5. Ý nghĩa của đề tài
1.5.3. Cơ chế tạo thành lớp mạ điện
1.5.3.1. Điều kiện xuất hiện tinh thể
Cũng như các quá trình kết tinh từ dung dịch quá bão hòa, từ chất nóng chảy…, động học quá trình điện kết tủa kim loại cũng bị chi phối bởi hai yếu tố tốc độ tạo mầm kết tinh và tốc độ phát triển mầm.
Trường hợp kết tinh từ dung dịch quá bão hòa thì yếu tố quyết định tốc độ xuất hiện mầm tinh thể là độ quá bão hòa của dung dịch quyết định. Trong trường hợp điện kết tủa kim loại trên catốt, yếu tố quyết định tốc độ xuất hiện mầm tinh thể β là tỉ số giữa mật độ dòng catốt và mật độ dòng trao đổi io : β =
0 c
i i
Nếu β lớn tốc độ tạo mầm lớn sẽ cho tinh thể nhỏ mịn, sít chặt. Ngược lại, nếu β nhỏ tốc độ phát triển mầm lớn hơn sẽ cho tinh thể thô to, xốp.
Khi đó ta thấy vì mật độ dòng điện trao đổi io phụ thuộc vào bản chất kim loại nên ở cùng mật độ dòng ic thì kim loại nào có io bé hơn cho lớp mạ có tinh thể nhỏ mịn và ngược lại. Đối với cùng một kim loại io = const, nếu tăng mật độ dòng catốt trong một giới hạn nào đó ta cũng thu được tinh thể nhỏ mịn. [7]
1.5.3.2. Quá trình hình thành và tổ chức tinh thể
* Hình thành tinh thể:
Không phải mọi mầm tinh thể sinh ra đều được phát triển thành tinh thể, chỉ những mầm có kích thước lớn đến một ngưỡng nào đó mới có khả năng phát triển tiếp thành tinh thể. Để đạt hoặc vượt ngưỡng đó cần phải có quá thế bổ sung, khi tinh thể lớn lên không cần quá thế bổ sung nữa vì bề mặt ở trạng thái hoạt động.
Quá trình phát triển mầm tinh thể diễn ra như sau: Giả sử tinh thể có dạng khối đơn giản như Hình 1.3:
Hình 1.3. Lớp mạng tinh thể
Các cation kim loại phóng điện thành nguyên tử và tham gia vào mạng lưới tinh thể tại những vị trí có lợi nhất về năng lượng. Đó chính là những điểm tập trung nhiều nguyên tử láng giềng nhất vì ở đó năng lượng bề mặt lớn nhất. Trên hình vẽ ta thấy ion kim loại sẽ ưu tiên vào vị trí I nhất rồi đến vị trí số II và cuối cùng là vị trí số III.
Tổ chức tinh thể: Lớp mạ do vô vàn các tinh thể hợp thành, kích thước tinh thể và cách sắp xếp của chũng sẽ quyết định chất lượng lớp mạ.
Kích thước tinh thể: Ta biết để có tinh thể nhỏ mịn phải tạo được điều kiện điện phân có phân cực catốt đủ lớn. Chất hoạt động bề mặt là một trong những biện pháp thường dùng làm tăng phân cực catốt. Nếu nồng độ chất hoạt động bề mặt thích hợp và mật độ dòng đủ lớn, kết tủa sẽ gồm các tinh thể nhỏ mịn, chất lượng lớp mạ sẽ tốt.
Ví dụ trong mạ niken chất hoạt động bề mặt thường dùng là keo da, axit boric … Cách sắp xếp tinh thể: Nếu tinh thể sinh ra và sắp xếp bố trí hỗn độn trong kết tủa thì lớp mạ thường có chất lượng thấp mặc dù kích thước tinh thể khá nhỏ.
Bằng những điều kiện điện phân thích hợp hoàn toàn có thể làm cho các tinh thể phải sắp xếp theo một hướng nhất định nào đó. Mức độ định hướng có trật tự càng cao thì tổ chức tinh thể càng hoàn chỉnh và có ảnh hưởng rõ rệt đến độ bóng, độ cứng, hoạt tính xúc tác, từ tính, độ giãn nở nhiệt … của lớp mạ.
Thay đổi điều kiện điện phân, nhất là mật độ dòng phân cực catốt, chất hoạt động bề mặt sẽ điều khiển được tổ chức tinh thể theo ý muốn. Tuy nhiên sự điều khiển này là khá phức tạp.
1.5.3.3. Sơ đồ nguyên lý mạ điện
1. Bình điện phân 2. Dung dịch điện phân
3. Anốt (anốt trơ hoặc kim loại cần mạ lên catốt) 4. Catốt (vật cần mạ)
5. Biến trở 6. Vôn kế 7. Ampe kế
8. Nguồn điện một chiều