Elektrolytisch verzilverenGeschiedenis en melktand

Stanley Pranoto

Profielwerkstuk scheikunde6 VWO Natuur & Techniek

Montessori Lyceum Herman Jordan

Montessori LyceumHerman Jordan

Jordanlaan 3

3706 TE Zeist

telefoon: 030 695 47 08

fax: 030 695 50 46

e-mail: info@hermanjordan.nl

Dit werkstuk had niet gemaakt kunnen worden zonder de belangeloze medewerking van

Ton van de Ven

&

mevrouw L. Gadellaa,tandarts in Zeist-West.

InhoudInleiding • 1De tanden • 2De experimenten op school • 4Conclusies • 6Een uitstapje naar de praktijk • 8De eerste verzilveraars? • 9De Bagdad-batterij • 11Slot • 13Literatuur • 13

I n l e i d i n g

Al vele jaren ben ik geïntrigeerd door elektrische verschijnse-len in de scheikunde en de oudste geschiedenis daarvan. Indit profielwerkstuk komt dit tot uiting in een tweetal histori-sche uitwijdingen over Mesopotamië en Peru. Voor het schei-kundig onderzoek heb ik me de vraag gesteld of het mogelijkzou zijn op school een verzilverde melktand te maken. Vooreen tand is gekozen vanwege mijn interesse voor tandheel-kunde.

Verzilveren kan door elektrolyse. Zilverionen uit een oplos-sing worden daarbij op een negatief geladen metaal afgezetals zilver. Daarom is er van de melktand een metalen modelgemaakt. Het oppervlak van dat metaal werd vóór de elektro-lyse op verschillende manieren behandeld om de hechtingvan zilver zo groot mogelijk te maken. De zilverionen in hetelektrolyt werden gecomplexeerd met jodium. Maar de kwali-teit van de hechting werd niet toereikend. De hechtingslaagwas grof, korrelig, handvast maar niet schuurvast. Ik ben danook naar een professioneel galvaniseerbedrijf geweest waardaadwerkelijk, maar ook met de nodige moeite, een echte zil-verlaag op een tand is aangebracht.

1

De tanden

Om tanden te kunnen verzilveren hebben we uiteraard echtetanden nodig. Die had ik nog van vroeger. Om mooie model-len van die tanden te kunnen gieten in metaal hebben we eenmooie gietvorm nodig.

De gietvorm moet niet te duur zijn, de oorspronkelijke tandniet beschadigen, bestand zijn tegen hoge temperaturen enmeerdere keren te gebruiken zijn zodat we een aantal model-len kunnen maken. Om dit te realiseren ben ik naar een tan-darts gegaan voor advies en met de stiekeme hoop een giet-vorm te kunnen regelen. Tandarts M. Gadellaa uit Zeist bleekmij graag te willen helpen en we hebben een viertal vuurvas-te mallen gemaakt van verstandkiezen.

Als gietsel wilde ik in eerste instantie lood nemen omdat heteen relatief laag smeltpunt heeft. Dit werkte echter niet. Hetsmolt niet boven de gasbrander, noch op een lepeltje, noch opeen porseleinen schaaltje. Een materiaal dat wel gemakkelijksmelt is soldeertin, een legering van en lood en zink. Hetsmelten gebeurde op een lepeltje boven een gasbrander. Ver-volgens werd het gesmolten soldeertin vanuit het lepeltje inde gietvorm gegoten. Na het open knippen van de eerste giet-vorm was de eerste tand gerealiseerd. Een enkele is misluktvanwege lekkage in de gietvorm maar het resultaat waren viergegoten tanden.

Het verzilveren is in principe heel simpel. Het draait allemaalom de halfreactie

Ag+ (aq) + e– → Ag (s)

Bij elektrolytisch verzilveren wordt er een spanning gezet opeen zilvernitraat oplossing. Onder invloed daarvan verpaatsende positieve zilverionen zich naar de negatieve elektrode.Daarop zal volgens bovendestaande reactie zilver neerslaan.Omdat de zilverconcentratie constant moet blijven moet depositieve elektrode bij voorkeur van zilver zijn. Daar zal dan

2

het omgekeerde gebeuren van bovenstaand proces:

Ag (s) → Ag+ (aq) + e–

Uit de mij beschikbare literatuur bleek dat het aantal zilverio-nen dat in een bepaalde tijd wordt getransporteerd niet tehoog moet zijn. Een concentratie van een 0,5 molair is vol-doende. Verder moet de afstand tussen anode en kathode con-stant gehouden worden om het aantal variabelen te beperken.

