Nickelatura

La deposizione elettrolitica di nickel è uno dei processi di finitura utilizzati in modo  generalizzato sia nel campo ingegneristico che decorativo. I rivestimenti decorativi si ottengono aggiungendo ai bagni tecnici tradizionali  degli additivi organici appropriati. Il processo comprende la dissoluzione di un elettrodo (anodo) e la deposizione del nickel metallo sull’altro elettrodo (catodo). Ciò si fa applicando una tensione fra l’anodo (positivo) ed il catodo (negativo). La conducibilità elettrica fra i due elettrodi  è supportata da una soluzione acquosa di sali di nickel. Quando i sali di nickel sono disciolti in acqua il nickel è presente come ione Ni2+(acq) con varie moli d’acqua di coordinazione assieme ad altri gruppi che determina il colore della soluzione che risulta verde. Quando il pezzo da nickelare viene polarizzato catodicamente (-) rispetto all’anodo (+) gli ioni nikel Ni2+ migrano sul  catodo,assorbono da questi due elettroni e si depositano come atomi metallici sullo stesso secondo la reazione semplificata

Ni2+ + 2e-  --> Ni

Poichè la reazione che avviene all’anodo è il contrario di questa il processo può avvenire per lungo tempo senza interruzione.

• Composizione

La tipica formulazione di un bagno di nickelatura lucida si basa sulla formulazione di un bagno di Watts cioè una ricetta nata per depositare un nickel opaco che ha avuto una notevole importanza nella storia della nickelatura. Le caratteristiche fondamentali di tale ricetta sono le seguenti:

Il nickel solfato fornisce la maggioranza del contenuto in  ioni nickel nel bagno. E’ un sale poco costoso con uno anione che non subisce riduzione al catodo o ossidazione all’anodo e non è volatile.
Il nickel cloruro fornisce gli ioni cloro che prevengono la ossidazione degli anodi che si traduce in una passivazione. Infatti all’anodo le tre reazioni concorrenti sono:

Ni --> Ni2+ + 2e-                                            (1)
2Cl- -->Cl2 + 2e-                                            (2)
2OH-  -->H2O+1/2O2 +2e-              (3)

La reazione desiderata è la (1) che ripristina all’anodo quello che si è depositato al catodo. La reazione (3) provoca la formazione di ossigeno all’anodo con conseguente deposizione di ossido di nickel e di ossigeno adsorbito che riduce la conducibilità elettronica aumentando così la tensione di lavoro (polarizzazione ). La reazione (2) provoca la ossidazione dell’anodo con formazione di NiCl2 sale solubile che passa subito in soluzione mantenendo quindi l’anodo allo stato di nikel attivo.
L’acido borico serve come tampone per il film catodico. Qui infatti la scarica continua di cationi (Ni2+ e in misura molto minore anche se indesiderato H+) provoca un aumento del pH  che se non viene tamponato porta alla formazione di idrossidi di Nickel, sali poco solubili, che vanno a depositarsi sul pezzo originando delle puntinature e quindi degli scarti.
L’antipuntinante è necessario poiché l’efficienza catodica di scarica del nickel è circa del 97% mentre il resto è dovuto alla scarica dei portatori minoritari H+ con formazione di bollicine di H2 che rimangono attaccate al catodo. Per favorire il distacco di queste vengono aggiunti dei tensioattivi anionici che riducono la tensione interfacciale soluzione - superficie nickelata per cui la soluzione bagna la superficie scalzando la bollicina ed evitando così che questa crei un impedimento alla crescita del deposito con formazione di una cavità. Il lauril solfato sodico è uno dei più comuni tensioattivi adottati nei bagni lucidi.
I brillantanti sono sostanze che migliorano la lucentezza del deposito ma non forniscono da soli l’aspetto lucido richiesto. Si possono suddividere in due classi:
I brillantanti della classe 1 sono acidi benzendisolfonici, benzentrisulfonici, benzensolfonammidi e benzensulfonimidi (saccarina). Gli anelli  aromatici sono di solito benzenici o naftalenici  ma attualmente vengono utilizzati gruppi insaturi alifatici quali il vinile e l’allile Queste sostanze migliorano la lucentezza del deposito ma non forniscono da soli l’aspetto lucido richiesto. Le concentrazioni di questi additivi possono arrivare anche a valori di qualche grammo (1-10 g/l) senza interferire sull’adesione e sulla corrente limite. Essi comunque tendono a  diminuire le tensioni interne del deposito e per i valori più alti dell’intervallo tendono a farle divenire di compressione. Questi composti tendono ad introdurre dello zolfo nel deposito.
I brillantanti della classe 2 sono utilizzati in combinazione con quelli della prima classe per produrre livellamento e brillantezza che aumenta con l’aumento dello spessore. Questi sono costituiti da composti organici insaturi. Hanno la caratteristica di introdurre carbonio nel deposito. Molti di questi brillantanti devono essere utilizzati assieme a quelli della prima classe perché se utilizzati da soli producono tensioni interne riducendo l’adesione al substrato. I principali brillantanti della seconda classe contengono il gruppo olefinico –C=C- come la cumarina o il gruppo acetilenico come il 2-butin-1-4-diolo.
La temperatura deve essere mantenuta sufficientemente elevata nell’intervallo definito. Questo permette di operare con una velocità di deposizione elevata. Infatti la velocità con cui il deposito si forma dipende dalla velocità con cui i portatori ionici utili (Ni2+) possono giungere sul catodo, velocità che è funzione della tensione applicata agli elettrodi. Se però la tensione applicata è troppo alta  per cui la scarica ionica  è elevata possono intervenire i due seguenti fenomeni:

