Metallic coating on plastic (copper - nickel - chrome): reaction with hydrochloric acid. Металлическое покрытие на пластике (медь - никель - хром): реакция с соляной кислотой

Metallic coating on plastic (copper - nickel - chrome): reaction with hydrochloric acid - pt.1 / Металлическое покрытие на пластике (медь - никель - хром): реакция с соляной кислотой

Скажу сразу: я планировал провести простой химический эксперимент, описать его и смонтировать видео, а вышло - наполовину художественное произведение. Если у Николо Макиавелли была "Буря в стакане", то изложенное ниже попадает под определение "Детектив в стакане", и слово "стакан" в данном случае следует понимать буквально. Теперь - обо всем по порядку.

В одной из прошлых жизней я работал на гальванике на одном военном предприятии. В числе прочего там делали такие важные стратегические изделия как кнопки для унитазов. Даже не сами кнопки, а "ободок" для них. И не совсем "делали", а покрывали металлом уже готовые пластиковые изделия. Сначала наносили химическим способом "островки" палладия - поверхность изделия приобретала электропроводность, что позволяло осадить на нее гальваническую медь, поверх меди гальваническим способом наносили никель и, наконец, хром (см. статью: Металлизация пластика - наше все. Metallization of plastic [ссылка]). Один образец такого "ультра-секретного" изделия у меня остался: решил сделать с ним что-то интересное. Магнитом притягивается - за счет никелевого покрытия, но слабо, поскольку масса никеля составляет лишь небольшую часть от общей массы изделия. В этом и суть металлизации: чтобы заменить более дорогие и дефицитные металлы дешевым и доступным пластиком (термин "дешевка" возник не просто так). Проверить, как действует на изделие магнит, - хорошо, но не очень интересно. Поэтому решил попробовать действие на покрытие кислоты - соляной.

Какой прогноз? Я рассчитывал, что соляная кислота растворит хром, затем - никель и под ними проступит блестящее медное покрытие. Медь тоже растворяется в соляной кислоте и неплохо (если есть доступ воздуха), но я предполагал, что она растворится последней, т.к. стоит в ряду напряжений правее, чем никель и хром (т.е., медь - менее активный металл). За счет образования гальванических пар медь не должна растворяться до тех пор, пока не прореагируют хром и никель (которые находятся в электрическом контакте с ней). Это, не говоря о том, что физически медное покрытие находится под хромовым и никелевым.

Такими были мои ожидания.

Поместил изделие в стакан, зафиксировал в вертикальном положении стеклянными палочками, добавил 30 мл концентрированной соляной кислоты. Жду... и ничего. Минут через 10 заметил крохотный пузырек газа. Реакция таки идет? Взял стакан, поднес к глазам, смотрю - а раствор стал желтым. Т.е., реакция идет полным ходом. Изменение окраски кислоты я сразу не заметил, потому что поставил стакан на темно-зеленую книгу. Сравнил полученный раствор с исходной кислотой: разница большая, т.к. исходная кислота бесцветная.

Это была не ошибка (НЕ непродуманность): темный фон снизу я поместил сознательно, т.к., чтобы лучше видеть выделение пузырьков газа, следует использовать темный фон. Обязательно сбоку, но и снизу тоже желательно. Потом оказалось, что на видео цвет раствора был заметен хорошо: и когда он отсутствовал, и когда стала появляться желтая окраска.

Поместил снизу белую бумагу. Желтый цвет раствора стал заметен лучше. А примерно через полчаса я увидел и выделение пузырьков газа с поверхности покрытия. Несильное, но отчетливое: из определенных точек поверхности поднимались целые вереницы пузырьков.

Один час: ~~полет нормальный~~ выделение пузырьков усилилось, раствор - интенсивно-желтый. Два часа - аналогично. Повреждений поверхности не заметно - покрытие не потеряло монолитности.

А дальше - "вырубили" свет, причем раньше графика (всего образец пробыл в кислоте 2.5 часа). Вчера была большая ракетная атака, большинство ракет сбили, но часть - долетела. Энергосистема в очередной раз повреждена - плановые отключения света перешли во внеплановые. К такому варианту я был готов. Не до такой степени, чтобы принести автономный светильник (смысла нет - без электричества лабораторный корпус все равно закроют), но что делать - я продумал. Вынул изделие из кислоты, промыл и оставил в стакане с дистиллятом. Кислоту - слил в стакан, который плотно закрывается крышкой. В следующий раз - продолжу.