Om de zilver beter te laten hechten bleek het mogelijk te zijnom met een complex van zilver- en iodide-ionen te werken:

Ag+ (aq) + I– (aq) → AgI (s)AgI (s) + I– (aq) → AgI2

– (aq)

Hierbij moet rekening worden gehouden met het feit dat ernu aan de anode jodium kan ontstaan door de oxidatie vanjodide-ionen. Het jodium kan aan de kathode jodide wordenen daar zorgen voor de neerslag van het gele zilverjodide. Omdeze verkleuring tegen te gaan moet er een halfdoorlaatbarescheiding tussen de anode en de kathode komen.

Een commercieel meer gangbaar complex is dat van zilver-met cyanide-ionen. Hierbij wordt gebruik gemaakt van hetion Ag(CN)2

– om een hoge kwaliteit van aangehecht zilver tekunnen bewerkstelligen. Deze complexvorming was echteruitgesloten vanwege de kans op het ontstaan van de verbin-ding HCN, ook wel bekend als blauwzuur. Deze stof ontstaatwanneer een cyanide-verbinding in aanraking komt met eenzuur. HCN is zeer giftig vanwege de bindingsmogelijkheid,via de longen, met het hemoglobine in ons bloed. Hemoglo-bine bindt normaliter zuurstof in de longen en zorgt voor hetzuurstoftransport door ons hele lichaam. Cyanide bindt ookmet hemoglobine en neemt de plaats van de zuurstof in om-dat deze binding zo’n 700 maal zo sterk is als de binding metzuurstof. Op deze manier kan het bloed geen zuurstof meervervoeren en is een blootgestelde aan blauwzuur afhankelijkvan de dosis binnen enkele seconden bewusteloos en treedtbinnen enkele minuten de dood in.

3

De experimenten op school

Amperage is een eenheid voor de elektrische stroom in eenstroomkring. De elektrische stroom is een maat voor de hoe-veelheid lading die per seconde door een elektrische geleidergaat. Een andere eenheid voor Ampère is het aantal Coulombper seconde. Coulomb is een afgesproken ladingeenheidwaarin de lading van een elektron bekend is. Eén Ampère ishet transport één Coulomb per seconde. Door de stroom-sterkte in een elektrolyse te meten kun je berekenen hoeveelzilver er na verloop van tijd is neergeslagen.

Voor de omzetting van één zilverion in een zilveratoom is éénelektron nodig. Één elektron heeft een lading van 1,6021765 •10–19 Coulomb. Voor de omzetting van één mol zilverionen inéén mol zilver is één mol elektronen nodig, ofwel 6,02214 •1023 * 1,6021765 • 10–19 = 9,64853 • 104 Coulomb. Deze fun-damentele constante is naar de fysicus Michael Faraday (1791-1867) vernoemd, een Engelse boekbinder die gegrepen raak-te door het verschijnsel elektriciteit, toen een hot item.

Stel nu dat we tien minuten lang verzilveren bij een stroom-sterkte van vijf Ampère, dan is er 600 seconden lang 5 Cou-lomb per seconde, dus in totaal 5 * 600 Coulomb, verplaatst.Een zilverion heeft een lading van 1,6021765 • 10–19 Coulomb,dus zijn er 5 * 600 / 1,6021765 • 10–19 zilverionen neergesla-gen als zilveratomen, ofwel 5 * 600 / (1,6021765 • 10–19 *6,02214 • 1023) mol zilver. De algemene formule die voor dezeberekening wordt gehanteerd, is:

M = I * t / (n * F)

met

M voor hoeveelheid neergeslagen metaal ionen in mol I voor de stroomsterkte in Ampèret voor de tijd in seconden n voor de lading van het metaalionF voor de constante van Faraday

4

Alle experimenten deden we met een concentratie zilverio-nen, uit AgNO3, van 0,5 mol per liter bij een spanning van 3Volt. Als anode, de positieve elektrode, gebruikten we zilver-draad dat we van Erik Dijk hadden gekregen. Om de stroom-sterkte te kunnen regelen gebruikten we een schuifweerstandvan 10.000 Ohm.