• Gli atomi depositati sono tanti e non hanno il tempo per ricercare nella zona di deposito la condizione di minor energia per cui  vi sarà un impilamento di atomi disordinato con formazione di un deposito opaco.
• Se la velocità di diffusione di questi atomi metallici all’interfaccia è troppo    bassa, allora possono intervenire dei portatori indesiderati quali lo ione H+. Vi è quindi la possibilità di formazione di puntinature o di deposito di sali basici provocato dall’aumento del pH per la riduzione nello strato catodico della concentrazione di H+.

• Analisi chimica del bagno di nickelatura

REAGENTI:
1)Ammonio cloruro
2)Ammoniaca 1:1
3)Muresside - NaCl 1:100
4)EDTA 0,1 mol

 PROCEDURA:
Pipettare 10 cc di soluzione di nikelatura e portarla a 100 cc in un pallone tarato con acqua distillata.
Prelevare da questa nuova soluzione 10 cc e portarli in una beuta da 300 cc diluendo con  50 cc di acqua distillata.        
Aggiungere una spatolina di cloruro d’ammonio e 30 cc di ammoniaca 1:1 e una punta di spatola di muresside.            
Titolare quindi con EDTA 0,1 M fino a comparsa di una colorazione porpora della soluzione
Siano a i cc di EDTA utilizzati.

Calcolo : g/l di Ni = a x 5,87

              REAGENTI:         
1) Potassio cromato sol.10%
2) Argento nitrato sol. 0,1 N

PROCEDURA
Pipettare 10 cc di di soluzione di nickelatura in una beuta da 300 cc e diluire con 50 cc di acqua  distillata.
Aggiungere 3 cc di soluzione di potassio cromato al 10%
Titolare con argento nitrato 0,1 N fino a comparsa di una colorazione rosso bruno.

Siano b i cc di argento nitrato 0,1 N utilizzati

Calcolo: g/l di  Cl-   =  b x 0,354
g/l di NiCl2 = b x 1,17

REAGENTI:
1) Potassio cromato sol.10%
2) Argento nitrato sol. 0,1 N

PROCEDURA
Pipettare 10 cc di di soluzione di nikelatura in una beuta da 300 cc e diluire con 50 cc di acqua distillata.
Aggiungere 3 cc di soluzione di potassio cromato al 10%
Titolare con argento nitrato 0,1 N fino a comparsa di una colorazione rosso bruno.
Siano b i cc di argento nitrato 0,1 N utilizzati

Calcolo: g/l di  Cl-  = b x 0,354
g/l di NiCl2 =b x 1,17

REAGENTI:          
1) HCl  1:1
2)Gravetolo (Sciogliere 0,2 gr  di rosso metile in 50 cc di alcool  isopropilico,aggiungere 1,75 cc di acido solforico concentrato  e portare ad un litro con etilacetato. Filtrare la soluzione dopo 2 giorni)
3) Alcool etilico
4) NaOH  0,1 N

PROCEDURA
Pipettare 50 cc di soluzione di nikelatura in un imbuto separatore, aggiungere 2 cc di HCl 1:1, 10 cc di Gravetolo e 25 cc di alcool  etilico.
Agitare vigorosamente per 1 minuto. Permettere la separazione e drenare lo strato inferiore verde.
Trasferire la soluzione gialla in una beuta , aggiungere 25 cc di alcool etilico e titolare con NaOH 0,1 N da giallo a rosso.
Siano b i cc di NaOH 0,1 N utilizzati

Calcolo: g/l di  saccarina  = b x 1,4