Tampilkan postingan dengan label Materi MGMD. Tampilkan semua postingan
Tampilkan postingan dengan label Materi MGMD. Tampilkan semua postingan

01 Mei 2011

The Chemistry of Copper Plating

PURPOSE

This experiment demonstrates the process of electroplating and a commercial method used to purify copper.

* DESCRIPTION

This experiment is most appropriate for a first-year college prep or AP class if done quantitatively. If done qualitatively, it would be appropriate for a general class. One of the most important applications of electrolytic cells is the process of electroplating, in which a thin layer of metal is deposited on an electrically conducting surface. In electroplating, the metal to be plated is used as the anode and the electrolytic solution contains an ion derived from that metal. In this experiment, a copper anode (US penny) will be used in a solution of copper sulfate. Copper will be plated out onto a second penny at the cathode.

* TIME REQUIRED

30 minutes to set up; one period to complete.

* MATERIALS

Chemicals
electrolyte solution (200 g CuSO4· 5H2O + 25.0 mL concentrated H2SO4 solution in enough distilled or deionized water to make l.00 L of solution)*
pre-1983 pennies
vinegar
NaCl
Equipment
power supply (6.0-9.0 volts, 0.60-1.0 amps)*
connecting wires with alligator clips
16-18 gauge copper wire
250-mL beaker*
cardboard square (approx. 15 cm on a side)
ammeter (optional)
*See Modifications/Substitutions

* HAZARDS

Sulfuric acid can cause severe burns; handle with care. Goggles must be worn throughout this experiment. Although the power source is relatively weak, the electrodes and connecting wires should not be handled when the cell is operating. If a 9-V battery is used as the power source, it will become quite hot during use; caution should be exercised.

* MODIFICATIONS/SUBSTITUTIONS

  1. Copper(II) sulfate pentahydrate is available from garden supply stores as root eater.
  2. Sulfuric acid is available from auto supply stores as battery acid. Substitute 95 mL of battery acid for 25 mL of concentrated sulfuric acid.
  3. A battery charger or 9-V battery may be substituted for the power supply. If a 9-V battery is used, it will be nearly "dead" after completing the experiment.
  4. A 16-oz plastic glass may be substituted for the beaker.

* PROCEDURE

  1. Pour 200 mL of the electrolyte solution into the beaker.
  2. Attach connecting wires with alligator clips to the terminals of the power supply.
  3. Clean the pennies with a mixture of 3 g NaCl and 15 mL vinegar; rinse and dry.
  4. Tightly wrap one end of a 10-cm length of copper around each penny, leaving 5-6 cm of wire free.
  5. Mass each penny-copper wire assembly and record the masses.
  6. Push the free end of each wire through the cardboard square and place the square over the beaker so that the penny "electrodes" are immersed in the electrolyte solution as illustrated below. Note: the two electrode assemblies must not touch.

  7. Attach the connecting wires to the top of the copper wire assemblies.
  8. Allow the electroplating cell to operate for 30-60 minutes. Record the exact time the cell was operating (optional).
  9. Record the ammeter reading from the meter or power supply (optional).
  10. Remove each "electrode;" dry, being careful not to lose any of the copper plating; mass each and record.
  11. If an ammeter reading is taken, calculate:
    1. the number of coulombs of charge passed through the electrolytic cell,
    2. the theoretical number of moles of copper that should have plated out,
    3. the actual number of moles of copper that plated out, and
    4. the % yield of copper.
  12. If an ammeter is not used, calculate:
    1. the number of moles of copper removed from the anode,
    2. the number of moles of copper added to the cathode,
    3. the % of copper conserved,
    4. the number of coulombs of current necessary to plate out the moles of copper calculated in step 12b, and
    5. the average current that must have passed through the cell.

* DISPOSAL

Pennies used in this experiment should not be reused as currency. Solids may be discarded with other solid waste. Electrolyte solution should be stored for re-use; if it becomes necessary to dispose of the solution, it should be flushed down the drain with plenty of water.

