DALDIRMA KAPLAMA (ELEKTRİK POTANSİYELLERİNE GÖRE SIRALANMIŞ KİMYASAL ELEMENTLER)
Bir kaplamacı olarak elektrik potansiyellerine göre sıralanmış metal elementlerle ilgilenmeniz bu elementlerin kimyasal özellikleri nedeniyledir. Daldırma yöntemiyle metalleri diğer metallerin üzerine kaplamak mümkündür. Bunun için dışarıdan bir elektrik enerjisi kaynağına da gerek yoktur. Bu konunun korozyonla da büyük alakası vardır.
Kendi deneyimlerinizden bazı metallerin havaya (oksitlenmeye) diğerlerinden daha dayanıklı olduğunu, bazılarının daha çabuk karardığını bilirsiniz. Örneğin altın havaya dayanıklıdır ve asla kararmaz, bu nedenle takı olarak tercih edilir. Öte yandan gümüş yumurta ile temas ederse koyu benekler oluşur, çünkü yumurtadaki sülfür ile tepkimeye girerek koyu kahverengi gümüş sülfür bileşiği oluşturur. Altın yumurta ile ne kadar temas ederse etsin kararmayacaktır. Yeni parlatılmış bakır metali havada bir süre kaldığında parlak pembemsi rengini yavaş yavaş kaybederek neredeyse siyaha kadar koyulaşır. Çinko açık havada çok kısa sürede beyazımsı bir oksit tabakasıyla kaplanır. Aluminyum görünmez koruyucu bir oksit tabakasıyla kaplanır ve daha fazla oksitlenmez fakat eğer aluminyum bir kapta yemek pişirilirse rengini kaybeder. Yakın geçmişte kızartma ve yemek pişirme için magnezyum tava kullanılmaktaydı. Magnezyumun temizlenmesi aluminyumdan daha fazla özen ister çünkü neredeyse tüm temizleme maddeleri magnezyumu çözdüğünden karıncalanmasına neden olur. gerçekten de asidik özellik gösteren yemekler metali çok çabuk çözdüğünden magnezyum tavada kullanılmamalıdırlar.
Her metalin aktifliklerindeki diğerlerine göre farklılıklar olması sahip oldukları kimyasal enerjilerin farklı olduğunun bir göstergesidir. Bu enerjilerin birbirlerine göre miktarlarının tanımlanması elektrik potansiyel kuvvetlerinin ölçülmesi ile yapılabilir.
Bakır gibi bir metal kendi tuzuyla hazırlanmış herhangi bir çözeltide bekletilirse bakır çözünmeye başlar (iyonlaşmak eğilimindedir). Benzer şekilde çözeltide çözünmüş haldeki bakır iyonlarının da bakır metali üzerine kaplanma eğilimi vardır (iyonlar yüklerini nötr hale getirmek ve tekrar katı metal haline geçmek isterler). Yani Elektrometal Kaplamanın Temel Prensipleri, Bölüm 2
Sayfa 9
ÇÖZÜLME BASINCI denen ve bakır metalinin çözünmesini sağlayan kuvvet ile, iyonların tekrar katı hale geçmesini sağlayan İYON BASINCI arasında bir denge vardır.
Eğer bir metalin çözülme basıncı iyon basıncını aşarsa metal aktif metal olmak eğilimindedir. Kolayca çözünür ve diğer elementlerle kolayca bileşik oluşturur. Bunun tersi bir durumda ise metal ASİL METAL olmak eğilimindedir. Çok zor çözünür, diğer elementlerle kolayca bileşik oluşturmaz, oluşturduğunda ise bileşik tekrar orijinal metali oluşturmak üzere kolayca parçalanabilir (bir fikir vermesi açısından resimli açıklaması için Şekil 3’ e bakın).
Burada açıklamamız gerekmeyen bir yöntem 7 kullanılarak hangisine eğilimli olduğu veya diğer bir değişle elektrik potansiyel kuvvetleri ölçülebilir. Bu potansiyellerin bir kısmının listesini Tablo 4’ te bulabilirsiniz. Magnezyumun çözülme eğilimi o kadar yüksektir ki 2,37 Volt’ luk bir elektriksel basınç veya gerilim meydana getirir. Artı işareti bu gerilimi ifade eder.
