Tiểu luận mạ vàng công nghệ mạ điện

Phần 1: Một số ứng dụng của vàng Vàng nguyên chất quá mềm không thể dùng cho việc thông thường nên chúng thường được làm cứng bằng cách tạo hợp kim với bạc, đồng và các kim loại khác.

Lời Nói Đầu

Cùng với sự phát triển của khoa học công nghệ thì sự ứng dụng của Vàng cũng được phát triển nhiều hơn Trong bài tiểu luận này, chúng tôi muốn tìm hiểu về công nghệ mạ Vàng được

sử dụng trong sản xuất công nghiệp trong nước cũng như ngoài nước

Vàng đã được biết đến và có giá trị cao từ thời tiền sử, có lẽ

đó là kim loại đầu tiên mà con người sử dụng có giá trị trao đổi

và sử dụng trong các lễ nghi, và được dùng để làm đồ trang sức Vàng (Au) là kim loại mềm, dễ cán , dát mỏng, rất bền về mặthóa học như không bị oxi hóa bởi không khí , axit, kiềm , H2S và các hợp chất khác của lưu huỳnh cũng không tác dụng được với

Au, cho nên trong không khí Vàng không bị mờ đi Vàng chỉ bị hòa tan trong nước cường toan, trong dung dịch xianua, trong hỗn hợp dung dịch HCl và H2CrO4 Ngoài ra vàng còn có khả năng dẫn điện và dẫn nhiệt tốt Nó có những ưu điểm như vậy cho nên được ứng dụng nhiều, đặc biệt là công nghệ mạ vàng

Mạ Vàng là phương pháp kết tủa lớp vàng mỏng lên trên bề mặt của kim loại khác , thông thường thì kim loại nền để mạ vàng là Cu hoặc Ag, bằng phương thức điện hóa

Có nhiều phương thức để mạ Vàng, nhưng trong phạm vi của bài tiểu luận này chúng tôi chỉ có thể giới thiệu một vài phương pháp mạ Vàng được sử dụng phổ biến trong sản xuất công

nghiệp Tuy nhiên, chúng tôi vẫn còn có những thiếu sót, mong

mọi người đóng góp thêm để cho bài tiểu luận của chúng tôi có thể hoàn thiện hơn.

Chúng Tôi Xin Trân Thành Cảm Ơn!

Phần 1: Một số ứng dụng của vàng

Vàng nguyên chất quá mềm không thể dùng cho việc thông

thường nên chúng thường được làm cứng bằng cách tạo hợp kim với bạc, đồng và các kim loại khác Vàng và hợp kim của nó thường được dùng nhiều nhất trong ngành trang sức, tiền kim loại

và là một chuẩn cho trao đổi tiền tệ ở nhiều nước Vì tính dẫn

tính mong muốn khác, vàng nổi bật vào cuối thế kỉ 20 như là mộtkim loại công nghiệp thiết yếu.

Các ứng dụng khác:

• Vàng có thể được làm thành sợi và dùng trong ngành thêu

• Vàng thực hiện các chức năng quan trọng trong máy tính, thiết bị thông tin liên lạc, đầu máy máy bay phản lực, tàu không gian và nhiều sản phẩm khác

• Tính dẫn điện cao và đề kháng với ôxi hoá của vàng khiến

nó được sử dụng rộng rãi để mạ bề mặt các đầu nối điện, bảo đảm tiếp xúc tốt và trở kháng thấp

• Vàng được dùng trong nha khoa phục hồi, đặc biệt trong phục hồi răng như thân răng và cầu răng giả

• Vàng keo (hạt nano vàng) là dung dịch đậm màu hiện đang được nghiên cứu trong nhiều phòng thí nghiệm y học, sinh học, v.v Nó cũng là dạng được dùng làm nước sơn vàng lên

đồ gốm trước khi nung

• Axít clorauric được dùng trong chụp ảnh để xử lí ảnh bạc

• Aurothiomalat dinatri dùng để điều trị viêm khớp dạng thấp

• Đồng vị vàng Au1 9 8, (chu kỳ bán rã: 2,7 ngày) được dùng điều trị một số ung thư và một số bệnh khác

• Vàng được dùng để tạo lớp áo phủ, giúp cho các vật chất sinh học có thể xem được dưới kính hiển vi điện tử quét

Phần 2: Quy Trình Công Nghệ Mạ Vàng

2.1:Giới Thiệu Tổng Quát Về Mạ Vàng

Chúng ta đã biết mạ Vàng là sử dụng công nghệ điện hóa để tạo

ra một lớp vàng mỏng trên bề mặt của vật liệu nhằm cho bề mặt vật liệu có những đặc tính thay đổi

