今回は、今までの電気化学の内容について復習を行っていきます
今回の内容を見ていただけると、これまでの内容をざっくりと理解できると思います
詳しくは、過去の投稿を参考にしていただけるとありがたいです
電気化学の中に、溶液にプラスとマイナスを突っ込んで、通電し、電気反応を起こさせるものがあります
電気化学としては初歩であり、日常生活では、自動車のバッテリーである鉛蓄電池として広く使われています
今回の説明では、日常生活でよく使われている銅の精製方法である、銅の電解精錬を用いて電解反応について
お話していきました
電子の動きは、電流とは逆であり、マイナスからプラスの方向に流れます
そして、金属イオンはプラスに帯電しているため(最外殻電子が枯渇している状態)
電子を受け取るため、マイナス極側に析出します
電気のプラス極側とマイナス極側は互いに消費する電気量は等しくなければならないため、
マイナス極側で消費された電気量と同じ量の電気量をプラス極側で消費されます
銅の電解精錬では、プラス極での反応は、電極の溶解が発生します
電極が溶解することで、マイナスの電子を回路内に放出することとなり、溶液側には、マイナス極と逆の
プラスイオンを供給する形になるため、プラスマイナスの収支が均等になります
プラス極は粗銅をセットしているため、マイナス極で消費された銅イオンの大部分を補給することができます
したがって、長い間、溶液濃度が一定値付近に安定するため、連続運用が可能となるというわけです
銅の電解精錬も、銅めっきと定義しても良いと考えます
このとき、通電する電流量に析出する銅の量が依存するため、
通電量を上昇させようとしますが、きれいに、電極に析出する電流量は意外と小さく、
適正範囲を超えると、粉体の銅が析出し始め、溶液を汚し始めます
その領域上に電流量を上昇させると、銅の析出に電気が使われず、その他の反応(例えば水の電気分解等)
に消費されるようになり、銅の析出反応の限界が現れます
これらの反応を確認する方法として、電位があります
電位とは、その電気量(A)であるときの、電極表面の電圧がどの様になっているか確認した数値のことで、
電位は電流値の他に、溶液の濃度や、溶液温度、撹拌状態などのその他パラメータによって変化します
しかし、それらの影響によって、最終的にどのようなめっきが得られるのかを判断できるのが電位です
では、電位状態とめっき状態についてお話していきます
はじめ、電位は、電流の上昇に比例して上昇していきます
このときは、直線的な変化を起こす領域となり、
めっき反応をするために必要な金属イオンが、電極近傍の拡散層に十分に存在している状態と言えます
したがって、反応速度律速となっているため、基本的には、平滑で、きれいなめっき表面が得られている
領域と言えます
その後、直線期な関係性が崩れ始め、電流の変化に対して、電位の変化量が小さくなっていきます
この領域になってくると、電極近傍の金属イオンが枯渇し始め、拡散層内のイオン欠乏による、
濃度律速になりつつある状態であり、不完全なめっき、つまり表面に平滑なめっきではなく、
核成長ではなく核形成速度が律速になるため、表面に凹凸状のめっきができたり、
粉体のようなめっきが部分的にでき始める領域となります
この電流量よりも電流を上昇させると、電流量を上昇させても、電位が上昇しなくなります
この状態のことを限界電流密度を迎えたと言います
この状態になると、金属の析出反応を起こすための過電圧以上の電圧になっているため、
水素発生電圧になっているため、水素ガス発生に電子が使用されるため、金属イオンの析出反応に電子は使われず、
水素ガス発生に電子が消費されるようになります
この発生した水素ガスは、電極表面で発生するため、その部分の電極が、溶液に触れていないことになります
したがって、水素ガスが多く発生しているポイントではめっきができていない部分ができるため、
めっきに穴が空いたようになります
この領域になると、めっきはぼろぼろであり、流している電気が水素発生に消費されているため、
電流効率も著しく低下していきます
では、めっきとはどのように電極表面に形成されていくかをお話していきます
最初に、電極表面に核が生成されます
これは、吸着原子が最初に集まり合ってできたものであり、色々な場所に不特定多数発生します
そして、それらがそれぞれの角に当たる部分(キンク)に次の吸着原子がついていきます
するとキンク部分が広くなっていき、ステップと呼ばれる領域を形成していきます
この過程を繰り返すことによって、徐々に全体にめっきが広がり、やがて全体を覆っていきます
この過程をキンク・ステップモデルと言います
この過程が正常に行われる領域であればあるほど、欠損のないめっきが完成するということになります
電気化学の中の電解反応についてお話し、その後、めっき反応についてお話していきました
連続でのめっきに関する内容について、電位と、その電位による
めっき反応に差があることを見ることができることについてお話しました
日常生活で、メッキ加工されているものはたくさん存在します
日頃使っているものも、装飾として、めっきが施されていることは多いです
このときに作っている方法を知っていただくことで、
作るために大変な管理をしないと行けないと思い、少しでも丁寧にものを扱っていただけるようになると
嬉しいです
今後も、日常生活に役立つ情報や、知ってて面白い情報、勉強されている方に役立つ情報等
自分がインプットしたもしくは、してきた内容についてアウトプットしていきますので、
次回以降もよろしくお願いいたします
今回も、最後まで、ご覧いただきありがとうございました