화학야금 실험 2018학년도 1학기 pH 측정 및 Cu 도금 Lab#3

실험 목표 및 내용 2 • 실험 목표: 수용액상의 수소이온의 이온상태를 pH meter를 통해 측정하고, 구리이온을 전기화학적 환원반응을 통해 금속상태로 변화시키는 방법을 이해함 • 실험 내용 pH 측정 및 도금의 이해: 수용액 속의 수소이온 및 도금이론 장비소개 후 Test: 산염기에서의 pH 측정 및 Cu 전기도금 pH 측정결과 비교 및 도금박막 평가 논의: pH 측정결과를 비교하고, 제작된 Cu 도금막 두께측정 및 전류효율 계산 2

실험실 안전 실험실 안전 ① 화학약품 사용전 MSDS(Material Safety Data Sheet)를 찾아 약품의 유독성을 파악할 것. ② 사용 할 약품의 위험성을 잘 모를 경우 반드시 후드에서 사용 ③ 폐액을 버릴 경우 산성과 알카리는 반드시 분리해서 수거 - 산과 알카리는 반응을 잘하여 혼합 시 급격한 반응을 일으킬 수 있음. - 폐기물 처리 업체에서도 산과 알카리를 분리해서 수거해 감. ④ 고체 약품 폐기시에도 폐기물 업체에 반드시 의뢰(환경오염) - 약품의 종류를 모를 경우 폐기하기가 곤란할 경우가 있으므로 라벨이 벗겨지지 않도록 유의. ⑤ 황산과 물을 섞을 땐 항상 물에 황산을 서서히 넣을 것(발열 반응) ⑥ 화학약품 취급 시: 실험복, 보호안경, 보호장갑 반드시 착용/발이 노출되는 신발 금지. 3

MSDS(Material Safety Data Sheet) 실험실 안전 4

약품의 위험도 실험실 안전 MSDS 외에도 약품에 대한 위험 정보를 찾아 약품에 노출되지 않도록 유의 5

농 도(concentration) 농 도 용액=용질+용매 염산: 1M= 1N. 황산: 1M= 2N. 6 농 도 몰 농도(Molarity): ex 1.2 M 혹은 1.2 mol/L - 용액 1 L에 녹아 있는 용질의 몰 수 (2몰 녹아 있으면, 2몰 농도) . - 1몰 용액 만드는 법: 예) NaOH 40 g을 메스플라스크에 넣고 물을 넣어 1 L 만듦 (1979년 이후 국제적으로도 ‘L’의 사용) 2. 노르말 농도(Normality) : N, 산과 알칼리 적정시 필요. - 노르말농도 = 용액 1 L에 녹아 있는 용질의 당량 수(1 당량 녹아 있으면, 1 노르말 농도(1N)) - 산의 당량 (equivalent) = 분자량/H+수, 염기의 당량 = 분자량/OH-수 - H2SO4 1g 당량 = 98/2 = 49 g, Ca(OH)2 1g 당량 = 74/2 = 37 g, 1M의 NaOH를 적정하기 위해 필요한 산의 양 : 염산은 1M 필요 , 그러나 황산으로 적정시 0.5 M 필요 3. PPM(Parts per Million) & PPB(Parts per Billion) - PPM(1mg이 용액 1,000,000 mg (즉 1 kg)중에 들어있는 농도): 고체 및 액체에서 PPM = mg/L(or Kg). 예: Fe의 농도가 1 ppm=물 1 L에 Fe가 1 mg 녹아 있음. - PPB(1mg이 용액 1,000,000,000 mg (즉 1000 kg)중에 들어있는 농도): 고체 및 액체에서 PPB = 10-3 mg/L(or Kg. . 예: Fe 속에 탄소가 100 ppb 함유되어 있음 = Fe 1 Kg에 탄소가 0.1mg 함유되어 있음. 용액=용질+용매 염산: 1M= 1N. 황산: 1M= 2N.     6

수소이온 농도지수(pH) pH 측정 • pH= -log[H+] → [H+]=H+이온의 몰 농도, 용액에서 [H+]↑→ pH↓ • 용액 속에서 [H+]의 농도가 0.01M → pH ? • pH vs. [H+]농도 • pH = -log[H+] Ex) pH = -log[0.01] = -log 10-2 = 2 pH 1 2 3 [H+] 0.1 0.01 0.001 11

