Как часто вы задумываетесь, откуда берутся окружающие предметы, которыми мы пользуемся ежедневно? Сейчас трудно представить себе человека, у которого нет мобильного телефона - и понятно, что он его купил в магазине. И перед тем, как туда попасть, это сложное электронное устройство прошло цепочку технологических процессов, в самом начале которой - исходное сырье. Сегодня я расскажу, что связывает процесс электролитического рафинирования - глубокой очистки меди и метод декоративно-прикладного искусства - гальванопластику.
Один из компонентов электроники - металлическая медь особой чистоты - 99.999%. Если будет меньше - она станет гораздо менее электропроводна, и полезное электричество будет рассеиваться в тепло, согревая атмосферу.
Предлагаю вспомнить, где еще человек научился применять этот металл. Химики дали ему обозначение Cuprum, а если коротко - Cu -так обозначается в периодической системе химических элементов данный металл, стоящий под номером 29. Месторождения меди располагаются под землей - руды, из которой ее добывают, можно посмотреть в этой статье. Значительно реже она встречается в самородном виде - подобно ее соседям по подгруппе - золоту и серебру.
Раньше медь широко применяли при изготовлении посуды - она является относительно стабильным материалом, из которого делали кружки и самовары. Почему относительно - потому что чистить от окислов е ее все равно приходилось - иначе грозило отравление медью. Сегодня медные кружки используют как дополнительный источник меди при ее дефиците в организме - достаточно периодически пить из нее воду.
Ну а зачем медь нам внутри? Медь - наш защитник от свободных радикалов - воришек, которые крадут у атомов нашего организма электроны, отчего тот, в самых запущенных случаях, может заболеть. Медь, вместе с цинком, входит в состав фермента - супероксиддисмутазы, превращающей супероксид-радикал в перекись водорода, с которой уже справляется каталаза. Такая, своего рода, "медная" охранная система.
Чтобы вникнуть в суть электрохимических превращений меди, нужно заглянуть вглубь ее кристаллической решетки, и далее добраться до атомов. Как они выглядят на самом деле - никто точно не знает. Но принято считать, что атомы, из которых данный металл состоит, состоят из ядра и электронной оболочки. Ядро мы оставим на долю физиков, а вот об электронах поговорим подробнее.
В строении валентного уровня электронной оболочки атома есть одна особенность, на которой любят ловить составители тестов ЕГЭ - проскок электрона. Все дело в том, что по порядку заполнения 4s подуровень должен нести 2 электрона, а 4d, соответственно, 9. Но это некрасиво - атом любит полностью заполненные подуровни - поэтому один электрон "проскакивает", и конфигурация получается такой, как на картинке выше - 3d уровень полностью заполнен, а 4s остался с одним электроном.
Так или иначе, у меди имеют место быть 2 основные степени окисления: +1 и +2. Если какая-нибудь сила заберет у атома меди 2 электрона - она перейдет в ион с зарядом 2+. Это и происходит при электролитическом рафинировании меди. Попробую представить вам этот процесс просто и наглядно.
Медь приходит на рафинирование прямиком из печи кипящего слоя - поэтому я назвал ее на рисунке "медью из печки" - ее чистота, в самом лучшем случае, 99,5% - но этого все равно недостаточно, и ее считают грязной, или черновой. Когда мы с вами серьезно запачкаемся - например, после жаркого дня, мы идем принимать душ или ванну. Вот, с медью в гальванической ванне происходит примерно то же - ее там "отмывают" особенным способом.
Прежде чем лезть в душ, что нужно сделать? Правильно, снять одежду - то же делает с медью источник электричества: только вместо одежды с меди снимают два электрона - и так она переходит в растворимое в воде состояние, становясь при этом ионом Cu²⁺. Вволю наплававшись, она, будучи катионом, притягивается к отрицательному полюсу гальванической ванны, попутно потеряв в растворе ионы и атомы примесей. Кстати, примеси в меди - не такие уж и бесполезные: оттуда нередко извлекают золото, серебро и другие ценные металлы. Есть там и менее привлекательные металлы - цинк или свинец.
На отрицательном электроде из чистого металла медь получает "одежду" обратно - два электрона присоединяются к ее атому, и тот встраивается в кристаллическую решетку. Далее чистая медь уже подвергается механическим воздействиям, превращаясь в провода и трубы, листы и слитки.
В гальванопластике используют тот же принцип "купания" меди, только отправляют в плавание уже заведомо чистую медь, а предмету, на котором ожидают получить металлическое покрытие, придают электропроводность с помощью бронзовой или графитовой пыли. Если, конечно, это необходимо - ведь меднить можно и проводящие материалы - сталь или алюминий.
В импровизированной гальванической ванне мы с ребятами на мастер-классе наносили покрытие на фрагменты рябиновых листьев, предварительно тщательно укрытых графитовым лаком. Параметры процесса и состав электролита мы использовали классические:
Площадь всех листов суммарно получилась около 252 см² - ток устанавливали в диапазоне от 2.5 до 5 А. Чем меньше ток - тем менее зернистое и более гладкое покрытие приобретают листья, но и ждать придется дольше. Напряжение не столь важно в данном процессе - блок питания подстраивал его автоматически, чтобы поддерживать заданный ток. В конечном итоге, спустя 4 часа, медно-рябиновые листья нашли своих владельцев
Спасибо, что дочитали до конца!
Хорошего вам дня и приятного освоения тонкостей химической науки🙌
До новых встреч🙋♂️
