Теория и практика электроосаждения металлов

ТЕОРИЯ
И ПРАКТИКА
ЭЛЕКТРООСАЖДЕНИЯ
МЕТАЛЛОВ

Yuliy D. Gamburg
Giovanni Zangari

Theory
and Practice
of Metal
Electrodeposition

Ю. Д. Гамбург
Дж. Зангари

ТЕОРИЯ
И ПРАКТИКА 
ЭЛЕКТРООСАЖДЕНИЯ
 
МЕТАЛЛОВ

Перевод с английского
доктора химических наук, профессора
 
Ю. Д. Гамбурга

 2-E ИЗДАНИЕ, ЭЛЕКТРОННОЕ

Москва
Лаборатория знаний
2020

УДК 541.124/128+621.793+669.017
ББК 34.663
Г18

Гамбург Ю. Д.
Г18
Теория и практика электроосаждения металлов /
Ю. Д. Гамбург, Дж. Зангари ; пер. с англ. — 2-е изд.,
электрон. — М. : Лаборатория знаний, 2020. — 441 с. —
Систем. требования: Adobe Reader XI ; экран 10". —
Загл. с титул. экрана. — Текст : электронный.
ISBN 978-5-00101-809-4
Учебно-справочное пособие, содержащее сведения о важнейших проблемах
электрохимии
металлов и
актуальных
вопросах практической гальванотехники. Рассмотрены современное состояние теории электродных процессов, нуклеации
и
роста
кристаллов,
образования
сплавов
и
включения
примесей,
влияния
блескообразующих
и
выравнивающих
добавок, вопросы распределения тока по поверхности, преимущества
и
недостатки
разнообразных
видов
покрытий
из металлов и сплавов, приведена рецептура современных
электролитов. Читатель найдет детальные сведения о способах приготовления растворов, режимах работы, особенностях
эксплуатации гальванических ванн, новых технологических
процессах, а также о роли основных компонентов, примесей
и добавок, методах контроля физических свойств и структуры
гальванопокрытий.
Для
студентов,
аспирантов,
исследователей
в
области
электрохимии
и
физикохимии,
разработчиков
новых
материалов и
технологов в электрохимии, машиностроении,
приборостроении и электронике.
УДК 541.124/128+621.793+669.017
ББК 34.663

Деривативное издание на основе печатного аналога: Теория
и
практика
электроосаждения
металлов
/
Ю. Д. Гамбург,
Дж. Зангари ; пер. с англ. — М. : БИНОМ. Лаборатория знаний, 2015. — 438 с. : ил. — ISBN 978-5-9963-0515-5.

В соответствии со ст. 1299 и 1301 ГК РФ при устранении ограничений,
установленных
техническими
средствами
защиты
авторских
прав,
правообладатель вправе требовать от нарушителя возмещения убытков или
выплаты компенсации

ISBN 978-5-00101-809-4

Translation from English language
edition:
Theory and Practice of Metal
Electrodeposition
by Yuliy D. Gamburg and Giovanni
Zangari

c○
Copyright
2011 Springer New York
Springer New York is a part
of Springer Science + Business Media
All Rights Reserved

c○ Лаборатория знаний, 2015

4

ПРЕДИСЛОВИЕ

Данная книга в краткой форме отражает современное состояние
как теоретического, так и прикладного аспекта электроосаждения
металлов. В теоретической части речь идет об электрохимии металлов,
включая электрохимическую термодинамику и кинетику, строение
границ металл/электролит, процессы нуклеации и роста, морфологию
поверхности металлов и сплавов, а также распределение электрического
тока
на
электродах.
Прикладная
часть содержит
общую
информацию относительно областей применения гальванопокрытий,
выбора материалов, электрохимических основ и технологии осаждения
важнейших для гальванотехники металлов и сплавов, включая их
индивидуальные особенности, свойства и структуру покрытий, а также
методы контроля.
В
книге
можно
найти — где
это
возможно
на
элементарном
уровне — количественное обсуждение явлений и процессов, происходящих при электрокристаллизации, включая вывод формул для
нахождения всех необходимых величин. Кроме того, здесь содержатся
сведения о выравнивании поверхности, наводороживании, включении
загрязнений и физических свойствах покрытий, что редко встречается
в учебных книгах по гальванопокрытиям. В главах, касающихся
электрохимических технологий, рассмотрены наиболее распространенные процессы и составы растворов. Информация о конкретных
процессах дана по единой схеме: свойства покрытий, их преимущества
и недостатки, состав растворов и методы их приготовления, условия
осаждения, особенности, аноды, добавки.
Довольно подробно изложены важнейшие концепции теоретической
электрохимии, необходимые для понимания и исследования процессов осаждения металлов, в том числе сведения, которые обычно
отсутствуют в соответствующих специализированных академических
курсах. Эти понятия важны для правильного понимания читателем
современной научной литературы в данной области. Информация,
представленная в книге и касающаяся разных сторон процессов
электрокристаллизации, собрана из большого массива публикаций
и рассмотрена с единой точки зрения.
Книга предназначена для студентов физико-химических и электрохимических специальностей, аспирантов и профессиональных элек