Het AgI2–-complex maakten we door aan de zilvernitraat-op-

lossing een verzadigde KI-oplossing toe te voegen. Je ziet daneerst een neerslag van zilverjodide ontstaan. Maar dat ver-dwijnt weer als er een overmaat jodide-ionen ontstaat. Je hebtdan een oplossing van het AgI2

–-complex die natuurlijk ietsminder geconcentreerd is dan 0,5 M. Bij het werken met ditcomplex werd de anode omringd met een stukje dialyseslangom te voorkomen dat daar gevormd jodium de kathode, denegatieve elektrode, zou kunnen bereiken.

Voor het ontvetten van de kathode gebruikten we hexaan.

Voor het mechanisch verwijderen van oxides op het oppervlakvan de kathode gebruikten we schuurpapier en/of een mesje.Voor het chemisch verwijderen van oxides gebruikten we een10 % salpeterzuur oplossing, ofwel 1,6 mol per liter.

In een enkel geval hebben we de kathode eerst elektrolytischverkoperd in een o,5 M CuSO4-oplossing met een koperenanode bij een spanning van 3 Volt en een stroomsterkte van 5-10 milli-Ampère gedurende ongeveer 5 minuten.

De resultaten zijn hieronder in tabel weergegeven.

5

experimentnummer

voorbehandelingkathode

vorm zilver

molariteit mol L–1

spanningV

stroomsterkteA

tijd minuten

resulaatkathode

1 – Ag+ 0,5 3 5 glinsterend neerslagmogelijk zilver

2 – AgI2– <0,5 3 150 zilverlaagniet schuurvast

3 schurensnijden

AgI2– <0,5 3 60 zilverlaagniet schuurvast

4 ontvettenoxides verwijderenverkoperen

AgI2– <0,5 3 1-2 150 zilverlaagniet schuurvast

opstelling

zilverlaag

Conclusies

Het is gelukt om wit zilver te laten hechten op het soldeer-tin. We haalden iedere keer zo ongeveer al het zilver uit deoplossing. Nemen we bijvoorbeeld proef vier, dan is de hoe-veelheid zilver die volgens de eerder genoemde formuleneergeslagen zou moeten zijn, zo’n 1,5 * 60 * 150 / 9,64853• 104 mol zilver, ofwel zo’n 15 gram terwijl er maar een tien-de van die hoeveelheid in de oplossing zat.

De kwaliteit van de hechting was echter niet toereikend. Dezilverlaag is grof, korrelig en handvast, maar niet schuur-vast.

De methode met een grove voorbehandeling door middel vanhet ‘wegsnijden’ van het oppervlak geeft het beste resultaatqua hoeveelheid aangehecht zilver als wel de krasvastheid vande laag.

De zilvercompexvorming met jodide-ionen leek van cruciaalbelang in de experimenten maar dat was het voor het verzil-veringsproces waarschijnlijk niet. Ook in het experiment meteen eenvoudige zilvernitraat-oplossing hebben we waar-schijnlijk een laag zilver op het soldeertin gekregen.

Jammer genoeg droeg de voorverkoperingsbehandeling nietbij aan een beter resultaat hoewel dat wel de verwachting was.De keuze van het te verzilveren materiaal is achteraf vrij on-gelukkig gebleken.

Helaas restte mij geen tijd meer om nog verdere experimen-ten te doen om een hechte, glanzende zilverlaag te bewerk-stelligen.

Verzilvering is een proces dat zeer nauw luistert waarbij veelvariabelen zijn die het resultaat beïnvloeden. Dat bleek weltoen ik uiteindelijk contact opnam met Ton van de Ven, pro-fessioneel ‘plater’ van metalen. Niet alleen vertelde hij mij datsoldeertin één van de slechtste metalen was die we hadden

6

kunnen kiezen omdat de metalen in de legering zo onedelzijn, ook bleek pas bij een bezoek aan zijn bedrijf wat we welhadden moeten doen. Als dat had gekund. Want, zoals ge-zegd, dat was uitgesloten vanwege het gebruik van cyaniden.

7

resultaat op school

Uitstapje naar de praktijk

In Schijndel, bij Eindhoven, staat het bedrijf Plating Service.Ik mocht daar een kijkje komen nemen hoe het in de praktijkin zijn werk ging. Na een rondleiding in het bedrijf kreeg ikhet verzilveringproces te zien.

Het soldeertinnen model van mijn tandje onderging het vol-gende proces:• Allereerst werd het metaal gepolijst op messing borstels.

Dit om het metaal schoon te maken.• Het tandje werd vervolgens kathodisch ontvet in een op-

lossing waarin o.a. natronloog zat. Kathodische ontvettingberust op het ontstaan van waterstofgas aan de kathode.De belletjes blazen het vuil van het oppervlak. Met stroomontvetten is effectiever dan enkel een dip in bijvoorbeeldeen ontvettingsoplossing.

