Bakır Kaplama

Sembolü                     : Cu

Atom Ağırlığı             : 63,57

 

Bakırın Özellikleri     : Bakır pembemsi renkte, özgül ağırlığı 8,92 olan bir metaldir (1cm³ suyun ağırlığı 1 gram iken, 1 cm³ bakırın ağırlığı 8,92 gramdır). Kolayca biçimlendirilebilir ve elektriksel iletkenlik bakımından gümüşten sonra en iyisi bakırdır. 1 veya 2 değerlikli olabilir.

 

Bakırın Kaplama Metali Olarak Kullanımı : Büyük ihtimalle en sık kaplanan metal bakırdır, çünkü yumuşak olup kolay biçimlendirilebilir, kolayca polisaj yapılabilir ve farklı birkaç çözeltiden kolaylıkla kaplanabilir. Atmosferin zararlı korozyon etkisi sadece demir için  sözkonusu değildir, bakır metalinin dış tabakaları havadaki oksijenle reaksiyona girerek oksitlendiği için bakırın dış yüzeyi kararır ve kırmızı ile siyah arasında bir renk alır. Asidik atmosferde yeşil renkli bir pas oluşur (bakır pası, bakır yeşili). Bu oksit tabakası koruyucu bir tabaka olarak davranır ve bakırın oksijenle daha fazla reaksiyona girmesini engeller. Renkteki bu bozulma nedeniyle, eğer kaplamanın orijinal pembe rengini muhafaza etmesi isteniyorsa, bakırla kaplanmış bütün ürünler koruyucu bir lak tabakasıyla kaplanmalıdır. Elektrokaplanmış bakır özellikle hassas olduğundan dolayı havada renk değiştirir – öyleyse önlemini alın!

 

Bakırın Elektrokimyasal Özellikleri : Eğer hatırlarsanız 1. Ders’ te bakırın diğer elementlerle birleşerek en dış yörüngesindeki bir veya iki elektronunu kaybettiğini ve çeşitli bileşikler oluşturduğunu görmüştük. Bakırın bir elektronunu kaybederek oluşturduğu bileşikler, cuprous veya bir değerlikli bakır bileşikleri olarak adlandırılır. Bakırın iki elektronunu kaybederek oluşturduğu bileşiklere ise, cupric veya iki değerlikli bakır bileşikleri denir.

 

(oz -ous- ve ik -ic- soneklerine dikkat edin – Birden fazla değerlik (valans) elektronuna sahip tüm metallerde, “oz” ile biten metal bileşiklerinin birleşme değeri daha düşük, “ik” ile bitenlerin birleşme değerleri daha büyüktür).

 

Bir değerlikli bakır bileşikleri su içinde çözündüğünde, bakır tuzu iyonize olur ve bir elektron kaybetmiş haldeki bakır iyonları ortaya çıkar, bu iyonlar net olarak bir pozitif (+) yüklüe sahiptirler. İki değerlikli bakır bileşikleri iyonize olduklarında, bunlar iki elektron kaybederler ve net olarak iki pozitif yüklü hale geçerler. +1 değerlikli bakır (Cuprous) iyonunu metalik bakıra geri döndürmek için 1 elektron; +2 değerlikli bakır (Cupric) iyonunu metalik bakır haline geri döndürmek için 2 elektron gerektiğinden dolayı; şurası gayet açıktır ki; +1 değerlikli bakır iyonunun bakıra dönüşmesi için gereken enerji miktarı daha azdır. “Coulomb” ile anlatacak olursak; +1 değerlikli bakır çözeltisi kullanılarak belli ağırlıktaki bakır metalin kaplanması için gereken elektrik enerjisi miktarı, +2 değerlikli bakır çözeltisi kullanılarak yapılara göre yarı yarıya daha azdır.

 

Bir Faraday’lık elektrik enerjisi (96,500 coulomb) kullanıldığında, %100 katot veriminde +1 değerlikli bakır çözeltisinden 63,54 gr, +2 değerlikli bakır çözeltisinden 31,77 gr. bakır kaplama yapılır.

