第3章 电化学及电镀基础资料
3.1 电化学资料
3.1.1 电化当量
（1）常用金属及某些元素的电化当量
根据法拉第电解定律，电极上每析出（或溶解）1摩尔（mol）任何物质所需的电量为96500库仑（C）或26.8安培·小时（A·h），这个常数，一般称为法拉第常数。物质的量（mol）就是物质原子量（M）与其化合价数（n）之比，即M/n。
电化当量表示电解时每通过单位电量（库仑C或安培·小时A·h）所析出物质的质量，单位为g/C或g/（A·h）。按下式计算：
式中 k——电化当量，g/C或g/（A·h）；
M——物质的原子量；
n——物质的化合价数；
F——法拉第常数，96500C或26.8A·h。
电化当量的单位可用mg/C或g/（A·h）表示。在电镀计算时，电化当量的单位一般采用g/（A·h）。
某些元素的电化当量列于表3-1。
表3-1 某些元素的电化当量
注：表中数值均按电流效率100%计算的。
（2）金属合金的电化当量
金属合金的电化当量，按下式计算（以合金质量100g为基准）：
式中 ka-b-c——a-b-c合金的电化当量，g/（A·h）；
ka——a金属的电化当量，g/（A·h）；
kb——b金属的电化当量，g/（A·h）；
kc——c金属的电化当量，g/（A·h）；
ma——合金中a金属的质量，g；
mb——合金中b金属的质量，g；
mc——合金中c金属的质量，g。
计算示例：焦磷酸盐电镀Zn、Ni、Fe三元合金，其中Zn含量85%、Ni含量10%、Fe含量5%（均为质量分数）。Zn的电化当量为1.220g/（A·h）、Ni的电化当量为1.095g/（A·h）、Fe的电化当量为1.0416g/（A·h）。则Zn、Ni、Fe三元合金的电化当量按下式计算：
3.1.2 电极电位
电极电位：金属与电解质溶液界面之间的电位差称为该金属的电极电位。
平衡电极电位：金属浸在只含该金属盐的溶液中达到平衡时所具有的电极电位称为该金属的平衡电极电位。
标准电极电位：当温度为25℃，金属离子的有效浓度为1mol/L（即活度为1）时，测得的平衡电极电位，称为标准电极电位。
平衡电极电位的计算公式——能斯特方程式如下：
式中 φb——该电极在不通电时所具有的电极电位，即平衡电极电位，V；
——标准电极电位，V；
R——气体参数；
n——参加电极反应的电子数；
T——绝对温度，等于273+t（℃）；
F——表示1个法拉第电量，即96500C；
a——离子的平均活度（有效浓度）。
上式简化后可写成为：
由上式可知，当a=1时，φb=，即活度等于1时的平衡电极电位就是标准电极电位。
【例】 25℃时，把铜放入铜离子浓度为0.1mol/L的溶液，其平衡电位可用能斯特方程式计算：
金属的电极电位的绝对值无法测量，所以测量时以氢的标准电极电位为零，与氢的标准电极电位比较得出的电极电位作为金属的电极电位。
将标准电极电位按次序排列，叫做“电化序”。电化序反映了金属氧化、还原的能力。凡标准电极电位的数值较正的电极（金属），容易发生还原反应；而标准电极电位的数值较负的电极（金属），则容易发生氧化反应。对于电镀，电位越正的金属，如金（Au）、银（Ag）、铜（Cu）等，越易在比它电位负的金属如铁（Fe）的阴极上被还原析出（镀出）；而电位越负的金属，如铝（Al）、镁（Mg）、钛（Ti）等，则越不易镀出。
金属在25℃时水溶液中的标准电极电位见表3-2。
表3-2 金属在25℃时水溶液中的标准电极电位
常用金属在海水中的电化序见表3-3。
表3-3 常用金属在海水中的电化序
3.2 电镀基础资料
3.2.1 电流效率
电解时通过电流，在电极上实际析出（或溶解）物质的质量与理论计算应析出（或溶解）物质的质量之比，称为电流效率。
电流效率有阴极电流效率和阳极电流效率。电镀的阴极电流效率要小于100%，这是由于在阴极上除了析出金属外，还存在着副反应，如析出氢气等的缘故。阳极电流效率有时小于100%，有时大于100%，这是由于阳极上除了发生电化学溶解外，还进行着化学溶解的缘故。
电流效率是评定镀液性能的重要指标之一。电流效率高，加快镀层沉积速度，减少能耗。一般情况下，酸性镀液如酸性镀铜、酸性镀锌、镀镍等，电流效率接近100%；焦磷酸盐镀液的电流效率较高，一般大于90%；铵盐镀液的电流效率也较高，一般近大于90%；氰化镀液的电流效率则较低，一般为60%～70%；镀铬溶液的电流效率更低，一般为12%～18%。