• Hierop volgde de cyanidedip. Het model werd gedompeldin een waterige oplossing met cyanide-ionen erin om hetmetaal met cyanide in aanraking te brengen zonder dathet wordt aangetast.

• Vervolgens werd het metaal voorverzilverd. Het voorver-zilveringsbad zorgt voor een hechtingslaag waardoor ergeen zo geheten ‘dompelzilver’ ontstaat. Dit zou een slech-te hechting veroorzaken. De tand gaat onder stroom in hetbad met veel cyanide en weinig zilver. Dit ‘zilverstrikebad’zorgt voor een dunne laag zilver waarop de definitieve laaggoed zal hechten.

• Tenslotte onderging het model een zilverbad. Hierin zito.a ca. 100 g/L zilverzout. In dit bad wordt de uiteindelij-ke zilverlaag gevormd. Naarmate er meer stroom wordtdoorgeleid en de verblijftijd langer is, verkrijgt men eendikkere zilverlaag.

Na elk bad werd het model afgespoeld alvorens het metaal eenvolgend proces onderging. Tezamen met het glansmiddel inhet zilverbad zorgde dit proces voor een mooie zilveren laagop het metaal. In totaal duurde het nog geen vijf minuten.

Vakmanschap is meesterschap! Bedankt Plating Service!

8

dompelzilver

professioneel resultaat

De eerste verzilveraars?Traditie en innovatie in de kunst van het aloude Peru

In de periode van ongeveer 100 voor Christus tot 700 jaar naChristus leefde er aan de westkust van Peru een indianen-stam, de Moche.

In deze cultuur was, naast het geluid van metaal, de kleur vanhoge symbolische waarde. De bewoners van de Andes haddeneen scala aan bewerkingstechnieken waarmee zij de kleur vanmetalen verfraaiden. Naast het vergulden waren ze o.a. be-kend met andere elektrochemische technieken als verzilverenen mise en couleur. Met technieken als deze creëerden de Mo-che glinsterende, roodachtige, groenachtige, zilveren en bo-venal gouden afwerkingen van hun metalen.

De kleuren met de hoogste symbolische waarde waren gouden zilver. Deze metalen representeerden repectievelijk de zonen de maan. Deze twee planeten vertegenwoordigen het du-ale systeem tussen dag en nacht. Concepten van dualiteit wa-ren sterk aanwezig in het denken en iconografie van de cul-turen in de Andes. Met de ontwikkeling van de metaalbe-werking werden goud en zilver metalen bij uitstek om dit sys-teem tot expressie te laten komen. Dit systeem met zijn gou-den en zilveren afwerkingen beleefde zijn hoogtepunt tijdensde Inca periode.

Eén van de goudlegeringen die zij maakten had de naam tum-baga. De legering kon bestaan uit verschillende verhoudingengoud en koper en had als belangrijk voordeel dat zij een rela-tief laag smeltpunt had, rond de 800 graden Celsius. Dezemetalen werden dan gesmolten in grote potten van klei opeen vuur dat door verscheidene mannen puffend en blazenddoor speciale blaaspijpen gaande werd gehouden. Het ge-smolten goud zou dan, door een gat in de bodem van de pot,in een open gietvorm vloeien. Dergelijke instrumenten zijngevonden langs de gehele noordkust van Zuid-Amerika, vanMexico tot Chili.

9

leefgebied Moche

Eén van de meest imposante voorbeelden van de goudenkunsthistorie van de bewoners van de Andes is de Corican-cha, een tempel uit de Inca-cultuur in Cusco. Deze tempel,gebouw ter ere van de zonnegod, zou zijn bedekt met goudenplaten. Zelfs de stenen zouden bij elkaar worden gehoudenmet gesmolten zilver en goud als cement. Dit zou dan ook deaanleiding zijn geweest voor hun vernietiging, voor het ver-zamelen van het goud en zilver, althans volgens El Inca Gar-cilaso de la Vega (1539-1616) in zijn Comentarios Reales de losIncas van 1609.

Het meest spectaculaire gezicht echter zou de Tuin van deZon zijn geweest, waarin planten, bomen, dieren en levens-grote mensen stonden die uit goud en zilver waren gegoten.