Предисловие

трохимиков. Она будет полезна и для специалистов по электроосаждению, имеющих физико-техническое или химическое образование,
для исследователей новых материалов, инженеров, разработчиков
и технологов в электрохимии, машиностроении, приборостроении
и электронике, занимающихся изучением и созданием новых технологических процессов в области роста и структуры металлических
слоев, кристаллов и других объектов современной техники.
Один из авторов (Ю. Д. Гамбург) выражает благодарность своим
коллегам из Лаборатории строения поверхностных слоев Института
физической химии и электрохимии им. А. Н. Фрумкина Российской
академии наук.

ПРЕДИСЛОВИЕ К РУССКОМУ ИЗДАНИЮ

Предлагаемая российским читателям монография издана на английском языке в 2011 г. Хотя эта книга не может рассматриваться как
учебник, она, тем не менее, содержит именно те сведения, которые
в настоящее время необходимы специалисту, активно работающему
в области гальванопокрытий и вообще электрохимического выделения
металлов и сплавов, в особенности c применением высоких технологий
(high technology), включая нанотехнологию.
Мы с профессором Дж. Зангари постарались в теоретической части
книги, т. е. в гл. 1–11, отразить современный уровень понимания
процессов
электрокристаллизации.
Здесь
с
единой
точки
зрения
рассмотрен основной массив весьма разнородных данных о таких процессах. Надеюсь, нам удалось показать, что к настоящему времени эта
область электрохимии обрела некоторую целостность, свое особенное
идейное содержание и вошла в избранный круг электрохимических
дисциплин. Знакомство с этой частью монографии достаточно для
понимания современных научных публикаций в данной области.
Отмечу также, что при написании этих глав использовался материал
моей книги1), которая уже стала редкостью. Тем читателям, которые
ощущают недостаточность своей общей подготовки по электрохимии,
мы рекомендуем дополнительно ознакомиться с нашим учебником2).
В прикладной части, включающей гл. 12–15, рассмотрены технологические особенности конкретных процессов электроосаждения —
важнейших для гальванотехники металлов и сплавов. Включение
в монографию таких разделов, которые больше подходят для учебника или справочника, нам кажется необходимым, тем более что
такая
традиция
восходит
еще
к
классической
книге
Х. Фишера
«Электролитическое выделение и электрокристаллизация металлов»
(Springer-Verlag, 1954). В этой части монографии в какой-то мере
использован материал моей книги3).

1)Гамбург Ю. Д. Электрохимическая кристаллизация металлов и сплавов. —
М.: Янус-К, 1997.
2)Лукомский Ю. Я.,
Гамбург Ю. Д.
Физико-химические
основы
электрохимии. — Долгопрудный: ИД «Интеллект», 2008; 2-е изд. — 2013.
3)Гамбург Ю. Д. Гальванические покрытия. — М.: Техносфера, 2006.

Предисловие к русскому изданию

В книге отсутствуют ссылки на продукты различных фирм и вообще
сведения, которые могут быть восприняты как реклама.
В предлагаемом переводе исправлены некоторые неточности оригинала и включены дополнительные данные, которые могут представлять интерес для российского читателя. По мнению авторов,
книга в основном исчерпывает тему электроосаждения металлических
материалов из водных растворов.

