Grupo 1 Informe de cobreado alcalino PDF

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GALVANOPLASTIA DE UNA SOLUCION DE SULFATO DE COBRE Y ÁCIDO SULFÚRICO...

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UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERÍA FACULTAD DE INGENIERÍA QUÍMICA Y TEXTIL ÁREA ACADÉMICA DE INGENIERÍA QUÍMICA

Laboratorio de Electroquímica Industrial Laboratorio Nº2 Electrodeposición de Cobre en baño alcalino Integrantes: Fernández-Dávila Samanamud, Gonzalo Murga Obispo, Kelly Susana Pezua Lujan, Nelson J.

Docente: Villon Ulloa, Angel Eduardo

Fecha de presentación: 07/05/2021

LIMA-PERÚ 2021

Electrodeposición del cobre en baño alcalino 1. Objetivos ● Calcular la eficiencia catódica en la electrodeposición del cobre en baño alcalino para distintos valores de densidad de corriente y el tiempo. ● Relacionar la masa de cobre depositada y la eficiencia catódica con los fenómenos electroquímicos producidos al trabajar con los distintos valores de tiempo y densidad de corriente. ● Verificar la relación de la densidad de corriente y masa del cobre depositado. 2. Marco Teórico El cobreado alcalino es una técnica de electrodeposición que permite que sobre una pieza metálica (o un conjunto de ellas) se forme una película, como su nombre señala, de cobre, valiéndose de la aplicación de corriente continua a un sistema conformado por la pieza en cuestión como cátodo, ánodos de cobre y una solución alcalina (baño alcalino) compuesta por CuCN, NaCN y Na2CO3 o NaOH (en este caso, NaOH). El CuCN tiene como función proveer los iones Cu+ a la solución, los cuales se reducen a Cu metálico y se depositan sobre la pieza a recubrir (cátodo). El NaCN tiene como función proveer iones CN-, que forman complejos con el ion Cu+ de acuerdo con las siguientes ecuaciones: Cu+ + 2CN- ⇌ Cu(CN)2Cu+ + 3CN- ⇌ Cu(CN)32Cu+ + 4CN- ⇌ Cu(CN)43Al formarse estos complejos, se reduce la disponibilidad de iones cobre en las inmediaciones del cátodo, tanto por el acomplejamiento mismo como por el hecho de que la carga negativa de las especies formadas evita su desplazamiento hacia el cátodo (electrodo negativo). Con menos iones Cu+ disponibles, disminuye la velocidad con que estos llegan al cátodo respecto a de la velocidad de los electrones, se produce la polarización y esto es aprovechado por el ion H+, que se reduce en lugar del Cu+, con lo que disminuye la eficiencia catódica y la electrodeposición más lenta. Nótese que, al ser las ecuaciones químicas de equilibrio, eventualmente el ion Cu+ será liberado, con lo que volverá a estar disponible en el medio. Al ser la electrodeposición más lenta, se permite que los átomos de cobre puedan tener un mayor grado de ordenamiento al depositarse sobre la superficie de la pieza a recubrir, lo que genera un menor número de defectos

en la estructura cristalina del recubrimiento y permite que este posea mayor dureza, resistencia al esfuerzo y adherencia (en adición a las propiedades conductoras y de resistencia a la corrosión por ácidos características del cobre), hecho que justifica el empleo del baño alcalino en lugar del baño ácido (que no contiene agentes complejantes y permite una electrodeposición más rápida y con eficiencias cercanas al 100%, con la desventaja de un recubrimiento con mayores defectos en su estructura). Por su parte, el NaOH permite que el pH del medio sea alcalino (en este caso, entre 11.5 y 12.5), de modo que está presente el ion Cu+ (y no Cu2+). Se emplea estos valores de pH por ser los que permiten una mayor concentración de los complejos cianurados Cu(CN)32- y Cu(CN)43- en el medio, como muestra la figura 1.

Figura 1. Diagrama de especies químicas químicas para el sistema cobre-cianuro-agua a 25 °C. Tomado de Use of quaternary ammonium salts to remove copper–cyanide complexes by solvent extraction, por O. Alonso-González et al., Minerals Engineering, 23, p. 766, 2010.

3. Cálculos y Resultados Área total de la probeta: 1 dm2 Masa de la probeta: 0.222 g

Tabla 1. Datos experimentales de la Electrodeposición del Cobre en baño alcalino. Tiempo (s) j (A/dm2)

60

90

120

180

240

W (g)

W (g)

W (g)

W (g)

W (g)

1

0.246

0.241

0.247

0.258

0.268

1.5

0.257

0.248

0.258

0.276

0.295

2

0.267

0.257

0.269

0.289

0.311

2.5

0.273

0.262

0.273

0.302

0.332

3

0.279

0.267

0.281

0.313

0.34

● Cálculo de la masa de cobre depositada: Para W= 0.246 g 𝑊𝑑𝑒𝑝𝑜𝑠𝑖𝑡𝑎𝑑𝑜 = 𝑊 − 𝑊𝑝𝑟𝑜𝑏𝑒𝑡𝑎 = 0. 246 − 0. 222 = 0. 024g Obteniendo la masa depositada del cobre en la tabla 2 Tabla 2. Masa de Cobre depositada para cada tiempo y densidad de corriente. Tiempo (s) j (A/dm2)

