答　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　元の問題へ


問1の答

　　　CuSO4 + 2HCHO + 4NaOH → Cu + 2HCOONa + H2 + Na2SO4


●無電解めっきは酸化還元反応で行われる。

●上の無電解めっき液での酸化還元の主反応は,

　　　　　　　　　還元　：　Cu²⁺ + 2e^- → Cu (銅析出：薄膜)

　　　　　　　　　酸化 ：　2HCHO + 2H2O → 2HCOOH + H2 + 2H⁺ + 2e^- (水素発生)

よって, 使用する無電解めっき液の成分に注目して,

　　　　　　　　　　　　　　CuSO4 → Cu²⁺ + SO4^2-

　　　　　　　　　　　　　　Cu²⁺ + 2e^- → Cu

　　　　　　　　　　　　　　2HCHO + 2H2O → 2HCOOH + H2 + 2H⁺ + 2e^-

　　　　　　　　　　　　　　2HCOOH + 2NaOH → 2HCOONa + 2H2O

　　　　　　　　　　　　　　2H⁺ + 2NaOH → 2Na⁺ + 2H2O

　　　　　　　　　　　　　　2Na⁺ + SO4^2- → Na2SO4

●上の各反応を 1つの式にまとめると,　

　　　　　　　　　CuSO4 + 2HCHO + 4NaOH → Cu + 2HCOONa + H2 + Na2SO4


問2の答　　　　　Cu²⁺を還元する。


●無電解めっきは, 次のように, 酸化還元反応で行われる。

　　　　　　　　　還元　：　Cu²⁺ + 2e^- → Cu (銅析出：薄膜)

　　　　　　　　　酸化 ：　2HCHO + 2H2O → 2HCOOH + H2 + 2H⁺ + 2e^- (水素発生)

　上の反応の二番目の式から, ホルムアルデヒド HCHOは, アルデヒド基 -CHO の存在で, 電子を生じ, 相手の銅イオンにその電子を与え, いわゆる, 銅イオンを還元して銅を析出する。
　アルデヒド自身は酸化されてギ酸になる。すなわち, ホルムアルデヒド HCHOは還元剤として作用している。


問3の答

　　弱酸の塩でめっき液のpH値を一定にするための緩衝剤として作用する。


●炭酸ナトリウム Na2CO3 は次のように電離する。

　　　　　　　　　　　　　　Na2CO3 → 2Na⁺ + CO3^2-

　一方, めっき液の反応過程で, めっき液の成分のひとつ, 水酸化ナトリウム NaOH が, ホルムアルデヒド HCHO の酸化で生じるギ酸と中和反応するために, めっき液のpH値が変化する。
　しかし, めっき液中に炭酸イオン CO3^2- が存在すると, 次のように加水分解の平衡状態が生じる。

　　　　　　　　　　　　　　H2O + CO3^2- ⇄ HCO3^- + OH^-

　上の平衡状態の結果として, 水酸化ナトリウム NaOH がホルムアルデヒド HCHO の酸化で生じるギ酸と中和反応して水酸化物イオン OH^- が消費されても, 直ちに補給され, pH値はほとんど変化しない。

●銅の無電解めっき液の成分の１つの酒石酸ナトリウムカリウム(ロシェル塩) KNaC4H4O6は, 炭酸ナトリウム Na2CO3 の作用と同じように, めっき液のpH変化を抑える作用もあるが, その他に, 生成される銅薄膜の物理的・化学的性質をよくする作用がある。


問4の答

　　2CuSO4 + HCHO + 5NaOH + → Cu2O + HCOONa + 2Na2SO4 + 3H2O


　問1の解答で, Cu²⁺ + 2e^- → Cu に代わって副反応 2Cu²⁺ + 2e^- + H2O → Cu2O + 2H⁺ が生じると, 反応のプロセスは次のようになる(この反応では気体が発生しない)。

　　　　　　　　　　　　　　2CuSO4 → 2Cu²⁺ + 2SO4^2-

　　　　　　　　　　　　　　2Cu²⁺ + 2e^- + H2O → Cu2O + 2H⁺

　　　　　　　　　　　　　　HCHO + H2O → HCOOH + 2H⁺ + 2e^-

　　　　　　　　　　　　　　HCOOH + NaOH → HCOONa + H2O

　　　　　　　　　　　　　　4H⁺ + 4NaOH → 4Na⁺ + 4H2O

　　　　　　　　　　　　　　4Na⁺ + 2SO4^2- → 2Na2SO4

　１つの式にまとめると,

　　　　　　　2CuSO4 + HCHO + 5NaOH + → Cu2O + HCOONa + 2Na2SO4 + 3H2O


問5の答　　　　　　1.0×10^-2 [mm]　


(I)まず, 一辺が 10 [cm] のプラスチック立方体の上下面にめっきする。

●厚さ d [cm] の銅の薄膜を付着すると, その体積 V1は,

　V1 = (10²×d)×2 = 200d [cm³]

●銅の面心立方格子の体積 v [cm³] は,

　v = (0.36×10^-7)³ = 0.046656×10^-21 = 4.6656×10^-23 [cm³]

　この面心立方格子の単位格子中の銅原子数は, 図1より,

(1/8)×8 + (1/2)×6 = 4個

●体積 V1 中の銅原子数 n1 は,

　n1 = 4×V1/v = 4×(200d)/(4.6656×10^-23) = (800d/4.6656)×10²³ 個

●銅の1mol (銅原子数：6.0××10²³ 個) の質量 [g] の数値は原子量 63.5 に等しいから, 体積 V1 中の銅原子数 n1 の質量 m1 [g] は,

　m1 = 63.5×{(800d/4.6656)×10²³}/(6.0××10²³) ≒ 1815d [g]

(II)次に, 2つの左右側面にめっきする。

●上下の辺が10 [cm], 前後の辺が (10 + 2d) [cm] の2つの左右側面に厚さ d [cm] の銅の薄膜を付着すると, その体積 V2は,

　V2 = {10(10 + 2d)d}×2 = 20(10 + 2d)d = 40(5 + d)d [cm³]

●体積 V2 中の銅原子数 n2 は,

　n2 = 4×V2/v = 160(5 + d)d/(4.6656×10^-23) = 34.2936(5 + d)d×10²³ 個

●体積 V2 中の銅原子数 n2 の質量 m2 [g] は,

　m2 = 63.5×{34.2936(5 + d)d×10²³}/(6.0××10²³) = 362.94(5 + d)d [g]


(III)最後に, 2つの前後側面にめっきする。

●1辺が (10 + 2d) [cm] の2つの前後側面に厚さ d [cm] の銅の薄膜を付着すると, その体積 V3は,

　V3 = (10 + 2d)²d×2 = 8(5 + d)²d [cm³]

●体積 V3 中の銅原子数 n3 は,

　n3 = 4×V3/v = 4×8(5 + d)²d/(4.6656×10^-23) = 6.859(5 + d)²d×10²³ 個

●体積 V3 中の銅原子数 n3 の質量 m3 [g] は,

　m3 = 63.5×{6.859(5 + d)²d×10²³}/(6.0××10²³) ≒72.59(5 + d)²d [g]


　よって, (I), (II), (III) から, d は非常に小さいとすると, 次式が成立する。

　m1 + m2 + m3 = 1815d + 362.94(5 + d)d + 72.59(5 + d)²d

　 ≒ d(1815 + 1815+ 1815) = 5.5

　よって,

　　　　　　　　　d = 0.0010 [cm] = 0.010 [mm] = 1.0×10^-2 [mm]