Ю. Д. Гамбург, профессор, доктор химических наук

Глава 1
ВВЕДЕНИЕ В ЭЛЕКТРООСАЖДЕНИЕ.
ВАЖНЕЙШИЕ ТЕРМИНЫ
И ПРЕДСТАВЛЕНИЯ

1.1.
ЭЛЕКТРООСАЖДЕНИЕ МЕТАЛЛОВ

Электроосаждение представляет собой образование металлического
покрытия
на
поверхности
основного
материала,
происходящее
в результате электрохимического восстановления ионов металла из
раствора электролита. Соответствующую технологию часто называют
гальванотехникой. Кроме получения металлических покрытий или
фольг, электрохимическое восстановление применяется для выделения металлов из их руд (электрометаллургия), для изготовления
изделий с точно заданной формой и размерами (электроформинг,
гальванопластика). В большинстве случаев металлический осадок
является кристаллическим, в связи с чем процесс называют электрокристаллизацией; этот термин был введен в начале XX в. русским
химиком В. Кистяковским.
Электролит является ионным проводником, в котором металлсодержащие
частицы
находятся
в
виде раствора
либо
расплава.
Растворителем обычно является вода, хотя в последнее время для
некоторых специфических процессов применяют также органические
растворители и другие ионные жидкости. Данная книга посвящена
выделению металлов из водных растворов, хотя ряд приводимых
данных применим и к другим системам.
Процесс выделения металла фактически состоит в погружении
предмета (электрода) в сосуд (электролизер, гальваническую ванну,
электрохимическую ячейку), содержащий электролит и противоэлектрод,
после
чего
электроды
подключают
к
внешнему
источнику
электрического тока. Покрываемый предмет подключается к отрицательному полюсу. В результате на электроде происходит восстановление ионов до металла, который и образует осадок на поверхности.
В
данной
главе
вводятся
термины
и
понятия,
используемые
при описании электрохимических процессов выделения металлов.
Кроме того, она включает предварительное обсуждение ряда вопро

Глава 1. Введение в электроосаждение

сов, которые последовательно и строго изложены в последующих
главах.

1.2.
ПРИМЕРЫ ЭЛЕКТРОКРИСТАЛЛИЗАЦИИ

Процесс образования металлического покрытия может осуществляться
по различным механизмам, происходить через различные промежуточные стадии и иметь различные цели. Здесь мы приведем несколько
представительных примеров.
1. Электроосаждение цинкового покрытия на малоуглеродистую
сталь с целью ее защиты от коррозии. Этот процесс может
идти, например, следующим образом:

Na2ZnO2 + H2O + 2e → Znmet + 2Na+ + 4OH−.
(1.1)

Соль, содержащая цинк, растворена в воде с образованием ионов
цинката, а электроны поступают от внешнего источника тока.
2. Получение медного порошка путем электроосаждения меди из
разбавленных подкисленных растворов сульфата меди:

CuSO4 + 2e → Cumet + SO2−
4 .
(1.2)

В этом случае медь также первоначально находится в виде ионов
в растворе.
3. Гальванопластическое получение никелевого слоя путем его
осаждения из нейтрального раствора на основе сульфамата
никеля:

Ni(NH2SO3)2 + 2e → Nimet + 2NH2SO−
3.
(1.3)

4. Образование металлического свинца на аноде свинцового аккумулятора при его зарядке:

PbSO4 + H+ + 2e → Pb0 + HSO−
4.
(1.4)

Таким образом, при всех процессах электроосаждения в общем
случае имеет место перенос одного или нескольких электронов через
границу раздела электрод/раствор, причем образуется металлическая
фаза.
Процессы осаждения металлов использовались и используются для
практических целей в различных областях техники — от металлургии
и тяжелой промышленности до (в последнее время) микроэлектроники
и нанотехнологий. Соответствующие примеры включают осаждение
золота и его сплавов на электрические контакты в электронных схемах,
осаждение меди в качестве проводящих слоев в микроэлектронике,
осаждение сплавов никель–железо для головок магнитной записи,
получение металлов высокой чистоты. В настоящее время наиболее
интенсивно развиваются области, связанные с информационными технологиями и энергетикой, а также с электроникой, изготовлением сенсоров и различного рода микросистем. Список материалов и структур,