Có một vài dạng mạ Vàng được sử dụng trong ngành công nghệ điện tử:

- Mạ Vàng tinh khiết ,mềm được sử dụng trong công nghiệp bán dẫn Một lớp Vàng dễ dàng được hàn và làm liên kết trong cáp quang

- Vàng cứng, bóng trên các cầu nối với độ tính khiết từ 99,9% Au Nó thường chứa một lượng nhỏ Nicken và

99,7-Coban Các nguyên tố này cản trở kết nối vì thế chúng

không thể được sử dụng trong công nghiệp bán dẫn

- Vàng cứng, bóng trên bảng mạch in được mạ từ các bể mạ

có nồng độ Vàng thấp Cũng thường chứa Niken và Coban

- Vàng tinh khiết, mềm được mạ từ dung dịch điện phân đặc biệt Hầu như các bản mạch in được mạ theo cách này

Có 5 dạng trong ngành hóa học mạ Vàng:

- Mạ vàng xianua bazo để mạ Au và mạ hợp kim Vàng

- Mạ vàng xianua trung tính để mạ Au có độ tinh khiết cao

- Mạ vàng axit để mạ vàng cứng bóng và các hợp kim của vàng

- Mạ vàng không xianua, thường là mạ từ phức sunfit dùng để

mạ vàng và hợp kim của Au

- Mạ vàng hỗn hợp

Vàng có thể được mạ bằng dòng điện ( theo phương pháp điện hóa) hoặc mạ không có dòng điện ( theo phương pháp hóa học ) tạo ra lớp phủ

2.2 Mạ Vàng Theo Phương Pháp Điện Hóa

Đây là các phương pháp mạ vàng mà sử dụng phương pháp mạ điện Sau đây chúng tôi sẽ đi tìm hiểu về các phương pháp mạ có

sử dụng đến dòng điện này Trong phần này chúng tôi trình bày 2 mảng mạ Au sử dụng dòng điện:

Người ta dùng KCN để tăng độ dẫn điện cho dung dịch ( vì KCN là chất điện ly mạnh ), KCN còn ngăn cản Au bị kết tủa dưới dạng AuCN theo phương trình : Au+ + CN− ↔ AuCN ↓

phản ứng dịch chuyển sang phía trái cho nên có thể ngăn kết tủa AuCN Ngoài ra KCN còn có khả năng tạo ra môi trường

pH duy trì trong phạm vi 11-12 ( môi trường bazo mạnh)

- Chế độ mạ :

Dung dịch mạ được chuẩn bị : hòa tan KCN vào và KAu(CN)2

vào nước mềm rồi rót vào bể mạ , thêm nước đến thể tích nhất định và khuấy

KAu(CN)2 : nồng độ Au+ là : 4-10 g/l

KCN tự do 10-20 g/l

Mật độ dòng catot : ở 18-300C là DC = 0,1- 0,3 A/dm2

ở 45- 550C là DC = 0,2- 0,5 A/dm2

pH của dung dịch được duy trì trong khoảng 11-12

Anot dùng là thép không gỉ hoặc vàng tinh khiết (99,99%).Nồng độ càng lớn, nhiệt độ càng cao thì DC cho phép và hiệu suất dòng càng lớn Muốn tăng thêm độ dẫn điện cho dung dịch thì ta có thêm vào trong dung dịch một lượng K3PO4 25-30g/l

- Quá trình xảy ra ở catot:

Trong dung dịch có ion phức Au(CN)2− có thể xảy ra sự phân lytheo phương trình sau đây

Au(CN) 2− ↔ Au+ + 2CN−

Ta có :

2

[Au(CN) ][Au ].[CN ]

−

= β2 ( hằng số bền) Trong đó [Au(CN)2−] , [Au+], [CN−] là nồng độ của các ion trong dung dịch Hằng số β2 cho biết độ bền của ion phức ( chỉ

số 2 ở bên dưới để chỉ ra rằng ion phức này phân ly qua 2 giai đoạn), theo tính toán thì giá trị của β2 = 103 8 , 3 đây là một giá trị rất lớn, cho nên phức này rất bền Nồng độ của Au+ được tính theo biểu thức sau:

[Au+] =

2

2

[Au(CN) ][CN ] 10

Cuối cùng bên trong lớp Helmholtz thì các phức bị phá vỡ, cácligan được giải phóng, còn kim loại được tách ra dưới dạng cation kim loại và tiến đến và được nhận điện tử từ bề mặt củacatot và kết tủa trên bề mặt và tạo thành lớp mạ

