めっきは、物の表面に金属の膜を作る処理です。表面が銀色になっても、中身まで銀や同じ金属に変わったとは限りません。色を見るだけで物全体の成分を決めず、表面をおおう薄い部分と、その下の材料を分けて考えます。
電気めっきでは、金属の成分を含む液に電流を流し、品物の表面に金属を析出させます。電気は金属そのものに変わる材料ではありません。金属のもとになる成分が液などにあり、電気の働きを使って表面に金属の膜ができていきます。
乾電池と、電気を使う処理を混ぜない
電気めっきの基本的な説明では、品物を電源のマイナス側につなぎます。液中の金属イオンが電子を受け取り、金属として表面に現れます。「イオン」は水中の電気を帯びた粒子として捉え、ここでは詳しい式を暗記する必要はありません。
乾電池のように反応を利用して電気を取り出す場合と、外から電気を使って処理を進める場合は、エネルギーの向きが違います。どちらも液と金属が出てきますが、装置の目的まで同じとは限りません。
また、めっきには電気を外から流さない方法などもあります。この記事では電気めっきを題材にしますが、「めっき」と書かれた物すべてに、同じ作り方を当てはめないことです。液の種類や電極の組み合わせも多様なので、図は薬品を使う実験手順を示すものではありません。
重さが増えた分を調べる
めっき前後の重さを比べれば、表面に加わった金属の量を考えられます。ただし、その比較には条件があります。後で量るときに水滴が付いていれば、水の重さも増加分に入ります。洗浄で元の材料が減るなら、単純な差は付いた金属だけの重さではなくなります。
計算では「よく洗って乾燥した」「元の材料の減少はない」「ほかの付着物はない」といった条件を確認します。はかりの数値の引き算をする前に、何と何を比べているかを明らかにしておきましょう。
例題1：増えた金属は、全体の何％か
ある金属片は、めっき前に20.00g、処理して洗浄・乾燥した後に20.18gでした。元の金属片は減っておらず、増加はすべてめっき金属によるものとします。膜の重さと、めっき後の全体に対する膜の重さの割合を求めてください。
答え・解説：膜の重さは20.18−20.00＝0.18gです。全体に対する割合は0.18÷20.18×100で、約0.89％です。0.18÷20.00×100＝0.9％は、処理前の重さに対する増加率で、分母が異なります。
見た目が全面に変わっていても、全体の重さのうち膜が占める割合は小さい場合があります。表面積をおおうことと、中まで同じ材料になることを区別するための例です。この割合は仮の金属片の値で、製品一般の膜の割合ではありません。
例題2：同じ量を、広い面へ付ける
同じ金属の膜を均一に付ける模型を考えます。品物Aはめっきする面積が30cm²、品物Bは60cm²です。両方に付いた金属の重さが等しく、膜の密度も同じなら、Bの膜の厚さはAの何倍ですか。
答え・解説：1/2倍です。重さと密度が等しいので、膜の体積も等しくなります。膜の体積を「面積×厚さ」で考えると、面積が2倍のBでは厚さが半分になります。
同じ面積で金属の量を2倍にすれば、模型では厚さが2倍です。しかし、面積まで変わったら、量だけで厚さは比較できません。箱の底へ同じ量の水を入れ、底が広い箱では水深が浅くなる場面に置き換えると、式の意味を確かめやすくなります。
時間を延ばせば、何でも同じ割合で増えるか
一定の電流や条件のもとでは、流した電気量と析出する金属の量の関係を利用できます。ただし「時間が2倍」という記録だけでは不十分です。途中で電流が変わる場合や、別の反応にも電気が使われる場合を、単純な比例から外して考える必要があります。
例題の条件を実際の工場の全工程へ広げないことも大事です。均一な膜を作るには、表面の状態や液、電流の分布などを整える工夫があります。理科の計算では、まず比べる範囲を決め、その範囲の金属と重さを追っていきます。
合金との違いは硬貨の成分と重さの割合、外部の電気で変化を起こす例は水の電気分解へつながります。
もし処理後の品物に0.05gの水滴が残っていれば、はかりの増加0.18gのうち、膜に対応するのは0.13gになります。この場合に0.18gを膜の体積の計算へ使うと、厚さまで大きく見積もってしまいます。乾燥という前処理は、見た目をきれいにするだけでなく、引き算の中身をそろえる役割を持っています。