金属的电镀实验
一、实验目的
1. 了解梯形槽的使用方法；
2. 了解电镀溶液的分散能力、电流效率的测定方法； 3. 了解电镀溶液中添加剂的作用和杂质对镀层的影响。
二、实验原理
把化学能转化为电能的过程称为电解。电镀属于电解，是一种电化学沉积过程，是指在含有欲镀金属的盐类溶液中，在直流电的作用下，以欲镀金属或其它惰性导体为阳极，通过电解作用，阴极镀件表面上沉积出金属，获得牢固的金属膜的过程。
（一）梯形槽实验原理
梯形槽也叫赫尔槽，其形状如图II-13-1所示。槽的容积有三种，即l L、267 mL和250 mL。由于槽中阴阳极放置不平行，故阴极上各部分电流分布是不均匀的，在离阳极近的近阴极端，电流密度较高，在另一端电流密度较低。通过大量实验，对267 mL的梯形槽而言，得到一个在阴极各部分电流密度分布的经验公式（II-13-1），即
DK=I⨯(5.1-5.24logL) （II-13-1）
式中：Dk为阴极上某点的电流密度(A/dm2)；I为实验时的电流强度(A)；L为阴极上该点距近阴极端的距离(cm)。
图 II-13-1 梯形槽
（二）镀液分散能力的测定原理
镀液的分散能力是指电解液所具有的使镀层厚度均匀分布的能力。测定的方法有多种，方法不同用来表达分散能力的公式也不同。因此，为了比较不同镀液分散能力的大小，必须采用同一种方法测量才有意义。本实验采用远阴极和近阴极的方法(图II-13-2)，远阴极和近阴极与阳极的距离比为L2/L1等于K，用这种方法所测得的分散能力可用下式（II-13-2）表达：
m12
Tp=⨯100% （II-13-2）
K-1
K-
式中Tp为分散能力(%)；K为远阴极和近阴极与阳极距离之比；m1、m
2为近阴极上和远阴
极上金属的增重。
图II-13-2 测定分散能力的电镀槽
（三）电镀效率的测定原理
根据法拉弟定律，在电镀镍时，通过电镀槽的电量若为l F（96500 C），则应得镍镀层0.5 mol（58.69/2 g）。而实际上沉积的镍不到0.5 mol，这是由于在电镀过程中，阴极上进行的
－－
反应不只是Ni2++2e= Ni，还有2H++2e= H2副反应的存在，使得用于沉积金属的电流只是通过总电流的一部分，而其余部分消耗在副反应上，所以电流效率达不到100%。电流效率计算公式（II-13-3）如下：
Q实
η=⨯100%=⨯100%
W理Q总
II-13-3
图II-13-3 测量电流效率线路图
在实际测定镀液的电流效率时，与被测镀槽串联一个铜库仑计(见图II-13-3)。因为铜库仑计上铜阴极的电流效率为100%，所以根据铜阴极上镀层重量可以得到理论上的金属镀层的重量或通过电极的总电量。当采用铜库仑计时，电流效率的计算公式（II-13-4）可表达为：
η=
Qw⋅MCu
⨯100%=⨯100%
Q总M⋅WCu
II-13-4
式中W为被测金属镀层的重量；M为被测金属的摩尔质量；WCu为库仑计阴极上铜镀层质量；MCu为铜的摩尔质量（注：被测金属和铜的摩尔质量的值均随所取的基本单元而定。）
三、实验仪器和试剂
直流稳压电源；塑料镀槽；导线；普通镍镀液；库仑镀液
四、实验步骤
（一）具体操作方法
1. 配制电镀溶液（已配好） 2. 梯形槽实验
将铜阴极和镍阳极均用金相砂纸打磨光亮，用水冲洗干净。在267 mL梯形槽中注入一定量的普通镀镍溶液，装上阳极、阴极试片，接通电源，控制电流在1A，电镀5 min后,取出阴极片用水冲洗，观察其外观，并将试片各区域的镀层外观按下述符号记录下来。
3. 镀液分散能力的测定
