200 lat galwanotechniki. Elektrolityczne osadzanie metali – wczoraj i dziś

Jan Socha, Jerzy A. Weber

Galwanotechnika, jeden z działów elektrochemii stosowanej, należąca dzisiaj do technik nazwanych ogólnie inżynierią powierzchni, znana jest od dwustu lat.

Zajmuje się ona elektrolitycznym osadzaniem powłok metalowych i stopowych w celu uszlachetnienia lub nadania wymaganych właściwości pokrywanej powłoką powierzchni danego wyrobu. Nazwa galwanotechnika pochodzi od nazwiska profesora Luigi Galvaniego, który około 1780 roku odkrył istnienia „elektryczności zwierzęcej” (zjawiska opisywanego od tego czasu we wszystkich podręcznikach fizyki).

Do czasów tego odkrycia bowiem, jedynym znanym, poza wyładowaniami atmosferycznymi, elektrycznym zjawiskiem było powstawanie ładunków elektrycznych w wyniku pocierania o siebie rozmaitych ciał. O tym, że potarty tkaniną bursztyn (po grecku elektron) przyciąga lekkie przedmioty, wiedziano już w starożytności, ale to, że wiele innych substancji wykazuje podobne właściwości, stwierdził dopiero na przełomie XVI i XVII wieku William Gilbert, który nazwał zaobserwowane zjawisko elektrycznością. Wydzielanie metalu z roztworów soli stało się jednak możliwe dopiero po odkryciu w roku 1801 przez Alessandro Voltę ogniwa galwanicznego nazwanego od jego nazwiska stosem Volty.

Dwa lata później Cruickhank wydzielił już srebro na drodze elektrolizy, a w roku 1805 uczeń Volty – Lodovico Gasparo Brugnatelli – pierwszy przeprowadził doświadczenia z zakresu galwanicznego złocenia (pozłocił elektrolitycznie srebrne medale). W królewskiej kolekcji w Windsorze (Anglia) znajduje się „galwaniczny kubek” wykonany ze srebra i pozłocony galwanicznie w latach późniejszych (w roku 1815). Za pioniera nowoczesnego złotnictwa należy uznać jednak George’a Richardsa Elkingtona z Birmingham w Anglii, który w roku 1840 zgłosił pierwszy w historii złocenia galwanicznego patent:„Udoskonalona metoda złocenia miedzi, mosiądzu i innych metali bądź stopów metali”.

Przemysłowe zastosowanie galwanotechniki przypada na lata trzydzieste dziewiętnastego wieku, kiedy to bracia Elkingtonowie (Georgie, Richard i Henry) uruchomili warsztat posrebrzania. Stosowanie elektrolizy na skalę produkcyjną stało się bowiem możliwe dopiero po odkryciu przez profesora Daniella z King’s College w Londynie ogniwa galwanicznego, zwanego ogniwem Daniella. Warsztat Elkingtonów był już zaopatrzony w baterię takich ogniw.

W roku 1838 Moritz von Jacobi zapoczątkował stosowanie procesów galwanoplastycznych, tj. nakładania grubszych powłok miedzianych za pomocą elektrolizy. Jacobi (niemiecki řzyk) był doradcą do spraw technicznych cara Mikołaja I. W oparciu o jego opinię, car zlecił księciu Maksymilianowi von Leuchtenbergowi budowę dużych zakładów złotniczych, pracujących w oparciu o metodę galwaniczną. W powstałych zakładach wykonywano większość złoceń dla potrzeb dworu. Największym przedsięwzięciem tych zakładów było pozłocenie pięciu kopuł nowo wznoszonej cerkwi w Moskwie. W tym celu zbudowano 3 wielkie kadzie drewniane, mieszczące 5000 litrów elektrolitu do złocenia. Do galwanicznego pozłocenia tych kopuł zużyto ogółem 500 kg złota. Cerkiew przetrwała do siedemnastego roku XX wieku (została zburzona podczas rewolucji październikowej) i do tego czasu nie wykonywano żadnych prac konserwatorskich przy pozłoconych kopułach.

Od połowy dziewiętnastego wieku dużym powodzeniem cieszyły się wyroby srebrzone elektrolitycznie. Z tego względu wzrastało zapotrzebowanie na energię elektryczną i baterie ogniw do tego celu już nie wystarczały. Stosowanie srebrzenia na większą skalę stało się jednak możliwe dopiero dzięki wynalezieniu przez Woolricha w roku 1852 maszyny magnetoelektrycznej. Maszyny te miały bądź to magnesy stałe, bądź elektromagnesy zasilane z ogniw galwanicznych, co jednak ograniczało w znacznym stopniu ich moc.

Dopiero wynalezienie przez Henry Wilde’a (1833–1919) dynamomaszyny, i ulepszenie jej przez Siemensa, Halskiego i Schukerta, spowodowało prawdziwie burzliwy rozwój technik galwanicznego osadzania metali w drugiej połowie XIX wieku, kiedy to nastąpiły zasadnicze zmiany w dziedzinie galwanicznego pokrywania metalami, głównie szlachetnymi, ze względu na zapotrzebowanie przemysłu elektronicznego, później – półprzewodników. W tych gałęziach przemysłu powłoki galwaniczne najwcześniej znalazły masowe zastosowanie. Początkowo były to obwody drukowane, których wytwarzanie stało się możliwe tylko dzięki postępowi w procesach obróbki galwanicznej, później powłoki ze srebra, złota, palladu i stopów tych metali na elementach zestyków. W dalszym etapie opracowano specjalne powłoki stopowe zawierające metale grupy żelaza, na których oparto systemy zapisu na twardych dyskach. Intensywny wzrost zastosowań powłok galwanicznych w dziedzinie elektroniki, zwłaszcza systemów przetwarzania danych, obserwuje się do dnia dzisiejszego.

Ogólnie biorąc, różnicę w tendencji rozwoju galwanotechniki w jej okresie początkowym (wiek dziewiętnasty i początek dwudziestego) i obecnie można ująć następująco: dawniej uczono się, jak elektrolitycznie osadzić metal, a obecnie – w jaki sposób osiągnąć wymagane właściwości fizyko-chemiczne metalu lub jego stopu wydzielonego w najkrótszym czasie i najtańszą metodą.

Do szybkiego rozwoju galwanotechniki w wieku XX przyczyniły się również, w dużym stopniu, liczne prace z elektrochemi teoretycznej, a zwłaszcza z kinetyki elektrochemicznej.

Autorzy są pracownikami Instytutu Mechaniki Precyzyjnej