Listenin en altında altın metali vardır. Eğilimi ters yöndedir yani, altın tuzları veya iyonik formdaki altın atomik altına dönmeye çalışır. Eğer altını çözmek (iyonik forma dönüştürmek) istersek dışarıdan 1,50 Volt’ luk bir gerilim uygulamamız gereklidir.
Bu konu potansiyel tepesi ile daha kolay açıklanabilir. Daha aktif metaller, az aktif metallere göre tepede daha yükseklerde yer alırlar. Daha önce gördüğümüz üzere hidrojen tıpkı bir metal gibi davranır ve sıfır noktası olarak alınabilir.
TABLO 4. ÇEŞİTLİ METALLERİN POTANSİYELLERİ
EĞİLİMİ POTANSİYEL KISALTILMIŞ
(ok yönünde) (Volt) GÖSTERİLİM
Magnezyum Magnezyum iyonu + 2,37 Mg° Mg++ + 2 e–
Aluminyum Aluminyum iyonu + 1,67 Al° Al+++ + 3 e–
Çinko Çinko iyonu + 0,76 Zn° Zn++ + 2 e–
Demir Demir iyonu + 0,43 Fe° Fe++ + 2 e–
Kadmiyum Kadmiyum iyonu + 0,40 Cd° Cd++ + 2 e–
Nikel Nikel iyonu + 0,22 Ni° Ni++ + 2 e–
Kalay Kalay iyonu + 0,14 Sn° Sn+++++ 4 e–
Kurşun Kurşun iyonu + 0,13 Pb° Pb++ + 2 e–
Hidrojen Hidrojen iyonu 0,00 H2 2 H++ + 2 e–
Bakır Bakır iyonu – 0,34 Cu° Cu++ + 2 e–
Cıva Cıva iyonu – 0,79 Hg° Hg++ + 2 e–
Gümüş Gümüş iyonu – 0,80 Ag° Ag+ + 1 e–
Platin Platin iyonu – 1,2 Pt° Pt++ + 2 e–
Altın Altın iyonu – 1,50 Au° Au+++ + 3 e–
Altın Altın iyonu – 1,70 Au° Au+ + 1 e–
Yukarıdaki potansiyeller hidrojene göre göreli olarak düzenlenmiştir. Arzu edildiği takdirde potansiyelleri aktif metallerinki eksi, soy metallerinki artı olacak şekilde düzenleyebiliriz. Son çıkan kitaplarda bu şekilde düzenlenmektedir. Yine de sizin daha iyi anlayabilmeniz için eski gösterilimi kullanmamız daha uygun olacak. Elektrometal Kaplamanın Temel Prensipleri, Bölüm 2
Sayfa 10
Ders 1 Deney 4’ te bakır sülfat çözeltisi içinde kullandığımız elektrotlardan birinin çinko olduğunu düşünelim. Eğer çinko elektrotla bakır elektrodu bir bakır kabloyla bağlarsak yaş Daniel aküsü elde etmiş oluruz. 8 Şekil 5’ teki devrede voltmetrede yaklaşık olarak 1,10 Volt okunur. Çinko çözeltiye geçtiğinden dolayı (oldukça aktif bir metaldir) 0,76 Voltluk bir gerilim üretir. Öte yandan çözeltideki bakır iyonları bakır metali olarak kaplandığından 0,34 Volt üretir. Potansiyeldeki toplam değişim iki gerilimin cebirsel farkı olan [0,76 – (–0,34)] 1,10 Volt olur.
PROBLEM 1 : Bakır sülfat çözeltisine batırılmış magnezyum şeritten oluşan bir pil ne kadar gerilim üretir? Diğer elektrot bakır şerittir.
AKÜ bir ELEKTRON ÜRETECİ’ nden başka bir şey değildir. Yukarıdaki durumda çinko metalinin atomları çözünmekte, bu sırada çok miktarda serbest elektron meydana gelmekte ve bu elektronlar bakır kablodan geçerek bakır elektroda doğru hareket etmektedirler. Burada çözeltideki bakır iyonlarıyla birleşirler ve bakır elektrot üzerine kaplanmasına neden olurlar. Tabii ki serbest elektronlar havadan gelmemektedir. Çinko metalinin çözünerek daha düşük enerji seviyesine geçişi esnasında oluşurlar. Aküde kimyasal enerjinin doğrudan elektrik enerjisine dönüştüğünü görmekteyiz. Bu yaş aküdeki çinko metali aynı kuru aküdeki çinko (Şekil 6) gibi negatif elektrik (ELEKTRON) kaynağıdır ve bu nedenle AKÜNÜN EKSİ (NEGATİF) KUTBU olarak adlandırılır.
