Galvanisieren ^Q1,Q2

Versilbern einer Gabel

Am Anfang dieser Seite steht ein Versuch, mit dem wir eine aus Eisen bestehende Gabel versilbern wollen:

Erklärung

An sich würde sich schon eine Silberschicht bilden, wenn man eine Eisengabel in die Silbernitrat-Lösung stellt, ohne eine Spannung anzulegen:

$Fe(s) \to Fe^{2+}(aq) + 2 \ e^{-}$

$2 \ Ag^{+}(aq) + 2 \ e^{-} \to 2 \ Ag(s)$

Einen ähnlichen Versuch kennen Sie bereits aus dem Anfangsunterricht der Elektrochemie, als wir einen Eisennagel in einer Kupfersulfat-Lösung stellten. Dort nahmen die Cu²⁺-Ionen zwei Elektronen vom Eisen auf und wurden zu metallischem Kupfer.

Nun dauert das "Versilbern" einer Eisengabel auf diese Weise allerdings recht lange, und das Ergebnis sieht auch nicht sehr ansprechend aus: Meistens bildet sich eine mehr oder weniger dicke schwarze Schicht, die bei der geringsten Bewegung der Gabel teilweise von der Gabel abfällt.

Ein viel besseres Ergebnis erhält man, wenn man die Eisengabel mit dem Minuspol einer Gleichspannungsquelle verbindet. Durch das Anlegen der Spannung wird der Vorgang nicht nur erheblich beschleunigt (die Eisengabel ist jetzt negativ geladen und zieht die Ag⁺-Ionen elektrisch an), sondern das Abscheiden des Silbers findet auch irgendwie "geordneter" statt. Wenn man geschickt vorgeht, kann man tatsächlich eine professionelle Versilberung erzielen, also eine dünne Silberschicht auf der Gabel erzeugen, die sich nicht sofort abwaschen lässt.

Warum verwendet man nun ein Silberblech als Pluspol bei diesem Versuch?

Die Ag⁺-Konzentration in der Lösung würde durch die Versilberung mit der Zeit abnehmen. Verwendet man jedoch ein Silberblech als Pluspol, so gibt dieses neue Ag⁺-Ionen an die Lösung ab, so dass deren Konzentration konstant bleibt.

Bei der elektrolytischen Raffination von Edelmetallen wird dieser Prozess in der Praxis angewandt. Das noch verunreinigte Edelmetall wird als Pluspol eingesetzt, ein kleines Stück des reinen Edelmetalls als Minuspol. Legt man eine Gleichspannung an, wandern die Kationen des unreinen Edelmetalls durch die Lösung zu dem hochreinen Minuspol, der auf diese Weise immer größer wird.

Galvanisieren in Industrie und Technik

Viele Alltagsgegenstände mit einer "edel" aussehenden Metalloberfläche sind in Wirklichkeit gar nicht "durch und durch" edel, sondern sind lediglich mit einer sehr dünnen Schicht eines Edelmetalls wie Silber oder Gold überzogen. In der Industrie geht man bei der Herstellung solcher veredelten Teile so ähnlich vor wie in unserem kleinen Versuch mit der Eisengabel. Galvanisieren nennt man diesen Prozess, bei dem mit Hilfe des elektrischen Stroms eine dünne Metallschicht auf einem Gegenstand angebracht wird.

Aber nicht nur Edelmetalle wie Gold oder Silber werden auf diese Weise auf Gegenstände aufgebracht, sondern auch "Alltagsmetalle" wie Zink oder Chrom. Durch eine Zink- oder Chromschicht werden die Gegenstände zwar nicht "edler", aber sie sind besser gegen Korrosion geschützt.

Die professionelle Versilberung oder Verzinkung von Alltagsgegenständen erfolgt natürlich nicht so simpel wie das Versilbern der Eisengabel in dem oben genannten Versuch. Die zu galvanisierenden Gegenstände müssen erst mal richtig vorbereitet werden.

