Il principio dell’elettrodeposizione e la legge di Faraday

L’elettrodeposizione trasforma una corrente elettrica in un rivestimento metallico: gli ioni metallici disciolti nel bagno vengono ridotti e si depositano, atomo su atomo, sul pezzo collegato al catodo. La quantità di metallo che si deposita non è una stima empirica, ma una grandezza calcolabile con precisione attraverso la legge di Faraday. È questo legame esatto fra carica e massa che rende il processo controllabile e ripetibile.

Vediamo come funziona la cella di deposizione, che cosa dice la legge di Faraday, come si calcola lo spessore del deposito e perché l’efficienza di corrente non è mai del 100%.

Che cos’è l’elettrodeposizione

L’elettrodeposizione, o galvanostegia, consiste nel ricoprire la superficie di un oggetto con uno strato sottile di metallo facendolo agire da catodo in una cella elettrolitica. Il pezzo è immerso in una soluzione (il bagno) che contiene il metallo da depositare sotto forma di ioni; quando si fa passare corrente continua, gli ioni positivi migrano verso il catodo, vi acquistano elettroni e si riducono a metallo solido, formando il deposito. All’altro elettrodo, l’anodo, avviene l’ossidazione: spesso l’anodo è dello stesso metallo e si scioglie progressivamente, reintegrando gli ioni consumati nel bagno.

A differenza di una pila, che produce energia da una reazione spontanea, la cella di deposizione consuma energia per forzare una reazione non spontanea: è una cella elettrolitica. Una differenza pratica importante riguarda i poli. In una pila l’anodo è il polo negativo; in una cella elettrolitica, invece, è l’alimentatore esterno a imporre i segni, e il catodo (dove si deposita il metallo) è collegato al polo negativo del generatore.

La legge di Faraday

Il legame fra carica elettrica e massa depositata fu stabilito da Michael Faraday nel 1832. In sostanza: la massa di sostanza prodotta a un elettrodo è proporzionale alla quantità di elettricità che attraversa la cella, e dipende dal peso equivalente della sostanza. La quantità di elettricità si misura in coulomb; una mole di carica elettrica corrisponde a circa 96.485 coulomb, la costante di Faraday.

w = QF · Mn   (con Q = I · t)

Nella formula, w è la massa depositata in grammi, Q la carica passata (prodotto della corrente I per il tempo t), F la costante di Faraday, M la massa molare e n il numero di elettroni scambiati per ione. Il rapporto M/n è il peso equivalente: la massa di metallo associata a un faraday di carica. Per esempio, ridurre uno ione Al³⁺ a alluminio metallico richiede tre elettroni, quindi tre faraday di carica per ogni mole; uno ione monovalente come Ag⁺ ne richiede uno solo. È il motivo per cui, a parità di corrente e tempo, metalli con valenza diversa depositano masse diverse.

Calcolare lo spessore del deposito

Nella pratica industriale interessa lo spessore del rivestimento, non la massa. Una volta nota la massa depositata dalla legge di Faraday, lo spessore si ricava dividendo per la densità del metallo e per l’area rivestita. La corrente di solito si esprime come densità di corrente, cioè corrente per unità di superficie (A/dm² o A/cm²), perché è questa grandezza, non la corrente assoluta, a descrivere quanto è «spinta» la reazione su ogni centimetro quadrato del pezzo.

j = IA  (A/dm²)  ·  spessore ∝ j · tdensità

Ne deriva una regola operativa semplice: a parità di densità di corrente, lo spessore cresce linearmente con il tempo. Raddoppiare il tempo di deposizione raddoppia lo spessore; aumentare la densità di corrente aumenta la velocità di crescita, ma — come vedremo — solo entro limiti, oltre i quali compaiono difetti. La densità di corrente è quindi il parametro centrale da controllare.