Одно плохо: часть изделия (около половины) была погружена в кислоту, часть - нет. Сделал я это сознательно - чтобы было с чем сравнивать. Но эксперимент пришлось "поставить на паузу", и процесс растворения покрытия не дошел до конца. Т.е., в одном месте покрытие уже подверглось действию кислоты, в другом - нет (и эти места внешне никак не отличаются). Теперь, когда я вновь погружу кольцеобразное изделие в кислоту, ее действию подвергнется другая - произвольная часть кольца (она будет включать участок, где покрытие уже частично растворилось, и участок, который ранее не находился в растворе кислоты).

Еще одну неприятность заметил при просмотре отснятых роликов: в растворе плавали волокна бумаги! Их немного, а картину портят. При наблюдении визуально - в глаза такие мелочи не бросаются (часто их трудно заметить вообще), но макросъемка все меняет. Сколько уже раз я зарекался не протирать стаканы бумагой или тканью - и вот снова! Нужно будет использовать только воду с моющим, губку, в заключение - ополаскивать дистиллятом.

Попал на работу аж через два дня. Покрытие стало тусклым. Залил новой порцией соляной кислоты. Сначала - ничего. Позже - заметил отдельные пузырьки водорода. Минут через 20 раствор стал приобретать желтый цвет, причем не весь равномерно, а больше сверху - возле границы раздела кислоты и воздуха (в том месте, где находилось изделие).

Примерно через час стал замечать, что через покрытие начал проступать цвет меди. Увидел это я не непосредственно, а на мониторчике камеры (фотоаппарата). Зато при непосредственном наблюдении не было видно, что медное покрытие проступило. Что меня обманывает: глаза или камера?

Скорость выделения газа была умеренной, раствор приобрел более глубокий желтый цвет. Реакция проходила еще 4.5 часа, при этом выделение газа продолжалось (и даже ускорилось). По графику - уже должны отключить свет. Вынул образец из кислоты, промыл водой, залил дистиллятом - возьму домой вместе с кислотой (объединил первую и вторую порции кислоты вместе).

Просмотрел отснятое видео эксперимента на ноутбуке. Нет: на данный момент медное покрытие не проступило (на кадрах видео), хотя внешний вид покрытия поменялся. Изначально оно было серебристым и блестящим. Теперь серебристое покрытие поблекло, а в некоторых местах поверхность действительно приобрела какой-то серо-коричневый цвет (на время), но это - не цвет меди (т.е. дело в искажении цветов монитором камеры).

Взаимодействие шло в два этапа - суммарно 9.5 часов. Температура в лаборатории - порядка 10-14°С. Перелил кислоту в стакан с крышкой, стакан положил в герметичную банку. Образец под слоем дистиллированной воды был в другом стакане. Взял фотоаппарат, штатив, ноутбук и со всем этим поехал домой.

Идти к автобусу - неблизко. В дороге сумка сильно тарахтела. В чем дело? Оказалось, что стакан с кислотой я не догадался зафиксировать внутри банки - он ударялся о стенки. Проложил носовой платочек. Тарахтеть перестало - начало булькать. Дома - нет света, зато есть все остальное! Появится электричество - продолжу эксперимент.

Электричество, наконец, включили - продолжил. В третий раз опустил изделие в кислоту. Постепенно началось выделение газа, время шло, но медная поверхность все еще не проступала. Оставил на ночь. Проснулся через 7 часов 40 минут: на улице темно, а света опять нет.

Подсветил телефоном, а тут - сюрприз: верхняя часть покрытия - та, что над раствором, стала черной. Нижняя часть покрытия, которая была в растворе, - продолжала реагировать: газ выделялся не бурно, но с вполне пристойной скоростью. Пробовал снимать видео, подсвечивая стакан телефоном.

Еще через два часа появился свет. Возобновил съемки. Изделие - без существенных изменений: черное выше уровня кислоты и серое - в растворе. Опустил изделие в кислоту полностью, перемешал: черный налет сразу сошел. Вынул и промыл: оказалось, что на одной половине кольца под внешними слоями уже проступает красная медь, правда, матовая, а не блестящая. Какая именно это половина: та, что была в кислоте или та, что была над ее поверхностью, - отличить уже невозможно. Разумеется, по логике медь проступила именно на той части изделия, которая была опущена в кислоту.

Опять опустил изделие в кислоту именно той частью, где проступила медь, - продолжил эксперимент. Чуть позже - поехал к знакомой, рассчитывая вечером вернуться. А вернулся аж через два с половиной дня (2.5 суток) - война внесла небольшие коррективы в планы эксперимента. Причем, вернулся в темную квартиру.

Когда появилось электричество, смотрю в стакан с кислотой. Раствор - желто-зеленый (до этого был желтым), газ не выделяется. Изделие: нижняя часть (которая в кислоте) - серая, верхняя часть (которая над кислотой и подвергается действию ее паров) - тоже серая, но более темная и рельефная. Опустил изделие в раствор полностью, перемешал. С верхней части изделия рельефное покрытие сошло (на дне остались черные кусочки).