60 W (g)

90 W (g)

120 W (g)

180 W (g)

240 W (g)

1

0.024

0.019

0.025

0.036

0.046

1.5

0.035

0.026

0.036

0.054

0.073

2

0.045

0.035

0.047

0.067

0.089

2.5

0.051

0.04

0.051

0.08

0.11

3

0.057

0.045

0.059

0.091

0.118

Figura 2. Masa del cobre depositado vs densidad de corriente a diferentes tiempos.

Figura 3. Masa del cobre depositada vs tiempo a distintas densidades de corriente. ● Cálculo de la masa teórica del cobre alcalino por la Ley de Faraday: P.A = 63.54 g/mol Para W = 0.024 g, j = 1 A/dm 2, t = 60 s 2

𝑊𝑡𝑒ó𝑟𝑖𝑐𝑎=

2

(1𝐴/𝑑𝑚 *1𝑑𝑚 )*60𝑠*63.54𝑔/𝑚𝑜𝑙 = 1*96500 𝐶/𝑚𝑜𝑙

Obteniendo la masa teórica del cobre en la tabla 3.

0.0395 g

Tabla 3. Masa teórica del Cobre alcalino para cada tiempo y densidad de corriente. Tiempo(s) j (A/dm2)

60

90

120

180

240

W (g)

W (g)

W (g)

W (g)

W (g)

1

0.0395

0.0593

0.0790

0.1185

0.1580

1.5

0.0593

0.0889

0.1185

0.1778

0.2370

2

0.0790

0.1185

0.1580

0.2370

0.3161

2.5

0.0988

0.1482

0.1975

0.2963

0.3951

3

0.1185

0.1778

0.2370

0.3556

0.4741

Figura 4. Masa teórica del cobre depositada vs densidad de corriente a diferentes tiempos. ● Cálculo de la eficiencia del cobre alcalino: Para j = 1 A/dm 2, t = 60 s n=

𝑊𝑒𝑥𝑝𝑒𝑟𝑖𝑚𝑒𝑛𝑡𝑎𝑙 𝑊

𝑡𝑒ó𝑟𝑖𝑐𝑜

0.024𝑔 *100%= 0.0395𝑔 * 100% =60.75%

Obteniendo la eficiencia del cobre alcalino en la tabla 4.

Tabla 4. Eficiencia del cobre alcalino para cada tiempo y densidad de corriente. Tiempo (s) j (A/dm2)

60

90

120

180

240

n (%)

n (%)

n (%)

n (%)

n (%)

1

60.75%

32.06%

31.64%

30.37%

29.11%

1.5

59.06%

29.25%

30.37%

30.37%

30.80%

2

56.95%

29.53%

29.74%

28.27%

28.16%

2.5

51.64%

27.00%

25.82%

27.00%

27.84%

3

48.09%

25.31%

24.89%

25.59%

24.89%

Figura 5. Eficiencia catódica vs densidad de corriente a diferentes tiempos

Figura 6. Eficiencia catódica vs tiempo a diferentes densidades de corriente. 4. Discusión de Resultados ● De la figura 5 se observa que a medida que aumenta la densidad de corriente, disminuye la eficiencia catódica, esto se debe a que a mayor densidad de corriente la reacción del hidrógeno se ve favorecida debido al despoblamiento de los iones cobre en la solución. ● De la figura 5 y 6 se observa que en el tiempo de 60 segundos se encuentra la mayor eficiencia catódica, esto es debido a que al ser un metal noble y su potencial de reducción alto, se deposita con mayor facilidad en el cátodo. ● De la figura 6 se observa que en el tiempo de 60 segundos se da la mayor eficiencia catódica, pasado este tiempo de electrodeposición la eficiencia catódica disminuye y se mantiene constante, esto se puede explicar debido a que a medida que pasa el tiempo los iones de cobre acomplejados se van liberando y reduciendo al instante. ● De la figura 3 se observa que hay una caída con respecto a la masa depositada entre los tiempos 60 y 90 segundos y después un incremento que supera al primer tiempo, esto se predice por la ley de faraday la cual indica que a mayor tiempo de electrodeposición se depositara mayor masa del cobre y se sustenta debido a la liberación de los iones cobre acomplejados para reducirse conforme pasa el tiempo.. 5. Conclusiones ● La eficiencia catódica se reduce al incrementar la densidad de corriente. ● La eficiencia catódica es máxima cuando el tiempo de electrodeposición es de 60 segundos para cualquier densidad de corriente que se aplique al sistema

● La eficiencia catódica se reduce a medida que aumenta el tiempo de electrodeposición hasta que se mantiene constante. ●...