取两片铜片，用金相砂纸打磨光亮。用水冲洗，做好近、远阴极标记，吹干后分别准确称重。将镍阳极和两片铜阴极放在长方槽中，并使L2/L1 = 2。将普通镀镍溶液注入长方槽中，接通电源，电流密度控制在1A/dm2。电镀30 min后，取出阴极用水冲洗、吹干，用分析天平分别称出远、近阴极重量。 4. 电流效率的测定
将被测镀液和铜库仑计的阴、阳极（被测镀液为铜阴极、镍阳极，铜库仑计阴、阳极均为纯铜）用金相砂纸打磨，冲洗干净。两阴极吹干后分别准确称重。接好线路，镀槽中注入镀液，接通电源，电流密度控制在1A/dm2，电镀30 min后，取出两阴极洗净、吹干，分别准确称取重量。
（二）注意事项
1. 电解液化学品有一定的腐蚀和污染，实验和观察过程中应避免手、皮肤直接接触。 2. 镀液分散能力和电流效率测定中不是电流为1A，而是电流密度控制在1A/dm2（应该根据实验中试片浸入到镀液中的实际面积进行计算）。 3. 实验完成后，镀液必须倒回原瓶中重复使用。 4. 两溶液不可互相污染。
（三）提问
1. 由梯形槽实验中所观察的现象说明什么问题？
2. 镀液分散能力和电流效率测定中为什么不是电流为1A，而是要控制电流密度为1A/dm2 ？
3. 铜库仑计在实验中的作用是什么？
五、实验总结
（一）数据处理
1. 用规定的符号绘制和标明梯形槽的阴极镀层外观图，并分析所观察现象的原因。 2. 将实验数据列表如下，计算镀液的分散能力，并说明镀液分散能力的优劣。
3. 将实验数据列表如下，计算电流效率。写出普通镀液电解池阴、阳电极所发生的半反应，并分析电流效率不为100%的原因。
（二）实验讨论
电镀前要对金属片进行打磨，其目的是为了处理、清洁被镀金属的表面，从而得到结合力好的镀层。镀层质量的好坏要考虑的因素有很多，主要有：被镀金属的特性、镀层特性、合适的前处理、合适的电镀溶液、合适的操作条件（电流密度、镀液浓度和各组分比例、镀液温度、时间、后处理）、合适的电镀设备和器具、环境条件等。 1．添加剂对电镀效果的影响
在电镀溶液中加添加剂：糖精、1,4-丁炔二醇、香豆素等可以明显的提高镀层的光亮度。加入光亮剂的镀镍溶液称光亮镀液，其中一个配方如下：
试剂名称 试剂用量
NiSO4·7H2O 250~300g/L
H3BO3 30~40g/L NiCl2 ·6H2O 20~30 g/L 糖精 0.6~1g/L
1,4-丁炔二醇 0.1~0.2g/L 香豆素 0.2~0.5g/L 十二烷基硫酸钠 0.05~0.1g/L
pH 4~4.5
2．杂质对镀层质量的影响
在电镀液中如果含有一定量的金属杂质，会影响渡层的质量，如镀镍溶液中含有Fe离子就会使镀层的质量下降。 3. 镀液深度能力的测定
在实际应用中电镀的对象很复杂，好多是管件和带凹槽的工件，因此就要求电镀液有深度能力。也就是说电镀液在阴极镀件深凹（或孔内）部分镀上金属层的能力。测定电镀液深度能力的方法很多，方法不同，深度能力的表示方式也不同（与分散能力的测定类似），所以为了比较不同种镀液的深度能力，必须用同一种方法测定。 4. 镀件的表面状态对镀层的影响
镀件的表面状态对镀层的光洁度，亮度，镀层的附着力等都有很大的影响。所以为了得到合格的镀层，镀件的表面必须经过合格的酸洗除锈、碱洗（或有机溶剂清洗）除油，机
械或电化学抛光等。
六、实验延伸
（一）电镀技术
电镀是一个普遍的工业流程。使用电流，可以将一层金属如铜或镍镀在一有导电性的物体上。传统电镀的主要目的通常是改变基体表面的特性，改善基体材料的外观、耐腐蚀性和耐磨性。现在，电镀技术在制备半导体、催化材料、纳米材料等功能性材料和微机电加工领域正日益发挥着重要作用。国内期刊“电镀与环保”、“电镀与精饰”、“材料保护”等刊登这方面的研究。