Sơ đồ sự hình thành lớp mạ Au trên điện cực catot

1- ion kim loại tạo phức ( Au+) cùng với các phối tử trong dung dịch

2- sự bóp méo phức ( trong lớp khuếch tán)

3- ion kim loại thoát khỏi trường phức trong lớp Helmholtz4- ion kim loại được trung hòa

5- nguyên tử kim loại hình thành ở những điểm phát triển -Phương pháp này tạo ra lớp mạ có độ tinh khiết cao, tinh thể

mạ nhỏ mịn

Tuy nhiên mạ bằng xianua này tương đối độc hại

2.2.1.b.Mạ Vàng Từ Dung Dịch Xianua Trung Tính

-Thành phần dung dịch: dung dịch này chứa Au+ dưới dạng phức KAu(CN)2 và KCN tự do với hàm lượng thấp.pH 6,5-7,5

Mật độ dòng trên catot DC 0,5- 1,0 A/dm2 , nhiệt độ mạ từ

- Phương pháp này chủ yếu dùng để mạ lớp vàng dày , độ tính khiết không cao, nhưng lớp mạ nhẵn hơn ở môi trường kiềm

2 2.1.c.Mạ Vàng Từ Dung Dịch Xianua Axit

-Thành phần dung dịch: dung dịch chứa Au+ dưới dạng phức KAu(CN)2 cho thêm axit hữu cơ là axit citric và axit tartric (hay còn gọi là axit 2,3-dihydroxi succinic HOOC-CH(OH)-CH(OH)-COOH) hai axit này để duy trì pH trong khoảng 4-6.

- Chế độ mạ: giới thiệu 2 dung dịch mạ trong xianua axit có thành phần và chế độ mạ khác nhau như sau:

Anot dùng là Titan mạ bạch kim Dung dịch 2 này dùng để

mạ lót vàng trước khi mạ hợp kim vàng lên Đồng (Cu) pH duytrì 4,0 -4,5

- Pha chế dung dịch:

Hòa tan kali citrate vào nước mềm, thêm axit citric rồi khuấy cho tan hết , dùng KOH thêm vào để điều chỉnh pH đến 3,4-4,2 Cho KAu(CN)2 vào khuấy tan rồi thêm nước, điều chỉnh

pH của dung dịch đến 4,0 -4,5 bằng axit citric hoặc axit

H3PO4

- Trong môi trường axit thì nồng độ của Au+ tăng do có xảy

ra cân bằng sau đây:

Au(CN)2− + 2H+ + e ↔ Au + 2HCN

HCN được hình thành nhưng sẽ được chuyển khối ra dung dịchchứ không thoát ra ngoài không khí

2.2.1.d.Mạ Vàng Từ Dung Dịch Phức Xianua Của Au(III)

Như đã trình bày ở trên thì các bể mạ sử dụng dung dịch phức của Au(I) không thể hoạt động ở pH nhỏ hơn 3,5 bởi vì ở

những điều kiện đó thì Au(I) kết tủa dưới dạng AuCN Hơn nữa, lớp mạ từ các bể Au(I) xianua thì thường kém mềm dẻo vìvậy các vật mạ sau này khi bị biến dạng thường có các vết nứt

ở trên bề mặt bao phủ Hạn chế những khuyết điểm đó người ta

đã nghiên cứu mạ Vàng từ dung dịch phức xianua của Au(III).Phương pháp điều chế HAu(CN)4 và công thức các bể mạ dùngphức chất này đã được đưa ra vào năm 1971 Các bể này cho thấy đặc tính mạ tuyệt vời ở các giá trị pH từ 0,1 đến 5,0 và

cho hiệu suất tối ưu trong khoảng pH từ 1,0 -3,0 Thành phần của các bể ấy chứa chủ yếu phức HAu(CN)4, muối của axit citric, phosphoric, tatric, một axit hữu cơ yếu và một axit vô

cơ chẳng hạn như H3PO4

Phức Au(III) xianua được điều chế bằng cách làm nóng dung dịch có chứa KAuCl4, KNO3, và KCN tiếp theo đó là pH của dung dịch được chỉnh bằng cách thêm axit HCl Điều này sẽ dẫn đến sự thoát khí Cl2 tại anot và gây ra vấn đề về ăn mòn

2.2.2 Mạ Vàng Từ Các Dung Dịch Không Xianua

- Với các phương pháp sử dụng dung dịch xianua trong mạ vàng thì độc

- Người ta đã thay thế các dung dịch xianua bằng cách dung dịch khác không độc hại hoặc ít độc hại hơn, tuy nhiên chất lượng sản phẩm và tốc độ mạ thì không thể so sánh với mạ bằng các dung dịch xianua

