3C-Galvanostegia

La galvanostegia consiste nel far passare una corrente elettrica attraverso una soluzione elettrolitica. Questo viene fatto immergendo due terminali chiamati elettrodi nell'elettrolita e collegandoli in un circuito con una batteria. Quando l'elettricità attraversa il circuito che producono, l'elettrolita si “divide” e alcuni degli atomi di metallo che contiene sono depositati in uno strato sottile sopra uno degli elettrodi - . 

Tutti i tipi di metalli possono essere placcati in questo modo, inclusi oro, argento, stagno, zinco, rame, etc.

Come funziona?

Per prima cosa, devi scegliere gli elettrodi e l'elettrolita giusti, calcolando la reazione chimica che vuoi che accada quando viene attivata la corrente elettrica. Gli atomi di metallo che placcano il tuo oggetto provengono dall'elettrolita, quindi se vuoi un piatto di rame hai bisogno di un elettrolito ricavato da una soluzione di un sale di rame, mentre per la doratura hai bisogno di un elettrolita a base di oro - e così via .

Successivamente, è necessario assicurarsi che l'elettrodo che si desidera placcare sia completamente pulito. Altrimenti, quando gli atomi di metallo dell'elettrolita vengono depositati su di esso, non formeranno un buon legame. Generalmente, la pulizia viene eseguita immergendo l'elettrodo in una soluzione forte di acido o alcalino. Se l'elettrodo è veramente pulito, gli atomi del metallo di placcatura si legano ad esso unendosi molto fortemente sui bordi esterni della sua struttura cristallina.

Questa operazione viene eseguita a livello industriale ed è chiamata decapaggio.

Abbiamo bisogno di due elettrodi fatti da diversi materiali conduttori, un elettrolita e un'alimentazione elettrica. Generalmente, uno degli elettrodi è fatto dal metallo che stiamo cercando di placcare e l'elettrolito è una soluzione di un sale dello stesso metallo. Quindi, per esempio, se stiamo placcando un po’ di ottone, abbiamo bisogno di un elettrodo di rame, un elettrodo di ottone e una soluzione di un composto a base di rame come una soluzione di solfato di rame.

L'elettrodo di ottone si carica negativamente e attrae ioni di rame caricati positivamente dalla soluzione, che si aggrappano ad esso e formano un rivestimento esterno di piastra di rame.

Metalli come l'oro e l'argento non si dissolvono facilmente, quindi devono essere trasformati in soluzioni utilizzando sostanze chimiche pericolose a base di cianuro. 

L'elettrodo che verrà placcato è generalmente costituito da un metallo più economico o un metallo non metallico rivestito con un materiale conduttore come la grafite. In entrambi i casi, deve condurre l'elettricità o nessuna corrente elettrica fluirà e non si verificherà alcuna placcatura.

Materiali

Cella elettrolitica, barrette di grafite o rame (elettrodi), solfato di rame, batteria da 4,5 V.

Procedimento

1- Prepariamo il bagno galvanico. 

Il bagno galvanico è una soluzione liquida nella quale avviene il processo di galvanostegia.

Tale soluzione è tipicamente formata da acqua e dal sale del metallo (nel nostro esperimento: solfato di rame) che si vuole depositare. Il solfato di rame o solfato rameico è un composto chimico a base di rame e zolfo e ossigeno di formula CuSO₄.

2- Colleghiamo le parti

L’elettrodo collegato al polo negativo della batteria è detto catodo, ed è formato dall'oggetto da ricoprire (-). 

L'elettrodo collegato al polo positivo (+) della batteria è detto anodo, e può essere fatto dello stesso metallo che si vuol depositare sull'oggetto da ricoprire, oppure di un altro metallo o grafite. Noi usiamo una barretta di rame.

Nel bagno galvanico vengono immersi il catodo (-), formato dall'oggetto da ricoprire (noi lo colleghiamo direttamente a polo - della batteria), e l'anodo (+), formato da un altro oggetto conduttore (la barretta di rame).

I due elettrodi sono collegati alla batteria.

Osservazioni

Quando si chiude il circuito, la corrente inizia a scorrere attraverso gli elettrodi e la soluzione, e il metallo inizia a depositarsi sull’oggetto che fa da polo -.

Vuoi sapere qualcosa di più sul decapaggio e le foto delle fasi dell'esperimento?

Guarda qui:

decapaggio e foto dell'esperimento.

Un altro interessante esperimento è quello proposto qui: https://melscience.com/en/experiments/galvanostegy/

Istruzioni dettagliate

Prendi un pezzetto di plastilina (oppure preparala tu con 1 tazza e mezzo di farina, 3 cucchiai di olio vegetale, 1/2 tazza di acqua deionizzata - quella per il ferro da stiro va bene) e impastalo bene. Ora, appiattisci il plastilina uniformemente distribuendolo sul fondo di una capsula di Petri.