（二）设计一个趣味实验--电镀小饰品
铜片和石墨棒（铅笔芯）分別充当电池的阴极和阳极。含有镍离子的电解液，在电池的作用下，带正电的镍离子会转移至阴极，在铜片的表面取得电子并附于其上。
电镀前，可用油性书写笔在铜片表面上画图。由于书写笔的油墨是非导电体，所以镍离子是不会附于油墨所成之图画上，而其余部分均可镀上一层镍（如下图）。电镀完成后，清水冲洗镀件并用丙酮擦去图画的油墨痕迹，露出底色铜，这样一件工艺电镀品便告完成。
（三） 参考文献
1. 霍胜娟、李翔晔、黄胜标等（2009）提高电镀锌钢板耐指纹性的研究。电镀与精饰，31，6-10页。 2. 古晓雁、潘湛昌、肖楚民等（2009）纳米Ni-ZrO2复合电镀研究。 化学工程与装备，（11），5-7页。
3. Leung T. M., Lee C.C., Yau L. (1987) Physical Chemistry, 2nd edition, Fillans Ltd ,179-197 pp.
七、思考题
1.普通镀液使用一段时间后就需更换新的镀液，电镀废液可以直接倒入下水道吗？为什么？电镀废液在排放之前应如何处理？
2.通常镀液由哪几种成分构成？分析该实验普通镀镍溶液中各成分的作用。 3.分析影响镀层质量的主要因素。 附：1.普通镀镍溶液配方：
NiSO4·7H2O 140~170g/L
H3BO3 25~35g/L NaCl MgSO4·7H2O Na2SO4·l0H2O pH 2.库仑溶液配方：
试剂名称 CuSO4·5H2O
H2SO4
乙醇
7~12g/L 20~30g/L 60~80g/L 5.2~5.6 试剂用量
125 g/L
25 g/L 50ml/l
金属的电镀实验
一、实验目的
1. 了解梯形槽的使用方法；
2. 了解电镀溶液的分散能力、电流效率的测定方法； 3. 了解电镀溶液中添加剂的作用和杂质对镀层的影响。
二、实验原理
把化学能转化为电能的过程称为电解。电镀属于电解，是一种电化学沉积过程，是指在含有欲镀金属的盐类溶液中，在直流电的作用下，以欲镀金属或其它惰性导体为阳极，通过电解作用，阴极镀件表面上沉积出金属，获得牢固的金属膜的过程。
（一）梯形槽实验原理
梯形槽也叫赫尔槽，其形状如图II-13-1所示。槽的容积有三种，即l L、267 mL和250 mL。由于槽中阴阳极放置不平行，故阴极上各部分电流分布是不均匀的，在离阳极近的近阴极端，电流密度较高，在另一端电流密度较低。通过大量实验，对267 mL的梯形槽而言，得到一个在阴极各部分电流密度分布的经验公式（II-13-1），即
DK=I⨯(5.1-5.24logL) （II-13-1）
式中：Dk为阴极上某点的电流密度(A/dm2)；I为实验时的电流强度(A)；L为阴极上该点距近阴极端的距离(cm)。
图 II-13-1 梯形槽
（二）镀液分散能力的测定原理
镀液的分散能力是指电解液所具有的使镀层厚度均匀分布的能力。测定的方法有多种，方法不同用来表达分散能力的公式也不同。因此，为了比较不同镀液分散能力的大小，必须采用同一种方法测量才有意义。本实验采用远阴极和近阴极的方法(图II-13-2)，远阴极和近阴极与阳极的距离比为L2/L1等于K，用这种方法所测得的分散能力可用下式（II-13-2）表达：
m12
Tp=⨯100% （II-13-2）
K-1
K-
式中Tp为分散能力(%)；K为远阴极和近阴极与阳极距离之比；m1、m
2为近阴极上和远阴
极上金属的增重。
图II-13-2 测定分散能力的电镀槽