2.2.2.a Mạ Vàng Từ Dung Dịch Feroxianua

- Phương pháp này không độc, nhưng Au trong phức

feroxianua có hóa trị 3 cho nên tốc độ mạ chậm hơn Au(I)

- Chất lượng mạ cũng tương đối tốt

- Thành phần của dung dịch mạ và chế độ mạ:

AuCl3.HCl.4H2O nồng độ Au3 + là 1g/l

K4Fe(CN)6.3H2O 200 g/l

- Công nghệ mạ vàng bằng muối sunfit là công nghệ mạ

không độc, có giá trị thực tiễn cao

- Hiệu suất kết tủa nhanh, lỗ xốp nhỏ, lớp mạ bám chắc vào kim loại nền Niken , Cu…

- Trong dung dịch mạ vàng thì muối sunfit của Au ở dạng phức có công thức như sau: KAu(SO3)2 , chất tạo phức là (NH4)2SO3 hoặc Na2SO3

- Cho vào dung dịch CoSO4,EDTA có thể thu được lớp mạ Aucứng

Chế độ công nghệ được xem trong bảng sau :

Na2SO3 H2O 120-150 140-180 150-180

Di động catốtMật độ dòng

25oC) Trong quá trình trung hoà dung dịch có mùa vàng trong suốt (pH= 7 thì trong suốt ) có màu rượu

(2) Hoà tan (NH4)SO3 trong nước cất 50-60oC

(3) vừa khuấy vừa cho dần dần (1) vào (2) được dung dịchmàu vàng trong suốt ,gia nhiệt 55-65oC dung dịch biến thành dung dịch trogn suốt không màu

(4) Cho K3C6H5O7 và làm loãng đến thể tích quy định ,điều chỉnh Ph=8,5

Nếu không có AuCl3 hoặc Au(NH3)3(OH)3 có thể hoà tan vàng trong nước cường toan toa thành AuCl3 hoặc

Au(NH3)3(OH)3 Chất Au(NH3)3(OH)3 có thể hoà tan trực tiếp trong dung dịch (NH4)2SO3

- Duy trì công nghệ

(1) Khống chế PH 8 Đây là nhân tố cơ bản bảo đảm ổn

đinh dung dịch mạ ,khi p H 6,5 dung dịch mạ đục ,lúc này cần điều chỉnh bằng dung dịch NH4OH hoặc NaOH.khi

p 10 ,lớp mạ có màu nâu đen ,phải điều chỉnh bằng axitcitric

(2) KC6H5O7 là chất phức tạo phức phụ trợ, đông thời là chất làm đệm,làm cho pH ổn định ,nâng cao độ bám chắc giữa lớp nền niken vàng

(3) Anốt dung là vàng bạch kim hoặc là lưới bạch kim tian không dùng thép không gỉ,bởi vì ion clo có thể làm cho crôm thành Cr+ 6 ,là bẩn dung dịch ,dung dịch có màu vàng

da cam.diện tích anốt diện tích catot = 1:3 nếu axít thụ động hoá,dung dich không ổn định

(4) Anốt không hoà tan ,vì vậy hàm lượng vàng trong dung dịch không ngừng tiêu hao,cần thường xuyên bổ sung hàm lượng vàng

(5) Để tránh bạc, đồng,niken.v.v…tác dụng với nitơ trong dung dịch tạo nên ion phức làm bẩn dung dịch,khi mạ cần

có điện trong bể ,thanh đồng và móc treo có giá treo phải được mạ vàng ,nếu không ảnh hưởng đến độ tinh khiết và

độ cứng của lớp mạ khi mạ quay phải dung dong điện xunggấp 3-5 lần dòng bình thường,thời gian một phút ,sau đó hạ xuống dòng điện bình thường Tốc độ quay của thùng là 20 vòng/phút

(6) Di động catốt hoặc khuấy bằng không khí nén để phòng

pH hạ xuống cục bộ,làm cho dung dịch không ổn định

(7)muối sunfit quá nhiệt phân hủy thành S- 2 tác dụng với

Au+ tạo thành Au2S màu đen phản ứng của chúng như sau : 2SO3- 2 SO4- 2+ O2↑ + S- 2

