電鍍（Electroplating）

電鍍（Electroplating）
國立台灣大學化學系黃俊誠博士/國立台灣大學化學系陳藹然博士責任編輯

現代電化學與電鍍的關係是，由義大利化學家布拉格奈特利（Luigi Valentino Brugnatelli, 1761-1818）在1805年開啟。布拉格奈特利利用了他的同事伏特（Alessandro Volta, 1745-1827）五年前的一項發明，以電極進行了第一次電沉積（electrodeposition）實驗。但布拉格奈特利的發明被法國科學院所壓制，在之後的三十年中沒有在一般的工業中應用。一直到了1839年，英國和俄羅斯科學家獨立地設計了金屬電沉積工藝，這種工藝類似布拉格奈特利的發明，可用於印刷電路板的鍍銅。不久之後，英國伯明罕的約翰•萊特（John Wright,）發現氰化鉀（KCN）水溶液是一個合適電鍍黃金和白銀的電解液。1840年，萊特的同事喬治埃爾金頓（George Elkington, ）和亨利•埃爾金頓（Henry Elkington, ）被授予第一個電鍍專利。他們兩人在伯明罕創建了電鍍工廠，從此該技術開始傳播到世界各地。他們兩人在伯明罕創建了電鍍工廠，從此該技術開始傳播到世界各地。

電鍍為一種電解過程，陽極為提供鍍層金屬的金屬片，電解液通常為欲鍍金屬的陽離子溶液，非金屬離子及其他化學成分所構成。陰極為被鍍物極板(圖1)。輸入電流後，電解液中的金屬陽離子游至陰極，其接受電子而還原成金屬而附著在被鍍物極板上。同時陽極的金屬再溶解(氧化)，提供電解液更多的金屬離子。若使用不溶性陽極電極板(如石墨)，則需另添加其他電解液補充欲鍍金屬之離子液體。

圖1

圖1反應式：
（陰極）被鍍物 M⁺ + e^– → M
（陽極）金屬板氧化 M → M⁺ + e^–
  M:金屬元素

電鍍最主要的目的是把金屬鍍膜附著在基材表面上，進而改變基材表面的性質或尺寸。例如裝飾品的黃金鍍層，是為了得到光亮如鏡且色澤多變的表面，同時又能兼具良好的耐蝕和耐磨性能。工業上的黃金鍍膜，則是希望能夠達到高導電性、低接觸電阻、以及不易氧化等特性。

一般電鍍時將被鍍物體置於陰極上，使欲鍍金屬的離子還原於被鍍物體表面，但也可以無電極電鍍，即非電解電鍍法（Electroless plating）為之。非電解電鍍是以適當還原劑代替陰極，將已附著於被鍍物品表面的金屬離子還原。（圖2）若與一般電鍍比較，電解電鍍固然可充分掌握電鍍條件，但是非電解電鍍法卻可不受材質及導電度之限制，因此也受工商業所喜用。於眾多非電解電鍍試劑中，次磷酸（hypophosphorous acid）與錫(II) 離子是常用的還原劑。其鍍層耐腐蝕性比一般的電鍍為佳、密著性、耐磨性也較好。由於使用方便，目前印刷電路板多以此法鍍銀或鍍銅。

另外非電解電鍍法的例子就是銀鏡反應，在含氫氧化銀(AgOH)或氧化銀(Ag₂O)的氨水溶液中，銀離子會與氨結合成錯離子Ag(NH₃)²⁺而溶在水溶液中，加入適量還原劑如甲醛，還原的銀金屬會析出，而沉澱附著在反應容器的表面，形成一層光華明亮的銀鏡，如保溫瓶中的銀鏡玻璃，就是利用此原理來製成。
HCH_(aq) + 2Ag(NH₃)₂OH_(aq) + NaOH→HCOONa_(aq) + 2Ag_(s) + 4NH_3(aq) + 2H₂O_(l)

圖2

圖2反應式：
金屬析出反應 M⁺ + e^– → M
氧化反應 Red + H₂O → Ox + H⁺ + e^–
M: 金屬元素   Red: 還原劑   Ox: 氧化生成物

參考資料：
1. Electroplating. http://en.wikipedia.org/wiki/Electroplating
2. Plating. http://en.wikipedia.org/wiki/Electroless_plating
3. Luigi Valentino Brugnatelli.
http://ppp.unipv.it/musei/pagine/Biogra … gnaIng.htm
4. 5E Model Science Lessons. http://pei.cjjh.tc.edu.tw/~pei/
5. 《科學發展》，400期，37～41頁，2006年4月。
6. 陳竹亭，選修化學（下），第29頁，泰宇出版社，2008。