（三）电镀效率的测定原理
根据法拉弟定律，在电镀镍时，通过电镀槽的电量若为l F（96500 C），则应得镍镀层0.5 mol（58.69/2 g）。而实际上沉积的镍不到0.5 mol，这是由于在电镀过程中，阴极上进行的
－－
反应不只是Ni2++2e= Ni，还有2H++2e= H2副反应的存在，使得用于沉积金属的电流只是通过总电流的一部分，而其余部分消耗在副反应上，所以电流效率达不到100%。电流效率计算公式（II-13-3）如下：
Q实
η=⨯100%=⨯100%
W理Q总
II-13-3
图II-13-3 测量电流效率线路图
在实际测定镀液的电流效率时，与被测镀槽串联一个铜库仑计(见图II-13-3)。因为铜库仑计上铜阴极的电流效率为100%，所以根据铜阴极上镀层重量可以得到理论上的金属镀层的重量或通过电极的总电量。当采用铜库仑计时，电流效率的计算公式（II-13-4）可表达为：
η=
Qw⋅MCu
⨯100%=⨯100%
Q总M⋅WCu
II-13-4
式中W为被测金属镀层的重量；M为被测金属的摩尔质量；WCu为库仑计阴极上铜镀层质量；MCu为铜的摩尔质量（注：被测金属和铜的摩尔质量的值均随所取的基本单元而定。）
三、实验仪器和试剂
直流稳压电源；塑料镀槽；导线；普通镍镀液；库仑镀液
四、实验步骤
（一）具体操作方法
1. 配制电镀溶液（已配好） 2. 梯形槽实验
将铜阴极和镍阳极均用金相砂纸打磨光亮，用水冲洗干净。在267 mL梯形槽中注入一定量的普通镀镍溶液，装上阳极、阴极试片，接通电源，控制电流在1A，电镀5 min后,取出阴极片用水冲洗，观察其外观，并将试片各区域的镀层外观按下述符号记录下来。
3. 镀液分散能力的测定
取两片铜片，用金相砂纸打磨光亮。用水冲洗，做好近、远阴极标记，吹干后分别准确称重。将镍阳极和两片铜阴极放在长方槽中，并使L2/L1 = 2。将普通镀镍溶液注入长方槽中，接通电源，电流密度控制在1A/dm2。电镀30 min后，取出阴极用水冲洗、吹干，用分析天平分别称出远、近阴极重量。 4. 电流效率的测定
将被测镀液和铜库仑计的阴、阳极（被测镀液为铜阴极、镍阳极，铜库仑计阴、阳极均为纯铜）用金相砂纸打磨，冲洗干净。两阴极吹干后分别准确称重。接好线路，镀槽中注入镀液，接通电源，电流密度控制在1A/dm2，电镀30 min后，取出两阴极洗净、吹干，分别准确称取重量。
（二）注意事项
1. 电解液化学品有一定的腐蚀和污染，实验和观察过程中应避免手、皮肤直接接触。 2. 镀液分散能力和电流效率测定中不是电流为1A，而是电流密度控制在1A/dm2（应该根据实验中试片浸入到镀液中的实际面积进行计算）。 3. 实验完成后，镀液必须倒回原瓶中重复使用。 4. 两溶液不可互相污染。
（三）提问
1. 由梯形槽实验中所观察的现象说明什么问题？
2. 镀液分散能力和电流效率测定中为什么不是电流为1A，而是要控制电流密度为1A/dm2 ？
3. 铜库仑计在实验中的作用是什么？
五、实验总结
（一）数据处理
1. 用规定的符号绘制和标明梯形槽的阴极镀层外观图，并分析所观察现象的原因。 2. 将实验数据列表如下，计算镀液的分散能力，并说明镀液分散能力的优劣。
3. 将实验数据列表如下，计算电流效率。写出普通镀液电解池阴、阳电极所发生的半反应，并分析电流效率不为100%的原因。
（二）实验讨论
电镀前要对金属片进行打磨，其目的是为了处理、清洁被镀金属的表面，从而得到结合力好的镀层。镀层质量的好坏要考虑的因素有很多，主要有：被镀金属的特性、镀层特性、合适的前处理、合适的电镀溶液、合适的操作条件（电流密度、镀液浓度和各组分比例、镀液温度、时间、后处理）、合适的电镀设备和器具、环境条件等。 1．添加剂对电镀效果的影响