산-알카리 pH 측정 pH 측정 12 ■ 산성 pH 측정 ① 조별로 0.1, 0.01, 0.001M HCl 용액을 만듦. ② pH meter 보정 후 각 용액의 pH값 측정(pH meter 보정 방법은 뒷장 참조) ■ 알카리 pH 측정 ① 조 별로 0.1,0.01,0.001M NaOH 용액을 만듦. ② pH meter 보정 후 각 용액의 pH값 측정 ■ 질문 및 결과 정리 ① 용액 만드는 방법 서술 ② pH 보정 방법 요약 ③ pH meter를 보관하는 용액은 무엇이며, 사용 이유 설명 ④ 결과 정리 & 측정 pH가 나오는 이유 설명 ⑤ NaOH = 0.1 M의 경우 이론 pH를 계산하는 식은? {[H+][0H-]= 10-14} 농도 0.1 0.01 0.001 측정 pH 12

pH 보정 방법 pH 측정 EUTECH INSTRUMENTS – 모델명 “CYBERSCAN pH1500" 을 기술함. A. STD 버튼을 눌러 사용하고자 하는 Buffer Solution 그룹을 지정해준다. (준비된 Buffer Solution 은 pH 4, 7, 10 그룹이다.) B. 먼저 산성(pH 4) 에서 보정 1단계를 시작한다. pH meter를 증류수로 세척 후 pH4 용액에 담그고 가볍게 교반시킨다. (※주의 : pH meter 의 끝 부분이 파손되지 않게 플라스틱 덮게를 사용하고 교반시 가볍게 흔들어 주고 바닥에 놓음) C. pH meter 에서 측정되는 pH 값은 정확한 값(pH4)이 나오지 않을 것이다. 측정값이 안정되면 화면에 “STABLE” 신호가 들어오면 “ENTER” 버튼을 눌러준다. 지금까지 과정을 통해 산성에서의 pH는 보정된 것이다. D. pH meter 를 증류수로 세척 후 pH 7, pH 10 버퍼 용액에서도 위와 동일하게 보정을 진행한다. 즉 3단계 보정을 진행한다. E. pH 4, 7, 10에서의 보정을 모두 끝내고 “STD” 버튼을 눌러 보정을 종료하고 “Standby” 버튼을 이용해 기기의 모드를 “Standardize” 에서 “Measure” 로 바꾼후에 시험하고자 하는 용액의 pH 측정을 진행한다. Note: pH meter 전극의 끝 부분은 유리로 되어있으며 파손의 위험이 높음 → 사용시에는 플라스틱 보호 덮개를 부착한 상태로 사용하고 세척할 때에는 덮개 분리후 증류수로 세척. 13

화학야금 실험 Cu 전기도금

도금 동안 일어나는 반응은? ■ Anode(양극, 산화) Ag → Ag+ + e ■ Cathode(음극, 환원) Ag+ + e = Ag(도금) → Ag+ 이온은 (1) 도금 용액 또는 (2) 양극에서 녹아난 Ag이온으로부터 공급 Q: 양극에 Ag판을 사용하는 이유는? 3

Why Anodic & Cathodic Reaction? → Ag+ → Ag - + ⊙ 양극(Cu) : 전자 부족 → 표면에 순간적으로 양이온 상태 (물에 녹음) 산화반응 : Ag → Ag+(aq) + e ⊙ 음극(Cu) : 과잉전자 → 과잉전자를 소모하기 위해 (수용액상 이온에 전자가 공급됨) 환원반응 : Ag+(aq) + e → Ag (도금) 양극 음극 Cathode ■ 양극(Ag)에서 녹는 Ag 양 또는 음극(Cu)에서 생성되는 Ag양은? → Faraday 법칙에 의해 계산 가능 4

전자수와 도금량 관계 1 mol 전자 당 I 1 mol 전자가 흐르면 (96,500C), e • Ag는 1몰 생성 6 2Cl- → Cl2(g) + 2e- 2 Cl2(양극) 2H2O(l) → O2(g)+4H+(aq)+4e 4 o2(양극) I e 1 mol 전자가 흐르면 (96,500C), • Ag는 1몰 생성 • Cu는 ½몰 생성 • Au는 1/3몰 생성 Ag+ 6

Cu 전기도금 - + e 7 • Cathode(음극) –Cu 판 Cu2+ + 2e → Cu • Anode(양극) –함인동 판(PHOSPHORIZED COPPER ANODE:0.02-0.06%) Cu → Cu2+ + 2e • Power supply (DC전원 공급) • Unit (온도, bubbling 조절) • 반응조(500cc) • Copper source[Copper sulfate(CuSO4• 5H2O)] e 7

실험 방법 준비물 2. 시편 전처리 8 ① 전처리 용액을 사용하여 Cu 전처리(전처리 조건은 수업시간에 논의) (1) 음극: copper 판 (2) 양극: 함인동 (3) Unit (온도, bubbling조절) (4) 반응조( 500 cc용) (5) Copper sulfate(CuSO4• 5H2O), sulfuric acid(H2SO4), hydrochloric acid(HCl) (6) Stop watch (7) Micro-Pippet (8) 전처리 용액 (9) Tape, 온도계, 3L 용기 2개/조(용액 제조/용액 폐기) 2. 시편 전처리 ① 전처리 용액을 사용하여 Cu 전처리(전처리 조건은 수업시간에 논의) ② 도금되는 면만 남기고 Taping(뒷면은 전체를 Taping) ③ Taping 후 시편의 무게 측정/도금후 시편의 무게를 측정(전류효율 계산) 8