Immergere il pennello nella grafite e coprire la moneta che si desidera riprodurre con la grafite.

Premere le estremità del filo in una mano con un lato rivestito di grafite della moneta.

Premi con forza la moneta nella plastilina.

Ora, prendi un pezzo di plastilina e impastalo bene. Premere il filo contro la parete della piastra di Petri, ma evitare di toccare la moneta.

Rimuovere con cautela la moneta usando uno stuzzicadenti.

Coprire completamente la stampa moneta con grafite.

Fissare una clip di coccodrillo rosso su una "linguetta" di una piastra di rame.

Collegare le estremità libere delle clip a coccodrillo ad un supporto per batteria: la clip nera al filo nero e la clip rossa a quella rossa. Ora, inserisci 1 batteria AAA nel supporto della batteria.

Aggiungere 10 gocce di soluzione di sodio idrosolfato NaHSO4 nella piastra di Petri.

Ora, riempire la capsula di Petri fino all'orlo con una soluzione di CuSO4 di solfato di rame.

Posizionare la piastra di rame sulla piastra di Petri in modo che tocchi la soluzione. Fissare la piastra di rame in posizione con un tappo di gomma e lasciarla per 10-12 ore.

Versare il liquido dalla piastra di Petri.

Coprire la pasta con acqua tiepida.

Rimuovere con attenzione la copia di una moneta usando uno stuzzicadenti.

Togliere l'eccesso di materiale sui bordi della moneta. Tieni la moneta in una scatola di Petri.

3A - Elettrochimica

L’elettrolisi è un procedimento col quale si ottengono trasformazioni chimiche attraverso la corrente elettrica.
Gli elettroliti sono sostanze che si dissociano in ioni, come accade al sale da cucina che si scioglie nell'acqua. Per realizzare l'elettrolisi si collegano ai poli + e - di un generatore di corrente continua (una pila) due bastoncini di grafite (chimicamente inerte, altrimenti avvengono reazioni chimiche tra essi e le specie atomiche presenti in soluzione.) che costituiscono gli elettrodi, che vengono immersi in una soluzione. Quando il generatore entra in funzione, si stabilisce una differenza di potenziale tra i due elettrodi e gli ioni cominciano a muoversi facendo circolare corrente nella soluzione.
L’elettrodo positivo viene spesso chiamato anodo e quello negativo catodo.
L’elettrodo - attirerà gli ioni +, cedendo loro elettroni, e quello + attirerà gli ioni -, acquistando da questi elettroni.

Anodo e catodo, elettrolita ed elettrolisi sono termini introdotti da Faraday nel 19° secolo.

Mentre nei conduttori metallici la corrente è costituita da un flusso di elettroni che si muovono tutti nello stesso senso, nelle soluzioni acquose degli elettroliti la corrente elettrica è costituita da due correnti opposte di ioni, positivi e negativi che trasportano le loro cariche al catodo edall'anodo. La corrente, qui, non è data dagli elettroni, ma dagli ioni presenti in soluzione; un liquido può essere un conduttore se è capace di dissociarsi in ioni (lo zucchero è un elettrolita?).
NaCl è caratterizzato da un legame ionico tra Na+ e Cl-. Sostanze come questa in acqua si dividono in ioni positivi e negativi. Molecole come lo zucchero invece restano intere: lo zucchero cioè si scioglie nell'acqua, ma le sue molecole non vengono scisse in ioni.

L’acqua pura è una cattiva conduttrice di corrente elettrica, ma quando in essa sciogliamo un elettrolita come NaCl  è in grado di condurre la corrente elettrica.
Prendiamo una cella elettrolitica (un bicchiere di vetro con alloggiamenti per le barrette di grafite o metallo) e aggiungiamo acqua con cloruro di sodio NaCl. In acqua questo sale si dissocia in ioni Na+ e Cl-, che vengono attratti dagli elettrodi carichi - e +. Agli elettrodi compaiono delle bollicine.

Cosa sono le bollicine che vedo?

Qui, trascinando la batteria su NaCl e cliccando sul triangolino in basso, vedrai gli ioni Cl- andare all'elettrodo +, cedere un elettrone e sfuggire come cloro gassoso, mentre all'altro elettrodo si forma idrogeno gassoso.
Na+ va all'elettrodo negativo, ma non riesce a catturare gli elettroni (cosa che fa invece l'acqua).