 

Yukarıda söz edilen durumu, uygulamada yapılan kaplama açısından aşağıda Tablo 1.de belirtildiği gibi değişik yollardan da açıklayabiliriz.

 

Özellik

Cu+1

Cu+2

1 gram kaplamak için gereken amper-saat

   0,422

   0,844

1 ons kaplamak için gereken amper-saat

11,96

23,92

1 dm² ye 20 mikron kaplamak için gerekli amper-saat

0,753

1,516

 

Yukarıda tanımlanan durumların %100 katot verimi esas alınarak hesaplandığı gözardı edilmemelidir. Bakır, elektromotor seride hidrojenin oldukça altında bulunmaktadır. Bundan dolayı, sıradan bir asitli bakır banyosunda, katot verimi %100’e oldukça yakın bir değerdedir. Başka faktörlerin de etkili olduğu siyanürlü ve başka tipteki alkali banyolarda bu verim %30-40’lara kadar düşmektedir.

 

 

Şimdi, bakır kaplama banyolarını inceleyelim.

 

 

Bakır Kaplama Banyoları

Bakır bir çok değişik çözeltiden kaplanabilir. Bu çözeltiler 2 ana gruba ayrılır. pH’ı  7’nin altında olan asidik tip banyolar, pH’ı 7’nin üzerinde olan alkalik tip banyolar. Önce asidik tip banyolardan söz edeceğiz.

 

Aksi belirtilmedikçe, tüm kaplama banyosu reçetelerindeki çözeltiler su kullanılarak hazırlanmıştır. Örneğin; 75 gr/lt konsantrasyon, 1 litre suda 75 gram madde çözünmüş anlamına gelir.

 

Asitli Bakır Banyoları

 

En sık kullanılan asitli bakır banyosu “bakır sülfat banyosu” olarak bilinmektedir. Bunun pek çok değişik türleri bulunmakla birlikte, temel içeriği; bakır sülfat (mavi vitriol) ve sülfürik asittir. Aşağıda temel reçetesi görülmektedir. İyi sonuçlar elde etmek için bu banyonun işe yaradığını söyleyebilirim.

 

Bileşen

Formülü

Konsantrasyon (gr/lt)

Bakır sülfat

CuSO4.5H2O

200

Sülfürik asit

H2(SO4)

52

Aluminyum sülfat

Al2(SO4)3

15 (isteğe bağlı)

 

Bu çözelti şu şekilde hazırlanır:  Bakır sülfat kristalleri yarım (1/2) hacim su içinde çözülür (kristalin bir kısmı çözünmez). Daha sonra sülfürik asit dikkatlice eklenir (daima asidi suya ekleyin, tersini yapmayın.) Oluşan çözeltiye aluminyum sülfat koyulup karıştırılır ve çözelti bir litreye tamamlayana kadar su ilave edilir.

 

 

Bu çözeltiyi hazırlarken karşılaştığınız şu üç hususun size diğer çözeltileri hazırlarken de faydası dokunacaktır:

 

1 Kristalleşme suyu: Kullanılan bakır sülfat kristalleri su içerir (hidratlıdır).

CuSO4.5H2O formülü ile ifade edilen şey, bakır sülfat çözeltisinin “kristalleşme suyu” içerdiğidir. “Hidrasyon” konusu 5. Ders’te ele alınmıştı fakat burada tekrar etme gereği bulunmaktadır. Neden tam olarak 5 molekül suyun bu şekilde bağlandığı, gereksiz bir takım ayrıntılara girmeden anlatılamayabilir, fakat sade bir yaklaşım daha yardımcı olacaktır. CuSO4 molekülünü, bir eyaletten diğerine (sıvı fazdan katı faza) yolculuk eden bir arabaya benzetirsek, su molekülünü de bir otostopçuya benzetebiliriz. Bakır sülfatın, tam 5 adet otostopçu su molekülü için yeri vardır ve bunları “katı faza” götürür.

 

Bakır sülfat kristalleri ve kristalleşme suyu içeren diğer kristaller “hidratlı” (sulu) kristaller olarak tanımlanır. Bu “kristalleşme suyu”, ısıtılarak veya başka bir yolla uzaklaştırılırsa, bu tip kristallere sudan arındırılmış anlamına gelen “anhidrit : susuz” kristaller denir.