실험 방법 3. 용액 조성 성 분 및 조건 표 준 액 비 고 1. CuSO4•5H2O(g/L) - Copper Sulfate 200-250 gram/L 표준 240 g/L 2. H2SO4(g/L) -Sulfuric Acid 45-90 gram/L 표준 50 g/L 3. Current Density(A/ft2) 20-50(normally) 100-200(agitated) 표준 100 4. Temperature(℃) 30-50 ℃ 표준 30 ℃ 5. Chloride, mg/L(ppm) 20-120 8

실험 조건 10 • S : 표준 조건과 동일. • R.T : 상온을 말하며, 실험 전 반드시 용액의 온도를 측정 할 것. No 효 과 CuSO4•5H2O(g/L) H2SO4(g/L) C.D(A/ft2) Temp.(℃) Chloride(ppm) Bubbling 1 표준 조건 240 50 100 30 Yes 2 전류밀도 효과 S 200 3 Chloride 효과 4 온도 효과 40 5 Bubbling 효과 • S : 표준 조건과 동일. • R.T : 상온을 말하며, 실험 전 반드시 용액의 온도를 측정 할 것. • 전류밀도 효과(실험 1, 2 비교), Chloride 효과(실험 1, 3 비교), 온도 효과(실험 1, 4비교), bubbling 효과(실험 1, 5 비교) • 실험 전/후 반드시 무게를 측정할 것- 효율 계산에 사용 • 도금 시간= 10 분 Q1: Chloride 100 ppm을 첨가하는 방법 Q2: 전류밀도를 현재 실험하는 시편에 대해 적용하는 방법 10

용액 합성 방법/ 실험 진행 순서 No 효 과 CuSO4•5H2O(g/L) H2SO4(g/L) C.D(A/ft2) Temp.(℃) Chloride(ppm) Bubbling 1 표준 조건 240 50 100 30 Yes 2 전류밀도 효과 S 200 3 Chloride 효과 4 온도 효과 40 5 Bubbling 효과 실험 3의 조건으로 도금용액 0.5L를 만듦(No Chloride Addition) – 조교가 직접 제작 5 가지 실험의 진행은 먼저 실험#3  #1  #2  #5  #4 의 순으로 진행함 11

결과 분석 12 효율 계산: 5가지 실험 조건에 대한 효율계산. 또한 예상되는 도금 두께 계산 Cu 도금 층의 형성 확인: XRD 분석/실험후 각 팀은 조교가 선별된 표준 sample(실험#1)에 대해 XRD 분석(표준시편만 분석)  분석결과를 받아 Cu가 형성되었음을 확인할 것. 표면층의 형상 변화 관찰: 5가지 실험조건에 대하여 표면형상이 어떻게 변하는지를 확인: 조교가 대표 sample을 팀별로 data를 전달 — 형상 변화에 대한 이유 설명 실험 변수에 따라 일어나는 형상 변화, 효율 등 결과에 대해서 그 이유에 대한 논의를 보고서에서 할 필요가 있음.(보고서의 결과 및 논의) 12

보고서 작성 방법-1 13 보고서는 ‘서론/실험방법/결과 및 논의/결론/참고문헌’으로 구성됨. 서론에서는 (1) 전기도금이 사용되는 분야, (2) 전기도금의 원리 — 본 실험의 anode와 cathode에서 일어나는 반응설명을 포함시킴, (3) 실제 전기도금 공정에서 이루어지는 프로세스 및 각 프로세스의 역할, (4) 실험의 목적이 반드시 포함되어야 함. 실험 방법에서는 (1) 시편 전처리 방법 (2) 도금용액 합성 방법 (3) 도금조건 (4) 도금층 분석방법 (5) 사용된 약품 등이 반드시 포함되어야 함. 결과 및 논의에서는 (1) 도금 층의 실제 효율을 계산하는 여러 가지 방법 조사 (2) 이론 효율 계산/실제 효율 계산/이론 도금층 두께/ 무게측정 방법에 의한 실제 도금층 두께 계산 (3) XRD 분석 결과가 논의되어야 함. 또한 (4) 전류밀도 효과 (5) Chloride 효과 (6) 온도 효과 (7) bubbling 효과를 표면형상의 광학현미경 사진 등을 이용해서 비교하고, 형상변화가 관찰되면 그에 대한 적절한 설명 및 이를 위한 참고 문헌이 인용되어야 함. 결론에서는 전류밀도 효과, Chloride 첨가 효과, 온도 효과, bubbling 효과에 대한 주요한 결과가 간략하게 요약되어야 함. 참고 문헌에서는 보고서 작성에 인용된 참고 문헌이 인용되어야 함.(참고인용 방법은 “대한 금속재료학회지 인용 방법”을 따를 것. 뒷장 참조) 보고서 제출일은 2,3분반은 5월 18일(금), 1분반 5/23(수)까지 이며, 이후에 제출된 보고서는 받지 않음. 보고서는 개인별로 제출할 것. 13