* DISCUSSION

As copper is plated out at the cathode (negative electrode), copper goes into solution at the anode (positive electrode) as copper(II) ions, maintaining a constant concentration of copper(II) ions in the electrolytic solution.
cathode: Cu2+(aq) + 2 e- ---> Cu(s)

anode: Cu(s) ---> Cu2+(aq) + 2 e-

Commercial plating is done very slowly in order to obtain a smooth, even coating of the plated metal. Although this experiment does not produce plating of commercial quality, it gives students the opportunity to study the chemistry of an important commercial process. This general method is also used in purifying copper. A small cathode of pure copper is used with a larger anode of impure copper. As the electrolytic cell operates, pure copper is transferred to the cathode.

Students should be introduced to Faraday's law before doing this experiment. From this law, students will note that 2 x 96,485 coulombs of charge are required to produce one mole of copper from copper(II) ion. If an ammeter reading is taken, the number of coulombs that actually passed through the electrolytic cell can be calculated by using the formula; q = It, where q is the charge in coulombs, I is the current in amperes, and t is the time in seconds. From the coulombs of charge that pass through the cell, students can calculate the theoretical number of moles of copper that should have plated out and compare this to the actual number of moles that were plated out. If one assumes that the theoretical yield is equal to the actual yield, the atomic mass of copper can be calculated.

If an ammeter reading is not taken, students can compare the changes in mass of the two electrodes and from the number of moles of copper plated, calculate the number of coulombs of charge passed through the cell and the average current through the cell.

* TIPS

  1. If power supplies or batteries are not available in sufficient supply to allow students to do this as an experiment, it may be done as a demonstration. In such a case, it may be desirable to carry out the electrolysis in a 1-L beaker or large, wide-mouth jar and use small pieces of copper pipe or small copper plumbing fittings (available from a hardware store) to make the demonstration more visible to students. The reaction, then, should be run longer to get a larger mass change in the electrodes; this would require a power supply rather than a 9-V battery.
  2. Students might be encouraged to try plating copper onto other metals.

* REFERENCES

Masterton, W.L., Slowinski, E.J., and Stanitski, C.L., Chemical Principles, Saunders College Publishing, 1985, p. 701.
- This work describes the chemistry of electroplating and specific commercial electroplating solutions.

Elektroplating (1)

Ditulis oleh Suparni Setyowati Rahayu pada 26-07-2009

Proses pelapisan tembaga-nikel-khrom terhadap logam ferro atau kuningan sebagai logam yang dilapis adalah satu cara untuk melindungi logam terhadap serangan korosi dan untuk mendapatkan sifat dekoratif. Cara pelapisan tembaga-nikel-khrom dengan metode elektroplating adalah sebagai berikut:Pelapisan menggunakan arus searah. Cara kerjanya mirip dengan elektrolisa, dimana logam pelapis bertindak sebagai anoda,sedangkan logam dasarnya sebagai katoda. Cara terakhir ini yang disertai dengan perlakuan awal terhadap benda kerja yang baik mempunyai berbagai keuntungan dibandingkan dengan cara-cara yang lain. Keuntungan-keuntungan tersebut antara lain :
a. Lapisan relatif tipis.
b. Ketebalan dapat dikontrol.
c. Permukaan lapisan lebih halus.
d. Hemat dilihat dari pemakaian logam khrom.

Pengerjaan elektroplating tembaga-nikel-khrom pada dasarnya terbagi atas tiga proses yaitu perlakuan awal, proses pelapisan dan proses pengolahan akhir hasil elektroplating.Proses elektroplating ini terdapat tiga jenis proses pelapisan yaitu yang pertama adalah pelapisan logam dengan Tembaga, lalu dilanjutkan dengan pelapisan Nikel dan yang terakhir benda dilapis dengan Khrom.

Pelapisan Tembaga
Tembaga atau Cuprum (Cu) merupakan logam yang banyak sekali digunakan, karena mempunyai sifat hantaran arus dan panas yang baik. Tembaga digunakan untuk pelapisan dasar karena dapat menutup permukaan bahan yang dilapis dengan baik. Pelapisan dasar tembaga dipelukan untuk pelapisan lanjut dengan nikel yang kemudian yang kemudian dilakukan pelapisan akhir khrom.

Aplikasi yang paling penting dari pelapisan tembaga adalah sebagai suatu lapisan dasar pada pelapisan baja sebelum dilapisi tembaga dari larutan asam yang biasanya diikuti pelapisan nikel dan khrom. Tembaga digunakan sebagai suatu lapisan awal untuk mendapatkan pelekatan yang bagus dan melindungi baja dari serangan keasaman larutan tembaga sulfat. Alasan pemilihan plating tembaga untuk aplikasi ini karena sifat penutupan lapisan yang bagus dan daya tembus yang tinggi.