Вынул пластиковое изделие, промыл водой. Только теперь понял, что кислота полностью "съела" весь металл - остался только пластик. Т.е., в соляной кислоте растворились не только хром и никель, но и медь. Что медь растворяется в соляной кислоте - в присутствии воздуха, я знал. Надеялся увидеть и заснять момент, когда хром и никель уже растворились, а красная медь - нет. Но не факт, что это удалось бы, даже, если бы я все время мог наблюдать: покрытие растворялось неравномерно.

Только во время монтажа видео обнаружил, что еще ПЕРЕД моим длительным отсутствием (2.5 суток) кислота уже проела трехслойное металлическое покрытие и обнажила пластик. В живую тогда я обратил внимание, что в некоторых местах проступила металлическая медь, и что разрушение покрытия идет очень неравномерно, но НЕ заметил, что в других местах кислота проела металлы полностью - на этих участках теперь видна поверхность пластика. Т.е., ни о каком последовательном растворении покрытий (сначала - хром и никель, потом - медь) не было и речи.

Черный цвет поверхности, которая была расположена выше уровня кислоты, объясняется тем, что пары кислоты вытравили металлы неравномерно с образованием рельефной поверхности с "пиками" и "пещерами" - такая поверхность может хорошо поглощать свет. Именно в пещерах и между пиками и "теряется" свет - за счет многократного отражения, которое рано или поздно оканчивается поглощением. Аналогично ведет себя и "химический никель" (сплав никеля и фосфора, который осаждают на поверхность химическим способом) - блестящий металл становится под действием азотной кислоты черным и матовым. Принцип - тот же, что и в модели абсолютно черного тела. Модель представляет собой черный ящик с узким отверстием, куда попадает луч света, внутри он несколько раз отражается от стенки к стенке, пока полностью не поглощается. В случае черной поверхности никеля принцип аналогичный, только реализован он в "лайт-версии" (частично).

Модель абсолютно черного тела

Зеленая окраска раствора - цвет хлоридного комплекса меди (II) - H₂[CuCl₄]. Пока растворялись только хром и никель - цвет был желтым, когда растворилась медь, - цвет стал зеленым (аквакомплекс никеля - зеленый, да и хром (III) может давать зеленую окраску, но в нашем случае образуются хлоридные комплексы, их цвет может быть совсем другим).

Ах да, вспомнил: в цеху, где я работал, в случае брака покрытие с изделий стравливали в ванне: азотная кислота - плавиковая кислота. Растворялась оно быстро. В нашем случае я хотел попробовать именно действие концентрированной соляной кислоты, хотя понимал заранее, что процесс займет время. Только времени ушло гораздо больше, чем я рассчитывал.

Переделать эксперимент? Нет возможности. Вспомнил слова зав. отделом одного института, который принимал меня на работу. Он - бывший подводник, и у них была пословица:

- Резервного экипажа нет.

На подводной лодке, что бы не случилось, проблему придется решать собственными силами. Т.е., если вы идете сюда на определенную работу, - вы должны будете ее выполнять, иначе вместо вас эту работу делать будет некому. Физически.

Так и с моим экспериментом:

- Резервного образца нет.

Вчера проезжал мимо "родного" завода. На месте одного из цехов уже высотные жилые здания достраивают. Когда работал технологом, набрать данных изделий можно было сколько угодно, но я не думал, что найду им применение. Грустить не о чем: лучше никакого производства, чем ТАКОЕ. Физическое и моральное старение - не пустые слова. Про некомпетентность и вороватость администрации - молчу.

Разумеется, кнопки, покрытые металлом, и прочие металлизированные изделия из пластика продаются в изобилии. Но неизвестно, какие там покрытия и каким способом они нанесены (весь мир на гальванике не сошелся - существует много других способов металлизации). Даже, если это - гальваническое покрытие, не факт, что там выполняется последовательность: медь - никель - хром. Например, на одной из гальваник (которую мы должны были запускать, но так и не запустили) поверх меди сразу наносили хром, без промежуточного слоя никеля (точнее - должны были наносить - по технологии). Обоснование: никель - плохо для экологии. А хром для экологии - просто "супер". Особенно - хромовый ангидрид.

Новые эксперименты, разумеется, ставить буду - куплю металлизированный пластик и попробую, только это будут уже совсем другие эксперименты - образцы могут сильно отличаться от данного. Например, если не повезет, - поверх металла вообще может оказаться слой пластика, устойчивого к кислотам, но будем оптимистами.