在电镀溶液中加添加剂：糖精、1,4-丁炔二醇、香豆素等可以明显的提高镀层的光亮度。加入光亮剂的镀镍溶液称光亮镀液，其中一个配方如下：
试剂名称 试剂用量
NiSO4·7H2O 250~300g/L
H3BO3 30~40g/L NiCl2 ·6H2O 20~30 g/L 糖精 0.6~1g/L
1,4-丁炔二醇 0.1~0.2g/L 香豆素 0.2~0.5g/L 十二烷基硫酸钠 0.05~0.1g/L
pH 4~4.5
2．杂质对镀层质量的影响
在电镀液中如果含有一定量的金属杂质，会影响渡层的质量，如镀镍溶液中含有Fe离子就会使镀层的质量下降。 3. 镀液深度能力的测定
在实际应用中电镀的对象很复杂，好多是管件和带凹槽的工件，因此就要求电镀液有深度能力。也就是说电镀液在阴极镀件深凹（或孔内）部分镀上金属层的能力。测定电镀液深度能力的方法很多，方法不同，深度能力的表示方式也不同（与分散能力的测定类似），所以为了比较不同种镀液的深度能力，必须用同一种方法测定。 4. 镀件的表面状态对镀层的影响
镀件的表面状态对镀层的光洁度，亮度，镀层的附着力等都有很大的影响。所以为了得到合格的镀层，镀件的表面必须经过合格的酸洗除锈、碱洗（或有机溶剂清洗）除油，机
械或电化学抛光等。
六、实验延伸
（一）电镀技术
电镀是一个普遍的工业流程。使用电流，可以将一层金属如铜或镍镀在一有导电性的物体上。传统电镀的主要目的通常是改变基体表面的特性，改善基体材料的外观、耐腐蚀性和耐磨性。现在，电镀技术在制备半导体、催化材料、纳米材料等功能性材料和微机电加工领域正日益发挥着重要作用。国内期刊“电镀与环保”、“电镀与精饰”、“材料保护”等刊登这方面的研究。
（二）设计一个趣味实验--电镀小饰品
铜片和石墨棒（铅笔芯）分別充当电池的阴极和阳极。含有镍离子的电解液，在电池的作用下，带正电的镍离子会转移至阴极，在铜片的表面取得电子并附于其上。
电镀前，可用油性书写笔在铜片表面上画图。由于书写笔的油墨是非导电体，所以镍离子是不会附于油墨所成之图画上，而其余部分均可镀上一层镍（如下图）。电镀完成后，清水冲洗镀件并用丙酮擦去图画的油墨痕迹，露出底色铜，这样一件工艺电镀品便告完成。
（三） 参考文献
1. 霍胜娟、李翔晔、黄胜标等（2009）提高电镀锌钢板耐指纹性的研究。电镀与精饰，31，6-10页。 2. 古晓雁、潘湛昌、肖楚民等（2009）纳米Ni-ZrO2复合电镀研究。 化学工程与装备，（11），5-7页。
3. Leung T. M., Lee C.C., Yau L. (1987) Physical Chemistry, 2nd edition, Fillans Ltd ,179-197 pp.
七、思考题
1.普通镀液使用一段时间后就需更换新的镀液，电镀废液可以直接倒入下水道吗？为什么？电镀废液在排放之前应如何处理？
2.通常镀液由哪几种成分构成？分析该实验普通镀镍溶液中各成分的作用。 3.分析影响镀层质量的主要因素。 附：1.普通镀镍溶液配方：
NiSO4·7H2O 140~170g/L
H3BO3 25~35g/L NaCl MgSO4·7H2O Na2SO4·l0H2O pH 2.库仑溶液配方：
试剂名称 CuSO4·5H2O
H2SO4
乙醇
7~12g/L 20~30g/L 60~80g/L 5.2~5.6 试剂用量
125 g/L
25 g/L 50ml/l