L’efficienza di corrente

La legge di Faraday dà la massa teorica massima. Nella realtà, una parte della corrente non deposita metallo ma alimenta reazioni parassite, soprattutto lo sviluppo di idrogeno al catodo (riduzione dell’acqua). L’efficienza di corrente catodica è il rapporto fra metallo realmente depositato e quello previsto dalla legge di Faraday. Vale spesso fra l’80 e il 100% per molti bagni, ma può scendere drasticamente: nei bagni di cromo esavalente è notoriamente bassa, dell’ordine del 10-20%, e gran parte della corrente se ne va in idrogeno.

Anodo solubile e anodo inerte

Il tipo di anodo cambia il bilancio del bagno. Con un anodo solubile dello stesso metallo (per esempio nichel in un bagno di nichelatura), l’ossidazione anodica scioglie metallo e reintegra gli ioni che il catodo consuma: la concentrazione del bagno resta stabile e si dosa poco metallo dall’esterno. Con un anodo inerte (per esempio piombo o titanio platinato nella cromatura), l’anodo non si scioglie, l’ossidazione produce ossigeno e il metallo va aggiunto continuamente sotto forma di sali. La scelta dipende dal metallo e dalla chimica del bagno, ed è uno degli aspetti trattati nell’articolo dedicato alla composizione.

Perché conta nella pratica

Per chi gestisce una linea galvanica, saper applicare la legge di Faraday significa prevedere con esattezza tempi, consumi e spessori, e quindi rispettare le specifiche di un cliente senza procedere per tentativi. Capire la differenza fra massa teorica ed efficienza reale evita errori di dimensionamento; ragionare in densità di corrente, non in corrente assoluta, è la base per ottenere depositi uniformi. Sono competenze che distinguono un processo controllato da uno «a occhio», con effetti diretti su costi, qualità e conformità del prodotto rivestito.

Domande frequenti

Che cosa dice la legge di Faraday applicata alla galvanica?

Dice che la massa di metallo depositata a un elettrodo è proporzionale alla carica elettrica passata e al peso equivalente del metallo: w = (Q/F)·(M/n). Con la costante di Faraday pari a circa 96.485 C/mol, si può calcolare esattamente quanti grammi di metallo si depositano conoscendo corrente e tempo, e da lì ricavare lo spessore del rivestimento.

Come si calcola lo spessore di un deposito galvanico?

Si calcola prima la massa depositata con la legge di Faraday, poi la si divide per la densità del metallo e per l’area rivestita. Poiché si lavora a densità di corrente costante, lo spessore cresce in modo lineare con il tempo di deposizione: raddoppiando il tempo si raddoppia lo spessore, a parità di densità di corrente e di efficienza.

Che cos’è l’efficienza di corrente?

È il rapporto fra il metallo realmente depositato e quello previsto dalla legge di Faraday. È inferiore al 100% perché parte della corrente alimenta reazioni parassite, soprattutto lo sviluppo di idrogeno al catodo. Molti bagni lavorano fra l’80 e il 100%, ma alcuni, come quelli di cromo esavalente, hanno efficienze molto basse, dell’ordine del 10-20%.

Perché si usa la densità di corrente invece della corrente?

Perché è la corrente per unità di superficie (A/dm² o A/cm²) a descrivere quanto è spinta la reazione su ogni punto del pezzo, e quindi la velocità e la qualità del deposito. La stessa corrente assoluta su un pezzo grande o piccolo dà densità molto diverse, con risultati diversi: per questo le specifiche dei bagni indicano sempre intervalli di densità di corrente.

Qual è la differenza tra anodo solubile e anodo inerte?

Un anodo solubile è dello stesso metallo da depositare e si scioglie durante il processo, reintegrando gli ioni che il catodo consuma e mantenendo stabile il bagno. Un anodo inerte non si scioglie (produce ossigeno) e impone di aggiungere continuamente sali metallici per compensare il metallo depositato. La scelta dipende dal metallo e dalla chimica del bagno.