电镀溶液的阴极电流效率见表3-4。
表3-4 电镀溶液的阴极电流效率
3.2.2 镀层硬度
各种镀层硬度见表3-5。
表3-5 各种镀层硬度
镀铬层硬度见表3-6。
表3-6 镀铬层硬度
注：溶液成分为CrO3 250g/L，H2SO4 2.5g/L。
3.2.3 电镀基本计算
（1）沉积金属质量的计算
在阴极上沉积金属的质量按下式计算：
式中 m——沉积金属层的质量，g；
C——电化当量，g/（A·h）；
Dk——阴极电流密度，A/dm2；
s——电镀面积，dm2；
t——电镀时间，min；
ηk——阴极电流效率，%。
（2）镀层厚度的计算
镀层厚度按下式计算：
式中 d——镀层厚度，μm；
C——电化当量，g/（A·h）；
Dk——阴极电流密度，A/dm2；
t——电镀时间，min；
ηk——阴极电流效率，%；
r——镀层金属的密度，g/cm3。
（3）电镀时间的计算
镀层时间按下式计算：
式中 t——电镀时间，min；
r——镀层金属的密度，g/cm3；
d——镀层厚度，μm；
C——电化当量，g/（A·h）；
Dk——阴极电流密度，A/dm2；
ηk——阴极电流效率，%。
（4）阴极电流密度的计算
阴极电流密度按下式计算：
式中 Dk——阴极电流密度，A/dm2；
r——镀层金属的密度，g/cm3；
d——镀层厚度，μm；
C——电化当量，g/（A·h）；
t——电镀时间，min；
ηk——阴极电流效率，%。
（5）阴极电流效率的计算
阴极电流效率按下式计算：
式中 ηk——阴极电流效率，%；
r——镀层金属的密度，g/cm3；
d——镀层厚度，μm；
t——电镀时间，h；
Dk——阴极电流密度，A/dm2；
C——电化当量，g/（A·h）。
3.2.4 镀层沉积速率的计算
镀层沉积速率是指单位时间所镀上的镀层厚度，通常所采用的单位为μm/h。沉积速率按下式计算：
式中 v——镀层沉积速率，μm/h；
d——镀层厚度，μm；
t——电镀时间，min。
金属铬的沉积时间与阴极电流密度的关系见表3-7。
表3-7 金属铬的沉积时间与阴极电流密度的关系
（当镀层厚为10μm、电流效率为13%时）
金属的沉积时间与阴极电流密度的关系见表3-8。
表3-8 金属的沉积时间与阴极电流密度的关系
（当镀层厚为10μm、电流效率为100%时）
注：如果阴极电流效率（ηk）不等于100%，则金属的沉积时间
合金的沉积时间与阴极电流密度的关系见表3-9。
表3-9 合金的沉积时间与阴极电流密度的关系
（当镀层厚为10μm、电流效率为100%时）
①金属的原子价均为二价。
注：1.未加标记的铜为一价；锡为四价。
2.如果阴极电流效率（ηk）不等于100%，则金属的沉积时间
3.合金中的各组分含量，均为质量分数。
3.2.5 镀层金属的质量
1μm厚度的镀层质量见表3-10。
表3-10 1μm厚度的镀层质量
3.2.6 电镀零件面积的计算
由板材模压制成、线材制成、带材制成的镀件，如已知镀件的质量和厚度，则可用下列公式计算出镀件的表面积。而其他类型的镀件，应按其几何形状计算出各表面的面积（计算式参见数学资料），然后将各表面的面积加在一起，即得出镀件表面积。
（1）由板材模压制成镀件的表面积计算
这类镀件的表面积（考虑到板材的端面积）按下式计算：
式中 S——镀件表面积，cm2；
m——镀件质量，g；
h——镀件厚度，mm；
r——镀件金属密度，g/cm3。
（2）由线材制成镀件的表面积计算
这类镀件的表面积按下式计算：
式中 S——镀件表面积，cm2；
m——镀件质量，g；
d——线材直径，mm；
r——镀件金属密度，g/cm3。
（3）由带材制成镀件的表面积计算
这类镀件的表面积按下式计算：
式中 S——镀件表面积，cm2；
m——镀件重量，g；
a——带材厚度，mm；
b——带材宽度，mm；
r——镀件金属密度，g/cm3。
（4）螺栓、螺帽、垫圈零件的概略表面积计算
这些种类零件的概略表面积计算，可以利用比例面积（零件的面积与其质量之比，dm2/kg）来计算。螺栓、螺帽、垫圈零件的比例面积见图3-1。
图3-1 螺栓、螺帽、垫圈零件的比例面积图
例如：计算22mm螺帽的表面积，由图得出1kg螺帽约有6dm2面积。