Elektrometal Kaplamanın Temel Prensipleri, Bölüm 2
Sayfa 11
DENEY 3 :
1. Ders 1, Deney 4’ teki kavanozdaki bakır sülfat çözeltisi içine temiz çinko bir şerit ve (çelik talaşıyla temizleyin ve iyice durulayın) temiz bir bakır şerit veya kablo sokun. Şekil 5’ te gösterildiği gibi #18 zil kablosuyla voltmetreye bağlayın. Voltmetrede ne okuyorsunuz?
2. Voltmetreyi devreden ayırın ve bakır ve çinko şeritleri doğrudan birbirine bağlayın. Çinko şeritte ne olmaya başladı?
3. Yeni temizlenmiş çinko şeridi doğrudan bakır sülfat çözeltisine daldırın. çinko şeritte ne gözlemliyorsunuz?
Deneyin 3. kısmında çinko şeritte gözlenen olay DALDIRMA KAPLAMA olarak bilinir. Bir kaplamacı olarak sizin için büyük önem taşımaktadır. Daldırma kaplama neden ortaya çıkar? Çinko ve aluminyum gibi metaller yüksek çözülme basıncına sahiptirler. Seyreltik asitlerde ve hatta çok düşük olmasına rağmen suda bile çözünme eğilimindedirler. Çözündükçe yüzeyde eksi yükler birikir. Örneğin çinko iki elektron kaybederek iyonlaşır. Bu elektronlar çinko levhanın yüzeyinde birikirler. Çözeltideki bakır iyonları çinko levhanın üzerinde birikmeye başlarlar çünkü elektrik potansiyellerine göre sıralama konusunda gördüğümüz gibi bakır yüksek bir iyon basıncına sahiptir (pozitif yüklü iyonları kaybetmiş oldukları elektronları tekrar kazanmak isterler) ve bu nedenle negatif yüklü yüzeyde birikirler.
Aşağıdaki Şekil 7’ yi gözönüne alalım. Maddedin katı hali ile çözünmüş veya iyonize hali arasında çift taraflı bir kapı varmış gibi düşünülebilir.
Kapı açıldığında değişik kuvvetlerle her iki yönde çalışmaya başlayacaktır. Çözünmüş haldeki bakır iyonları kapıyı tersine zorlarlar. Enerjileri yeterli gelmediğinden kapıyı açamazlar. Kapının diğer tarafında çinko metali Elektrometal Kaplamanın Temel Prensipleri, Bölüm 2 Sayfa 12 vardır ve çok yüksek ÇÖZELTİ BASINCI’ na sahiptir. Kapıyı açar ve çözünmüş hale geçmeye başlar. Çok yüksek çözelti basıncına sahip olması nedeniyle kapıyı açacak enerjiye fazlasıyla sahiptir. Kapı açıldığında bakır iyonları da KATI HALE geçmeye başlar.
DENEY 4 :
1. 3. deneyin 3. şıkkını tekrar edin. Kaplanan bakırı inceleyin. Hangi formu alır? ÇOĞU DALDIRMA KAPLAMALAR SÜNGERİMSİ VE YAPIŞMAYAN TABİATTADIR.
2. Bir parça temiz gümüşü (gümüş çay kaşığı da kullanılabilir) bakır çözeltisine sokun. Gümüşün üzerine bakır kaplanıyor mu? EĞER ÇÖZELTİDEKİ METAL ELEKTRİK POTANSİYEL TABLOSUNDA (Tablo 4) ÜZERİNE KAPLANACAĞI METALİN ALTINDA DEĞİL İSE DALDIRMA YÖNTEMİYLE DİĞER METALİN ÜZERİNE KAPLANAMAZ. Bakır tabloda gümüşün üzerindedir ve bu nedenle gümüş üzerine kaplanamaz.
Kaplamacılıkta, çeşitli kaplama işlerinde meydana gelen bazı durumlar haricinde daldırma kaplamadan sakınılır çünkü sizin de gördüğünüz gibi süngerimsi bir yapıdadır ve asıl metalin üzerine yapışmaz. Örneğin gümüş kaplamacılığında gümüşün bakır üzerine yapışması önemlidir.