Si lega agli OH- per formare NaOH o idrossido di sodio. In altre parole, lo ione Na+si trasforma in una particella di sodio atomico (Na) che reagisce con l'acqua e forma NaOH (detto anche soda caustica) ed idrogeno, che si libera dalla soluzione sotto forma di bollicine gassose.

Il cloro, invece, giunto all'elettrodo positivo, si libera come cloro gassoso mentre una parte di esso reagisce con l'acqua formando cloro, acido cloridrico e acido ipocloroso: 2Cl- + H2O → HCl + HOCl + 2e-.

Dunque si crea una soluzione acida all'elettrodo positivo, ed una soluzione alcalina all'elettrodo negativo. E' quello che si vede immergendo la cartina di tornasole. Possiamo dire che gli ioni giungono a contatto con l'elettrodo di segno opposto e qui si neutralizzano: quelli positivi ricevono elettroni dal catodo (-) e quelli negativi cedono elettroni all'anodo (+). Dopo essere stati neutralizzati, queste particelle sono diventate degli atomi chimicamente attivi. Possono reagire con gli elettrodi o con l'acqua, o si liberano sotto forma di bollicine gassose.

Galvanostegia
Si prepara il bagno galvanico: una soluzione in acqua di solfato di rame CuSo4 che si separa in Cu++ e SO4--. Per la soluzione di solfato di rame CuSO4 non dovremmo usare acqua deionizzata (quella per il ferro da stiro), ma acqua distillata (questa è venduta in farmacia).
Che differenza c'è?
Pensa a NaCl caratterizzato da un legame ionico tra Na+ e Cl-. Sostanze come questa in acqua si dividono in ioni positivi e negativi. Come già detto, molecole come lo zucchero invece restano intere: lo zucchero cioè si scioglie nell'acqua, ma le sue molecole non vengono scisse in ioni.
Nell'acqua deionizzata ci possono quindi essere molecole di composti non ionici, ma solubili in acqua, e inoltre può contenere quantità significative di ioni. Noi però non abbiamo acqua distillata e ci accontentiamo di quella del ferro da stiro.

Nel bagno galvanico vengono immersi il catodo (-), formato dall'oggetto da ricoprire, e l'anodo (+), formato nel nostro caso da una barretta di rame. I due elettrodi sono collegati alla batteria da 4,5 volt. Quando la corrente inizia a fluire attraverso gli elettrodi e la soluzione il metallo inizia a depositarsi. 

Realizziamo una cella con una barretta di rame e colleghiamo al polo negativo (anodo) una chiave. Applicando una tensione collegando la pila. La parte di chiave immersa nell'elettrolita si ricoprirà di un sottile strato di rame. I depositi elettrolitici sono utilizzati dall'industria nei trattamenti di superficie dei metalli. Permettono di creare strati protettivi contro l'ossidazione. Oppure si usano per depositare uno strato sottile di metallo prezioso su uno di valore più scarso (doratura). Con questa tecnica si può colorare l'alluminio.

http://bredainrete.blogspot.it/2014/03/depositi-e-altro.html
http://bredainrete.blogspot.it/2013/05/esperimenti-con-lelettricita.html

Depositi e altro

Una volta a Sesto c’era lo stabilimento Falck Decapaggio. Cosa facevano lì? Nell'immagine da GoogleMaps vedi la zona del Centro Commerciale Vulcano e l'ex decapaggio. L'area dismessa avrà una nuova destinazione.

Ne abbiamo parlato per via del nostro piccolo esperimento di galvanostegia, che consiste nel depositare su un oggetto metallico un sottile strato di un altro metallo.
La soluzione liquida nella quale avviene il processo di galvanostegia è detta bagno galvanico.
Tale soluzione è tipicamente formata da acqua e dal sale del metallo (per noi, solfato di rame) che si vuole depositare.

Facciamo un esperimento di galvanostegia
Gli elettrodi sono elementi di materiale conduttore immersi nella soluzione che permettono alla corrente elettrica di scorrere attraverso la soluzione.
L'elettrodo collegato al polo negativo della batteria è detto catodo, ed è formato dall'oggetto da ricoprire (-).
L'elettrodo collegato al polo positivo della batteria è detto anodo, e può essere fatto dello stesso metallo che si vuol depositare sull'oggetto da ricoprire, oppure di un altro metallo o grafite. Noi usiamo una barretta di rame.

La galvanostegia si può realizzare per piccoli oggetti o per grandi strutture, come le carrozzerie delle auto. I bagni galvanici possono avere concentrazioni molto basse o molto alte, mentre le correnti variano dai milliampere per piccoli oggetti, a molti ampere per grandi bagni galvanici.
La superficie da ricoprire deve essere perfettamente pulita. Le impurità infatti non permettono al metallo di depositarsi e di aderire all'oggetto. Tale operazione è chiamata decapaggio. Si fa una pulizia meccanica con spazzole di metallo o panni abrasivi seguita da una pulizia chimica.