Gia nhiệt bể mạ gián tiếp để tránh quá nhiết cục bộ ,dung dịch vẫn đục

(9) Dung dịch mạ để lâu mât tác dụng,có thể cho HCl với lượng thích hợp , điều chỉnh Ph=3-4 có kết tủa bột vàng màu vàng Lọc rửa bằng nước cất sau đó sấy khô.Bột vàng thu hồi có thể chế thành Au(NH3)3(OH)3 để tiếp tục sử dụng

- Trên đây là mạ vàng bằng dung dịch của phức sunfit của Au(III)

- Ta xét đến mạ vàng bằng dung dịch của phức sunfit của Au(I)

Phức Au(I) sunfit là Au(SO3)23 - là thành phần chính của dung dịch, phức Au(SO3)23 - phân ly thành Au+ và ion sunfit

SO32 - theo phương trình sau:

Au(SO3)23 - ↔ Au+ + 2SO32

-Ion Au+ tự do sẽ nhận electron ở điện cực catot, kết tủa lại thành kim loại Au bám trên catot Các ion sunfit cũng đóng một vai trò quan trọng trong dung dịch Khi dung dịch đượcđiều chế, thì các ion SO32 - bắt đầu oxi hóa thành SO42 - theophương trình phản ứng sau:

2SO32 - + O2 ↔ 2SO42

-Các ion Au+ bị khử thành kết tủa Au và hình thành các khuyết tật và các cục nhỏ trên lớp mạ khi nồng độ của ion

Au+ không tạo phức bị tăng lên cục bộ bởi sự oxi hóa ở anotcủa ion SO32 - thành SO42 -

Đithionit (S2O42 -) hình thành từ sunfit ở catot cũng có thể khử ion Au+ thành kim loại Au kết tủa Ion sunfat là sản phẩm không thể tránh khỏi trong dung dịch mạ, nồng độ của

nó tăng liên tục đến khi trọng lượng riêng hoặc pH của dung dịch vượt quá một giá trị xác định thì lúc đó dung dịch mạ cần phải được thay thế Để tránh nồng độ S2O42 -

tăng cao, thì chất làm bền được cho vào để oxi hóa S2O42

-thành sunfit SO32 - để có thể kéo dài tuổi thọ của dung dịch mạ

- Ngoài ra người ta còn biết đến dùng phức của Au(I)

thiosunfit (Au(S2O3)3 -) từ lâu rồi, phức này có độ bền lớn hơn phức Au(SO3)23 - cho nên nó được mong đợi là có thể thay thế cho phức Au sunfit được Tuy nhiên chưa có bể mạ nào dùng phức thiosunfit trong thực tế bởi vì ngay chính bản thân của ion thiosunfit cũng không bền bị phân hủy theo phương trình sau:

S2O32 - ↔ S + SO32 -

- Như vậy trong dung dịch sẽ tồn tại đồng thời 2 ligan là sunfit và thiosunfit

- Dùng dung dịch hỗn hợp sunfit và thiosunfit để mạ vàng mềm , thêm ion thalium vào để làm giảm độ cứng của lớp

mạ Au

2.3 Mạ Vàng Theo Phương Pháp Không Dòng Điện

- Trong một số trường hợp thì quá trình mạ Vàng không điện cực được sử dụng, yêu cầu sản phẩm là lớp Au mềm, tinh khiết nhưng có chiều dày dày hơn là lớp Au thu được như trong mạ điện

- Mạ vàng không dòng điện hay còn gọi là mạ hóa học hoặc

là mạ tự xúc tác Đó là một dạng mạ không có dòng điện nó bao gồm các phản ứng xảy ra đồng thời trong dung dịch mà không cần nguồn cung cấp bên ngoài

- Người ta dùng các muối của Au hơn là phức Au(I) xianua, trong các bể mạ vàng không dòng điện bao gồm :các phức

Au (I) sunfit, Au(I) – thiosunfit, Au(III)- clorua, Au(III)- phosphate

2.3.1 Các Bể Sunfit

- Các phức Au(I) –sunfit đã được sử dụng trong mạ Au mềm theo phương pháp mạ dùng dòng điện, cũng được sử dụng trong bể mạ không dùng điện

- Các tác nhân khử đã được kiểm duyệt bao gồm

hypophosphit, formaldehit, hydrazine, Borohydrua và

DMAB, cùng các hợp chất khử ít phổ biến hơn chẳng hạn như thiourea, metyl thiourea, axetyl thiourea

- Các hệ này đòi hỏi phải có chất làm ổn định để sử dụng trong thực tiễn Các chất làm bền sau đây được cho nó có hiệu quả : 1,2 diamino etan cùng với KBr , etylendiamin, etylendiamin tetraaxetic axit (EDTA), trietanolamin,