 

Bu konuda, daha ileriye gidilmeyecektir çünkü kimyanın alanına girer. Fakat, yukarıda söz edilen konuların bir uygulaması vardır: Kaplama banyolarının hazırlanması.

 

“Hidratlı tuzlar”, aynı hacimdeki “susuz tuzlara” göre daha az derişiktir. Başka bir şekilde anlatırsak bir kilo susuz tuz yerine, bir kilo hidratlı tuz kaplama banyosunda çözülse, daha az miktarda tuz eklemiş oluruz. Aşağıdaki şekil daha açıklayıcı olacaktır.

 

 

 

Bakır sülfatı ele alırsak, bir kg. mavi (hidratlı) kristaller, bir kg.ın sadece  64/100’ ü kadar saf CuSO4 içermektedir. Burada kalan 36/100’lük kısma kristalleşme suyu karşılık gelmektedir. Daha önce verilen formül, 200 gram bakır sülfat kristali gerektirir. Elimizde açık yeşil renkli, toz görünümlü, susuz bakır sülfat varsa ve bundan kullanırsak, yukarıdaki reçeteye göre, her 1 gr. için fazladan 0,36 gram ekleme yapmamız gerekeceğinden; 200 gram bakır sülfat eklemiş olmak için, fazladan 72 gram bakır sülfat eklemek gerekeceği anlamına gelir. Eklediğiniz bu fazladan bakır sülfatın oda sıcaklığında suda çözünmediğini göreceksiniz. Bunu çözeltiden tamamen uzaklaştırmak zorundasınız ki, bu da zaman kaybı demektir. Yeni bir kaplama banyosu hazırlanırken, tuzların kristalleşme suyu içerip içermediğinin kontrolü önemlidir. Diğer önemli nokta da, eldeki tuzlar düşündüğümüz miktarda su içermiyorsa, gerekli toleransların dikkate alınmasıdır.

 

Farkı nasıl bilebilir nasıl tedbir alabiliriz?

 

5. Ders’te belirtilen “hidrasyon suyu” konusunda, konunun nasıl çözüldüğü anlatılmaktadır. Bu noktada, konuya açıklık getirecek, gerçek bir örnek vereceğim.

 

Çoğu kaplama banyosu reçetesinde, hidratlı veya susuz tuzlardan hangisinin kullanılacağı belirtilir. Eğer belirtilmemişse, bunlar bilimsel yollarla hazırlanmamış reçetelerdir! Eğer hiçbir açıklama yapılmamış ise, “susuz” formda olduklarını varsayın. Bunu bir çalışma kuralı olarak kabul edin. Şimdi, örneğe gelelim.

 

Cevap: Hidratlı bakır sülfatın formülü CuSO4.5H2O, susuz bakır sülfatın formülü CuSO4 tür. 5. Dersteki atom ağırlıkları tablosuna bakarsak, CuSO4 ün formül ağırlığını (Cu) 63,54 + (S) 32 + (O4) 64 = 159,54 gr olarak buluruz. 5 molekül su ilavesi ile 5 x 18 (H2O=2+16) = 90, toplam ağırlık 159,54 + 90= 249,54 olur. Buradan, doğru miktardaki susuz bakır sülfat; 180 . (159,54 / 249,54) = 115,08 gram olarak bulunur.

 

Problem #1: Bir bakır kaplama banyo reçetesi 112 gr/lt susuz bakır sülfat gerektiriyor. Elimizde hi kaplamanın kimyasal tepkimeye girmeyen türden olduğuna ve organik pisliklerden arındırılmış olmasına dikkat edilmelidir. Tygon veya teflon astarlı tanklar en iyileridir, fakat oldukça pahalıdırlar.

 

§                Cam tanklar: Ufak çaplı çalışmalar için iyidir. Cam da seramik gibi kırılgandır.

 

§                Lucite/Pleksiglas Tanklar: Deneysel ve ufak çaplı çalışmalar için uygundur.