Een interessant aspect van deze geschiedenis is uiteraard devraag waar zij de benodigde stroom vandaan haalden voordeze elektrochemische processen die nauw luisteren, zoalswe aan den lijve in onze eigen expermenten hebben onder-vonden. Deze vraag brengt ons bij de Bagdad batterij.

1 0

De Bagdad-batterij

Het was in 1938 dat er bij Khujut-Rabat, vlakbij Bagdad in he-dendaags Irak, door de Duitse archeoloog Wilhelm König eendertien centimeter hoge pot van klei werd gevonden. Uit degesloten pot stak een stuk van een koperen cilinder die eenstuk ijzer omsloot. Uit modern onderzoek bleek dat de holtein de pot gevuld was geweest met een zure vloeistof, waar-schijnlijk azijn of wijn.

Konig verloor zijn tijd niet door een grootschalig onderzoeknaar de vreemde potten op te starten. Voor hem stond het vastdat het een batterij moest zijn. Hij publiceerde zijn vindingenwel maar na de Tweede Wereldoorlog werd de batterij verge-ten.

Van de verhalen over de ontdekking zijn zestig jaar latermeerdere versies bekend. Sommige zeggen dat de batterijenal in het Oudheidkundig museum van Bagdad lagen. Ande-ren zeggen dat König ze zelf heeft opgegraven. De batterijen–er zijn er nu twaalf bekend– zijn nu nog het bewijs dat ver-loren beschavingen hun tijd ver vooruit waren naar onze be-grippen. Het is niet voor het eerst in de geschiedenis van demens dat een uitvinding is vergeten.

Archeologen beweren dat deze batterijen uit de periode ko-men waarin de Parthen over het Perzische rijk heersten, van170 voor Christus tot 226 na Christus. Waarvoor ze diendenis omstreden. Er zijn mensen die beweren dat de batterijenvan wezens van buiten de aarde afkomstig waren. Maar dematerialen die ervoor zijn gebruikt zijn, klei, koper en ijzer,werden veel gebruikt in die tijd. Die hoefden niet van Mars tekomen. Wat wel opvallend is, is dat de Parthen erachter zijngekomen dat er een reactie plaatsvindt tussen een zuur eneen metaal wanneer die in aanraking komen met elkaar.Waarschijnlijk is dat bij toeval ontdekt want de Parthen ston-den bekend om hun vaardigheid in het vechten, niet in de we-tenschap.

1 1

Pas de laatste jaren werden er kopieën gemaakt van deze bat-terijen. Ze leverden een spanning van ongeveer 2 Volt. Dat isniet echt veel dus misschien zijn ze in serieschakeling ge-bruikt. Maar zulke opstellingen zijn nooit gevonden. Dusmisschien interpreteert iedereen de functies ervan verkeerd.

Een aantal mogelijkheden voor het gebruik van elektriciteit indie tijd zou kunnen zijn:• medicinale werking• galvaniseren• verstoppen in afgodsbeelden om de macht van de goden

zichtbaar te maken voor de mens.

Als deze voorwerpen inderdaad functioneerden als stroom-bron zou het theoretisch mogelijk moeten zijn geweest te gal-vaniseren, c.q. verzilveren. Er is maar een laag voltage en am-perage nodig om soortgelijke elektrochemische processen tebewerkstelligen. In de jaren zeventig van de vorige eeuw luk-te het de Duitse egyptoloog Arne Eggebracht om daadwerke-lijk een beeldje te vergulden met behulp van een nagemaaktBagdad-batterij.

Zo komen we tot de conclusie dat er misschien al in de oud-ste tijden de mogelijkheid was tot dergelijke hoogstaandeelektrochemische bewerkingmethoden die vandaag de dagnog steeds als een echt ambacht bekend staan.

1 2

Bagdad 1944

Slot

Rest mij te zeggen dat verzilvering een proces is dat zeernauw luistert. Helaas bleek tachtig uur niet toereikend om hetverzilveren zelf te ontdekken en te perfectioneren maar ik hebin ieder geval veel geleerd over het galvaniseren.

Ik wil graag de volgende mensen bedanken: Fred Dijs, Sigridvan Ede, Judith van Swelm, Erik Dijk, Ton van de Ven en LianGadellaa voor hun hulp en deskundigheid.

Literatuur

Chemie OveralBinasWikipediaArqueologia Americana, Miguel Rivera Dorado, Maria C. VidalLorenzo, Sintesis Editorial, 1998www.ganoksin.comGoogle

1 3

© 2005 montessori lyceum herman jordan