Sifat-sifat Fisika Tembaga
1.Logam berwarna kemerah-merahan dan berkilauan
2.Dapat ditempa, dibengkokan dan merupakan penghantar panas dan listrik
3.Titik leleh : 1.0830C, titik didih : 2.3010C
4.Berat jenis tembaga sekitar 8,92 gr/cm3

Sifat-sifat Kimia Tembaga
1.Dalam udara kering sukar teroksidasi, akan tetapi jika dipanaskan akan membentuk oksida tembaga (CuO)
2.Dalam udara lembab akan diubah menjadi senyawa karbonat atau karat basa, menurut reaksi : 2Cu + O2 + CO2 + H2O → (CuOH)2 CO3
3.Tidak dapat bereaksi dengan larutan HCl encer maupun H2SO4encer
4.Dapat bereaksi dengan H2SO4 pekat maupun HNO3 encer dan pekat
Cu + H2SO4 → CuSO4 +2H2O + SO2 Cu + 4HNO3 pekat → Cu(NO3)2 + 2H2O + 2NO2 3Cu + 8HNO3 encer → 3Cu(NO3)2 + 4H2O + 2NO
5.Pada umumnya lapisan Tembaga adalah lapisan dasar yang harus dilapisi lagi dengan Nikel atau Khrom. Pada prinsipnya ini merupakan proses pengendapan logam secara elektrokimia,digunakan listrik arus searah (DC). Jenis elektrolit yang digunakan adalah tipe alkali dan tipe asam. Untuk tipe alkali komposisi larutan dan kondisi operasi dapat dilihat pada tabel 2.3.

Larutan Strike menghasilkan lapisan yang sangat tipis. Larutan strike dapat pula dipakai sebagai pembersih dengan pencelupan pada larutan sianida yang ditandai dengan keluarnya gas yang banyak pada benda kerja sehingga kotoran-kotoran yang menempel akan mengelupas. Larutan ini terutama digunakan pada komponen-komponen dari baja sebagai lapisan dasar, untuk selanjutnya dilakukan pelapisan tembaga dengan logam lain.

Formula kecepatan tinggi atau efisiensi tinggi digunakan untuk plating tembaga tebal, smentara proses Rochelle digunakan untuk menghasilkan pelapisan yang bersifat antara strike dan kecepatan tinggi. Garam-garam Rochelle tidak terdekomposisi dan hanya berkurang melalui drag-out yaitu terikutnya larutan pada benda kerja pada saat pengambilan dari tanki tinggi disbanding larutan strike sebab kerapatan arus katoda dan efisiensi penting dalam kecepatan plating. Larutan Rochelle dan kecepatan tinggi dapat dioperasikan pada temperatur relatif tinggi.Komposisi larutan dan kondisi operasi untuk pelapisan tembaga asam dapat dilihat pada tabel 2.4.

Proses “Pengolahan Awal” adalah proses persiapan permukaan dari benda kerja yang akan mengalami proses pelapisan logam.Pada umumnya proses pelapisan logam itu mempunyai dua tujuan pokok adalah sifat dekorasi, sifat ini untuk mendapatkan tampak rupa yang lebih baik dari benda asalnya, dan aplikasi teknologi, sifat ini misalnya untuk mendapatkan ketahanan korosinya, mampu solder, kekerasan, sifat listrik dan lain sebagainya.Keberhasilan proses pengolahan awal ini sangat menentukan kualitas hasil pelapisan logam, baik dengan cara listrik, kimia maupu dengan cara mekanis lainnya.

Proses pengolahan awal yang akan mengalami proses pelapisan logam pada umumnya meliputi proses-proses pembersihan dari segala macam pengotor (cleaning proses) dan juga termasuk proses-proses pada olah permukaan seperti poleshing, buffing,dan proses persiapan permukaan yang lainnya.Untuk mendapatkan daya lekat pelapisan logam (adhesi) dan fisik permukaan benda kerja yang baik dari suatu lapisan logam, maka perlu diperhatikan cara olah permukaan dan proses pembersihan permukaan. Ketidaksempurnaan kedua hal tersebut di atas dapat menyebabkan adanya garisan-garisan pada benda kerja dan pengelupasan hasil pelapisan logam.