 

Karıştırma: Asitli bakır banyoları için genelde kullanılan 2 tip karıştırma vardır. Katot çubuğun ileri geri hareketi ile sağlaman karıştırma ve hava üflenerek sağlanan karıştırma. Hava ile sağlanan karıştırma yöntemi, katot çubuğun hareketi ile sağlanandan daha verimlidir ve bu sebeple daha yüksek akım şiddeti değerlerine ulaşmaya imkan verir. Hava ile karıştırma daha etkili olduğundan, tank tabanında biriken çamuru banyoya karıştırır ve böylece kaplama yüzeyinde pürüzlülüğe yol açar. Bu nedenle, sürekli filtreleme yapılmıyorsa, hava ile karıştırma yöntemi ticari amaçlı tanklarda asla kullanılmaz. Ayrıca,  filtre ediliyor olsa bile hava kaynağı olarak asla sıradan bir kompresör kullanılmamalıdır. (Kısa bir süre çalıştıktan sonra, filtre yağlı buharın geçişine izin verir ve böylece banyonun kalitesi bozulur). Kuru ekran tipi filtre ile birlikte fan tipi üfleyici (blower) kullanılırsa işletmedeki toza karşı da önlem alınmış olur.

 

Eğer katot çubuğu karıştırması kullanılır  ise, 5 – 20 santimetre arası ileri geri mesafesi ve dakikada 8 – 16 kez hareket yeterli olacaktır. Elektrikle şekil verme konusunda anlatılacağı üzere, daha özel durumlar için, farklı tipte karıştırma yöntemleri de kullanılabilir.  

 

Filtreleme: Karıştırma işlemi uygulanmayan asitli bakır banyolarında genelde filtrelemeye ihtiyaç duyulmaz. Çok uzun çalışma periyotlarında ise filtreleme gereklidir. Katot çubuğu karıştırmasında her 3 haftada bir, hava karıştırmasında ise sürekli filtreleme yapılır. İnce taneli ve düzgün yüzeye sahip kaplamalar elde etmek için filtreleme bir zorunluluktur. Filtreleme hızı, banyonun bir saat içinde en az bir kez filtreleme ünitesinden geçirilmesi için yeterli olmalıdır. Eğer, anot torbaları kullanılırsa (yüzey pürüzlülüğünü azaltan bir uygulamadır) 407 gr/m² lik tüylendirilmiş polipropilen tercih edilmelidir. Buna alternatif olarak; 340 gr/m² lik kolalanmamış kanvas kumaş da kullanılabilir. Filtre pompaları ve çözelti için kullanılan ekipmanların malzemeleri paslanmaz çelik, cam, kauçuk veya plastik astarlı çelik ya da PVC olmalıdır.

 

Sülfat Banyosundan Parlak Kaplama Elde Edilmesi:

 

Size reçetesini vermiş olduğum orijinal banyo çok güzel görünümlü, ince taneli bakır kaplamanızı sağlayacaktır. Kısmen bunun nedeni, çözelti içinde bulunan aluminyum sülfatın bakır sülfat iyonlaşmasını bastırması, yani normal durumdan daha hızlı bir şekilde “çekirdek” bakır kristallerinin toplanması için uygun şartları oluşturması, böylece daha düzgün ve ince taneli kaplamanın elde edilmesidir (Bkz. Metal kaplama nasıl meydana gelir, Ders 2).

 

Patentli parlatıcı maddeler (katkılar) kullanılarak, asitli bakır banyolarından çok parlak bakır kaplama yüzeyleri elde etmek mümkün olur. Ben size patentli ürünleri öneririm, ama istiyorsanız kendiniz de imal edebilirsiniz. Tablo 3’ te verilen maddeleri kullanarak çok düzgün parlak ve yarı parlak kaplamalar elde edebilirsiniz.

 

Tablo 3. Asitli Bakır Kaplama İçin Patentli Olmayan Bazı Parlatıcılar

 

<

Malzeme

Derişim (gr/lt)

Fenolsulfonik asit

1 gr/lt

Hayvan Derisi Tutkalı

  5 mg/lt

Melas (Şeker tortusu)

   2,5 ml/lt