Informe de Electrólisis de metales PDF

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Summary

Electroquímica
Se encarga del estudio de las reacciones redox así como la energía eléctrica,
también estudia las celdas electroliticas y celdas galvánicas, la mayoría de
aplicaciones está enfocado a la creación de energía eléctrica por medio de baterías
para diversos artefact...

Description

Universidad Nacional de Ingeniería Facultad de Ingeniería Química y Textil Departamento Académico de Ingeniería Química

Laboratorio de Físico-Química II (QU 428 D)

Informe Colaborativo N°6

Electrolisis de metales

Fecha de realización de la práctica: 14/01/2021 Fecha de Presentación del informe: 21/01/2021

2020-II

ÍNDICE 1.

OBJETIVOS

2.

FUNDAMENTO TEÓRICO

3.

DATOS 3.1. Datos para la electrodeposición de zinc alcalino 3.2. Datos para la electrodeposición de cobre alcalino 3.3. Datos para la electrodeposición de cobre ácido

4.

CÁLCULOS 4.1. Obtención de la masa teórica, rendimiento, gráfico en función del tiempo a partir de los datos de electrodeposición de zinc alcalino 4.2. Obtención de la masa teórica, rendimiento, gráfico en función del tiempo a partir de los datos de electrodeposición de cobre alcalino 4.3. Obtención de la masa teórica, rendimiento, gráfico en función del tiempo a partir de los datos de electrodeposición de cobre ácido

5.

DISCUSIÓN DE RESULTADOS

6.

CONCLUSIONES

7.

APLICACIONES

1. OBJETIVOS ❏ Realizar el estudio de la electrodeposición de distintas soluciones mediante sus respectivas soluciones electrolíticas. ❏ Identificar las reacciones electrolíticas que se llevan a cabo en cada electrodo. ❏ Cuantificar la masa de los metales depositada en los electrodos.

2. FUNDAMENTO TEÓRICO ❏ Electroquímica Se encarga del estudio de las reacciones redox así como la energía eléctrica, también estudia las celdas electroliticas y celdas galvánicas, la mayoría de aplicaciones está enfocado a la creación de energía eléctrica por medio de baterías para diversos artefactos. ❏ Conductores de corriente Los materiales conductores son aquellos que permiten con facilidad el paso de los electrones a través de la estructura molecular de dicho material. La mayoría de metales son buenos conductores, pero algunos lo son mejores que otros, así como se muestra en el siguiente orden. 1. Platino 2. Plata 3. Cobre 4. Oro 5. Aluminio 6. Cinc 7. Estaño El cobre es muy empleado en instalaciones eléctricas por su bajo precio a comparación de la plata además de poseer casi la misma conductividad. 1. Plata 6.30x107 (S/cm) 2. Cobre 5.96x107 (S/cm) ❏ Electrolitos Es aquella sustancia que al disolverse en el agua logra la formación de iones, estos a su vez pueden ser fuertes o débiles dependiendo de cómo se disocien en el medio acuoso con el que trabajemos. Los electrolitos sirven para que exista el flujo de corriente eléctrica en la solución acuosa. Los electrolitos fuertes por lo general se disocian completamente y son de tipo irreversible, en cambio los débiles son de tipo reversible. ❏ Leyes de la electrólisis La electrolisis es la descomposición de los compuestos químicos cuando se hace pasar corriente eléctrica continua a través de estos, se realiza en una celda electrolítica. Los elementos de esta celda son los siguientes:

1. Electrodo:Conductor eléctrico donde se deposita o libera el producto obtenido de la reacción redox, debe ser un material no reactivo como platino. 2. Cátodo:Es el electrodo donde ocurre la reducción y es de signo negativo. 3. Ánodo:Es el electrodo donde ocurre la oxidación y es de signo positivo 4. Electrolito:Sirve para permitir el flujo de electrones. 5. Batería:Debe ser una fuente de corriente continua y no alterna, como por ejemplo una batería.

Fig. 1 Celda electrolítica ❏ Primera ley de Faraday Faraday enunció lo siguiente: “La masa de sustancia liberada en un electrodo durante la electrólisis es proporcional a la cantidad de electricidad que se hace pasar a través del electrolito” Un Faraday representa la carga de un mol de electrones que puede descomponerse para generar 1 Eq-g de una sustancia. 96500 C→1 Eq-g 1 F=96500 C Q=Ixt Donde: Q:carga t:tiempo (s) I:intensidad de corriente (A)

𝑚(𝑔) =

𝑃.𝐸(𝑔/𝑚𝑜𝑙)𝑥𝐼(𝐴)𝑥𝑡(𝑠) 96500(𝐶/𝑚𝑜𝑙)

❏ Principio de la electro deposición electrolítica

Fig. 2 Electro deposición electrolítica

Los elementos que componen una electro deposición electrolítica son el cátodo, el ánodo, la pieza y la fuente. La fuente define los electrodos sin importar cual sea el potencial de estos. Para que se realice el recubrimiento, la pieza debe comportarse como cátodo mientras que el baño (medio) como ánodo. Es importante resaltar que el espesor de la película en el recubrimiento dependerá del tiempo.

❏ 1. 2. 3.