İstisnai durumlarda uygun yerlere daldırma kaplama uygulanıp ince zerrecikli, yapışkan bir daldırma kaplama elde edilebilir. Bu tip kaplama elektrik kullanmadan ince, ucuz altın, gümüş ve kalay kaplamacılığında yararlı olur.
Sayfa 9’ daki potansiyel tablosu kesin, değişmez bir tablo değildir. Sadece bu metallerin belli koşullarda birbirlerine göre izafi durumlarını verir (belli bir konsantrasyondaki iyonlarının içinde bulunan metal için).
Kimyasal değişiklerle metallerin Tablo 3’ te sahip oldukları değerlerini aşağıya veya yukarıya değiştirmek mümkündür. Gerçek kaplama banyoları konularını işleyeceğimiz Ders 6 – 8’ de göreceğimiz gibi, demir bir çiviyi asitli bakır banyosuna daldırırız. Hemen bakırla kaplanacaktır. Bir başka demir çiviyi siyanürlü bakır kaplama banyosuna daldırdığımızda ise daldırma kaplama meydana gelmeyecektir. Çinkonun üzerinde daldırma kaplama ne sebepten meydana geliyorsa, yine aynı sebepten dolayı asitli çözeltiye sokulan demirin üzerinde kaplama olmaktadır. Demir kapıyı açar ve bakır iyonları kapıdan içeri girerek kaplama oluşur. Eğer bakır kullanılırsa, siyanürle bileşik oluşturmasına rağmen tuhaf bir durum ortaya çıkar. Bakır siyanür köküne hemen bağlanır ve kapıyı açmak için gereken miktarda bakır iyonu kalmaz. Siyanür kökü (düşük serbest enerji prensibi gereği) bakıra bağlanarak daha karmaşık yapıda yeni bir iyon oluşturur. Çekim kuvveti o kadar güçlüdür ki çok az miktarda bakır bağ yapmadan kalabilir. (Bu bağ çok az iyonik karakter gösteren bir kovalent bağ tipidir).
SONUÇTA BAKIR “ASİL METAL”MİŞ GİBİ DAVRANMIŞ, YANİ BAKIRIN POTANSİYELİ DAHA DÜŞÜK SEVİYEYE İNMİŞTİR.
Elektriksel potansiyel konusunu işlerken gördüğümüz gibi, daldırma kaplamada her zamanki kaplamadan farklı olarak bir başka önemli husus vardır : Metalin potansiyel tepesindeki konumu aynı zamanda metalin kaplanması için uygulanacak gerilimin büyüklüğünün de ölçüsüdür. Bu sebeple eğer bir Daniel Pili’ niz varsa ve çinko kaplayıp bakırı çözmek istiyorsanız dışarıdan uygulamanız gereken gerilim en azından –1,10 Volt olmalıdır ki bu durumda süregelen kaplama işlemi durur (pil ters yönde +1,10 Volt ürettiğinden gerilimler birbirini etkisiz hale getirir). Eğer bakır çözülüyor ve çinko kaplanıyorsa 1,10 Volt olan denge gerilimi aşılmış demektir.
Polarizasyon konusunda bunu daha detaylı inceleyeceğiz.
Elektrik potansiyel serilerinin kaplamacılıkta önemli olmasının bir başka sebebi de çeşitli düzenlemeler yapılarak alaşım kaplamamıza yardımcı olmasıdır. 9. Ders’ te göreceğiniz gibi potansiyel tepesinde birbirlerine yakın konumdaki (yakın potansiyellerdeki) iki farklı metal aynı anda kaplanarak alaşımları yapılabilir. Bu konunun bilinmesi kaplamacıya geniş bir ufuk açar.
Potansiyel serilerinin bilinmesinin kaplamacılıktaki bir diğer önemi de KOROZYON ÇİFTLERİ olarak adlandırdığımız bilgiyi bize sağlamasındandır. Bir korozyon çifti sınai ortam, deniz havası gibi dış etkilere maruz bırakılmış, birbiriyle doğrudan temas halindeki iki farklı metaldir. Korozyonla ilgili olan 14. Ders’ te göreceğiniz gibi, potansiyel tepesinde daha yukarda bulunan metal aşınırken aşağıda bulunan metal hasar görmez.