba?Ba+2 -2.90Pb ?Pb+2-0.126Sr ?Sr+2 -2.90Fe ?Fe+3 -0.04Ca ?Ca+2-2.87Pt/H2?H+ 0.000Na ?Na+-2.715Sb ?Sb+3 +0.15Mg ?Mg+2 -2.37Bi ?Bi+3 +0.20Al ?Al+3 -1.67As ?As+3 +3Mn ?Mn+2-1.18Cu ?Cu+2+0.34Zn ?Zn+2 -0.762Pt/OH-?O2 +0.40Cr ?Cr+3-0.74Cu ?Cu+ +0.52Cr ?Cr+2 -0.56Hg ?Hg2+2 +0.789Fe ?Fe+2 -0.441Ag ?Ag+ +0.799Cd ?Cd +3-0.402Pd ?Pd+2+0.987In ?In+3 -0.34Au ?Au+3 +0.150Tl ?Tl+ -0.336Au ?Au+ +1.68表 244.22443 N

7、ernst電位學說金屬含有該金屬離子之溶液相接觸，則在金屬與溶液界面,會產生電荷移動現象，此等電荷之移動，仍是由於金屬與溶液的界面有電位勢之差別 稱之為電位差所引起，此現象Nernst解說如下:設驅使金屬失去電子變為陽離子溶入溶液中之電離溶解液解壓(electrolaticsolution pressure)為p而使溶液中的陽離子得到電子 還元成 金屬滲透壓(osmotic pressure)為p,則有三種情況發生：(1) PP時，金屬被氧化，失去電子，溶解成金屬離子 於溶液中，因此金屬電極本體接收電子而帶負電。(2) PP時，金屬陽離子得到電子被還元沉積於金 屬電極表面上，金屬電極本身供給電子,因此金屬電極帶正電(3) P=P時，沒有產生任何變化設金屬與溶液的界面所形成的電極電位為E,當1 mole金屬溶入於溶液中，則界面所通過的電量為nF , n為金屬 陽離子之價數，即電子之轉移數,F為法拉第常數，此時所作功等於nFE, 也等於下式：n F E= ? pPVdp=RT ? pP dp/p=-RTln P/P E=RT/nF In P/P即金屬陽離子之活度(activity)為aMn

8、+活度係數為K,則P=KaMn+於是E= - RT/nF In p/KaMn+=-RT/nF In P/K +RT/nF In aMn+E在標準狀態時，即aMn+=i,稱為標準電極電位E，即E0=- RT/ nF In P/K + RT/nF In 1=-RT/nF ln P/R所以純金屬的電極電位用上列式子表示：非純金屬電位則為：E=E+RT/Nf ln aMn+ / aM式中為aM為不純金屬之活度2444電極電位在熱力學的表示法電極反應是由氧化反應及還原反應所組成.例如Cu ? Cu+2e-還原狀態氧化狀態可用下列二式表示之:Cu(R) Cu+2e-氧化反應Cu? Cu+2e-還原反應例1：氧電極反應之電位l/2O2+H2O+2e-? 2OH-例2:氯化汞電極反應之電位Hg2+2+2e-? 2 HgE=E0- RT/nF In a /a +2Hg(s) Hg2例3:氫電極反應之電位1/2H2(g) ? H+e-E=E0-RT/F In a +/a 1/2H H2 (g)2445電極電位之意義(1)電解電位分類為三種:M/M+n即金屬含有該金屬離子的相接觸有二種形式:？ 金屬與溶液間

9、之水大於金屬陽離子M+n與電子的結合 力,則金屬會溶解失去電子形式金屬陽離子與水結合成為M+n? xH2O,此時金屬電極獲 得額外電子,故帶負電這類金屬電極稱之陰電性，如Mg. Zn.及Fe等浸入酸.鹽類水溶液時產生此種電極電位Mt M(、+n+ ne-金屬與溶液的水(aq)親合力小於金屬離子M+n與電子結合力時，金屬離子會 游向金屬電極得到電子而沉積在金屬電極上，於是金屬電極帶正電，溶液帶負電0(2) 金屬M與難溶性的鹽MX相接觸，同時MX又與陰離 子之KX相接觸，即(M x MX,KX)如 化汞電極(Hg2Cl 2) o(3) 不溶性金屬，如Pt,與含有氧化或還元系離子的溶液相 接觸，例如 Pt x Fe+ .FE+或 Pt x Cr+2,Cr+3 等 o244.6界面電性二重層在金屬與溶液的界面處帶電粒子與表面電荷形成的吸附層，偶極子的排列層以及 擴散層等三層所組合的區域稱之為界面 電性二重層。2447 液間電位差(liquid junction potential)又稱之為擴散電位差(diffusion potential)，係由陰離子 與陽離子之移動度不同而形成之電位差，通常溶液之濃度差愈大，陰陽離子移動

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