Nel bagno galvanico vengono immersi il catodo (-), formato dall'oggetto da ricoprire (noi lo colleghiamo direttamente a polo - della batteria), e l'anodo (+), formato da un altro oggetto conduttore.
I due elettrodi sono collegati a un generatore di corrente. Quando viene acceso il generatore, la corrente inizia a scorrere attraverso gli elettrodi e la soluzione, e il metallo inizia a depositarsi. Dopo la galvanostegia, l'oggetto deve essere lavato, per eliminare i residui del bagno galvanico.

Cosa facciamo noi?
Si prepara il bagno galvanico: una soluzione in acqua di solfato di rame CuSo4 che si separa in Cu++ e SO4--.
Per la soluzione di solfato di rame CuSO4  non dovremmo usare acqua deionizzata (quella per il ferro da stiro), ma acqua distillata (questa è venduta in farmacia).

Che differenza c'è? Pensa a NaCl caratterizzato da un legame ionico tra Na+ e Cl-. 

Sostanze come questa in acqua si dividono in ioni positivi e negativi. Molecole come lo zucchero invece restano intere: lo zucchero cioè si scioglie nell'acqua, ma le sue molecole non vengono scisse in ioni. Nell'acqua deionizzata ci possono quindi essere molecole di composti non ionici, ma solubili in acqua, e inoltre può contenere quantità significative di ioni. Noi però non abbiamo acqua distillata e ci accontentiamo di quella del ferro da stiro. 

Nel bagno galvanico vengono immersi il catodo (-), formato dall'oggetto da ricoprire, e l'anodo (+), formato nel nostro caso da una barretta di rame. I due elettrodi sono collegati alla batteria da 4,5 volt. Quando la corrente inizia a fluire attraverso gli elettrodi e la soluzione il metallo inizia a depositarsi.

Realizziamo una cella con una barretta di rame e colleghiamo al polo negativo (anodo) una chiave. Applicando una tensione collegando la pila. La parte di chiave immersa nell'elettrolita si ricoprirà di un sottile strato di rame.

I depositi elettrolitici sono utilizzati dall'industria nei trattamenti di superficie dei metalli. Permettono di creare strati protettivi contro l'ossidazione. Oppure si usano per depositare uno strato sottile di metallo prezioso su uno di valore più scarso (doratura). Con questa tecnica si può colorare l'alluminio.

Elettrolisi con cloruro di sodio NaCl
Per l'esperimento della settimana scorsa abbiamo preso una cella elettrolitica (un bicchiere di vetro con alloggiamenti per le barrette di grafite) e aggiunto all'acqua del cloruro di sodio NaCl. poi abbiamo collegato le barrette ai poli della batteria.
In acqua questo sale si dissocia in ioni Na+ e Cl-, che vengono attratti dagli elettrodi carichi - e +.

Agli elettrodi compaiono delle bollicine. Cosa sono le bollicine che vedo?

Perché se immergo una cartina di tornasole al polo - diventa blu? perchè diventa rossa se immersa vicino al polo +?

Gli ioni Cl- vanno all'elettrodo +, cedono un elettrone e sfuggono come cloro gassoso, mentre all'altro elettrodo si forma idrogeno gassoso.
Anche Na+ va all'elettrodo negativo, si lega agli OH- per formare NaOH o idrossido di sodio, che è alcalino.
In altre parole, lo ione Na+si trasforma in una particella di sodio atomico (Na) che reagisce con l'acqua e forma NaOH (detto anche soda caustica) ed idrogeno, che si libera dalla soluzione sotto forma di bollicine gassose. La cartina di tornasole diventa BLU.
Il cloro, invece, giunto all'elettrodo positivo, si libera come cloro gassoso mentre una parte di esso reagisce con l'acqua formando cloro, acido cloridrico e acido ipocloroso: 2Cl- + H2O → HCl + HOCl + 2e-. La cartina di tornasole diventa ROSSA.

Dunque si crea una soluzione acida all'elettrodo positivo, ed una soluzione alcalina all'elettrodo negativo. E' quello che si vede immergendo la cartina di tornasole.

Cos'è la corrente nelle soluzioni acquose? Mentre nei conduttori metallici la corrente è costituita da un flusso di elettroni che si muovono tutti nello stesso senso, nelle soluzioni acquose degli elettroliti la corrente elettrica è costituita da due correnti opposte di ioni, positivi e negativi che trasportano le loro cariche al catodo ed all'anodo.
La corrente, qui, non è data dagli elettroni, ma dagli ioni presenti in soluzione.