Vorbereitung der zu galvanisierenden Objekte

Entfernung von Oxidschichten. Eine Oxidschicht auf dem Gegenstand ist beim Galvanisieren kontraproduktiv. Die Oxidschicht muss entfernt werden. Das geschieht normalerweise mit Hilfe eines Säurebades. Der Gegenstand wird für eine bestimmte Zeit in eine (möglichst preiswerte) Säure eingetaucht.

Mechanisches Glätten oder Polieren. Risse und Poren in dem Metall stören bei dem Galvanisierungsprozess erheblich. Durch Polieren werden solche Störstellen entfernt, und das Edelmetall kann sich vollkommen gleichmäßig abscheiden.

Entfetten. Schließlich wird das Metall in ein organisches Lösemittel gestellt, damit sich Spuren von Fetten und Ölen darin auflösen. Anschließend ist das Metall völlig fettfrei, so dass sich die Ionen des Edelmetalls direkt darauf abscheiden können, ohne durch Fett-Moleküle daran gehindert zu werden.

Durchführung der Galvanisierung

Damit sich eine feste und gleichmäßige Schicht des Edelmetalls bildet, muss die Galvanisierung sehr langsam durchgeführt werden. Die Konzentration der Edelmetall-Kationen darf dabei nicht allzu hoch sein. Der Lösung werden daher Komplexbildner zugesetzt, zum Beispiel Ammoniak, Cyanid-Ionen oder Tartrat-Ionen. Diese Komplexbildner reagieren mit den Kationen des Edelmetalls zu einem Komplex. Hier ein Beispiel für einen Ammoniak-Komplex:

$Ag^{+} + 2 \ NH_3 \rightleftharpoons [Ag(NH_3)_2]^{+}$

Abscheidung von Legierungen

Will man einen Gegenstand mit Messing oder einer anderen Legierung überziehen, so wird die Sache schon etwas komplizierter. In der Lösung müssen sich die Kationen aller Metalle befinden, die an der Legierung beteiligt sind. Bei einem Messing-Überzug wären das beispielsweise Cu²⁺- und Zn²⁺-Ionen.

Nun besteht aber die Gefahr, dass sich die Kupfer-Ionen nicht nur auf dem zu veredelndem Gegenstand abscheiden, sondern auch auf dem unedleren Zinkblech. Oder es könnte sein, dass sich zwar eine Legierung abscheidet, aber nicht in der gewünschten prozentualen Zusammensetzung.

Daher müssen verschiedene Maßnahmen getroffen werden, auf die wir hier nicht weiter eingehen können. Aber die Konzentrationen der verschiedenen Kationen, die Temperatur, die Stromstärke, der pH-Wert und andere Faktoren spielen dabei eine Rolle.

Wird ein Gegenstand mit einer Legierung überzogen, ist diese Schutzschicht oft haltbarer und korrosionsbeständiger als eine Schutzschicht aus einem einzelnen Edelmetall.

Eine Alternative zur Abscheidung einer Legierung ist das aufeinander folgende Aufbringen von zwei oder drei Schutzschichten aus verschiedenen Metallen. Manchmal ist es sogar zwingend notwendig, erst die eine Schicht, dann erst eine andere Schicht aufzutragen. Stahl beispielsweise lässt sich nicht direkt versilbern, die Silber-Atome halten sich nicht auf dem Stahl. Man muss den Stahl-Gegenstand zunächst verkupfern. Erst wenn der Stahl von einer dünnen Kupferschicht überzogen ist, kann man ihn versilbern.

Galvanisieren von nicht-metallischen Gegenständen

Nicht nur Metalle leiten den Strom, sondern auch Graphit. Überzieht man einen nichtmetallischen Gegenstand, beispielsweise aus Kunststoff, mit einer dünnen Graphitschicht, so kann man diesen Gegenstand anschließend mit einer Metallschicht überziehen, indem man ihn galvanisiert.

Umweltaspekte

In der Galvanotechnik werden hochgiftige Stoffe eingesetzt, Schwermetalle wie Chro m und Komplexbildner wie Cyanid, das Salz der Blausäure. Die Entsorgung der bei der Galvanisierung anfallenden Abfälle ist also sehr aufwendig. Außerdem ist der Strombedarf immens hoch.