Características básicas de la pieza: 1. Contener el ion que se depositara 2. Regular la conductividad del medio Tipos de baños Ácido Alcalino (es más empleado ya que provocan mejor cristalización por nucleación) Neutro

❏ Polarización Fenómeno que se da cuando el circuito se cierra, se utiliza para establecer una resistencia en el medio. existe resistencia catódica y anódica. Primer efecto:el ion hidrógeno también quiere reducirse por lo que la ley de Faraday no se cumple. Segundo efecto:ineficiencia catódica, se deposita menos masa de la predicha por Faraday, existe despoblamiento de iones, baja la conductividad y se genera resistencia. Formas de cristalización Es la forma en cómo se acomodan los átomos, la nucleación permite que haya menos espacios vacíos, formando un cristal más compacto. Mecanismos de movimiento iónico: 1. Migración electrónica 2. Difusión:Se provoca por la diferencia de concentración. 3. Por convección:Se provoca por un cambio de densidad. El estado superficial de las probetas debe de ser un material limpio para que haya adherencia completa, en todo caso debe realizarse el desengrase. ❏ Tipos de tratamientos superficial de las probetas Se realizan estos tratamientos con el fin de obtener un mejor recubrimiento, de no hacerlos se presentarán defectos en el producto final. 1. Tratamiento físico:Se busca obtener una superficie plana quitando todo tipo de óxidos mediante pulido. 2. Tratamiento químico: Se realiza un ataque ácido sobre la superficie, como HCl, H2SO4.

3. Tratamiento electrolítico:Se realiza el desengrase mediante sustancias químicas como hidróxido de sodio, bicarbonato de sodio, para realizar un desengrase catódico. Reacciones quimicas del cobre en la electrodeposición

3.

DATOS 3.1. Datos para la electrodeposición de zinc alcalino Área de la probeta:1 dm2 Peso de la probeta:0.222 g

3.2. Datos para la electrodeposición de cobre alcalino Área de la probeta:1 dm2 Peso de la probeta:0.222 g

3.3. Datos para la electrodeposición de cobre ácido Área de la probeta:1 dm2 Peso de la probeta:1.223 g

4.

CÁLCULOS 4.1. Electrodeposición del Zinc Área de la probeta:1 dm2 Peso de la probeta:0.222 g P.A Zinc:65.38 g/mol Valencia=+2 P.E=P.A/V=32.69 eq-g Donde: P.A:peso atómico V:valencia Dado que se tiene la densidad de corriente Y, al multiplicarlo por el área que es 1 dm2 se obtendrá la intensidad de corriente.

Como en la tabla anterior tenemos el peso de la probeta después de la electrodeposición, si queremos obtener la masa experimental tendremos que restarle el peso de la probeta que por dato es 0.222 g. Tabla 1. Masa depositada de Zinc experimental

Se pide determinar la masa teórica depositada por ello mediante la primera ley de Faraday calculamos la masa teórica que se deposita, para ello empleamos los datos de la tabla. 𝑃.𝐸(𝑔/𝑚𝑜𝑙)𝑥𝐼(𝐴)𝑥𝑡(𝑠) 𝑚(𝑔) = 96500(𝐶/𝑚𝑜𝑙) Para un tiempo de 60 s y 1 A. 32.69𝑥1𝑥60 𝑚(𝑔) = = 0. 0203 𝑔 96500 De esta manera calculamos la masa teórica para los demás datos. Tabla 2. Masa depositada de Zinc empleando la ley de Faraday

Se pide determinar el rendimiento para cada caso:

%𝑅𝑒𝑛𝑑𝑖𝑚𝑖𝑒𝑛𝑡𝑜 =

𝑚𝑎𝑠𝑎 𝑑𝑒𝑝𝑜𝑠𝑖𝑡𝑎𝑑𝑎 𝑒𝑥𝑝𝑒𝑟𝑖𝑚𝑒𝑛𝑡𝑎𝑙 𝑚𝑎𝑠𝑎 𝑑𝑒𝑝𝑜𝑠𝑖𝑡𝑎𝑑𝑎 𝑡𝑒ó𝑟𝑖𝑐𝑎

𝑥100%

Empleando la masa experimental 0.011g y la masa teórica hallada 0.0203g.

%𝑅𝑒𝑛𝑑𝑖𝑚𝑖𝑒𝑛𝑡𝑜 =

0.011 0.0203

𝑥100% = 54%

Tabla 3. Rendimiento

Se presenta la gráfica la eficacia Vs tiempo

Gráfico 1. Rendimiento Vs tiempo También se pide graficar la masa depositada Vs tiempo (teórico y experimental) Con los datos experimentales se obtiene:

Gráfico 2. Masa depositada experimental Vs tiempo Con los datos teórico se obtiene:

Gráfico 3. Masa depositada teórica Vs tiempo

4.2.

Electrodeposición del cobre alcalino Masa depositada experimental (gramos) Tabla 3. Masa depositada de cobre en el cátodo

Masa de cobre teórica depositada en el cátodo De la primera ley de faraday

𝑚(𝑔) =

𝑃.𝐸(𝑔/𝑚𝑜𝑙)*𝐼(𝐴)*𝑡(𝑠) 96500(𝐶/𝑚𝑜𝑙)

Reemplazando valores

𝑚(𝑔) =

63.5(𝑔/𝑚𝑜𝑙)*1(𝐴)*60 96500(𝐶/𝑚𝑜𝑙)*2

m(g)=0.01974 g Siguiendo el mismo procedimiento, se calculan los demás valores teóricos. Tabla 4. Masa depositada de cobre teórica (según ley de faraday)

Cálculo de la eficiencia eficiencia=(masa depositada experimental/masa depositada teórica)*100% Para un tiempo de 60 s y una densidad de corriente de 1 A/dm2 %eficiencia=(0.024/0.01974)*100% %eficiencia=121.57% Siguiendo el mismo procedimiento se calcularon las demás eficiencias de la tabla N°4.

Representando gráficamente:

Gráfico 4. de la eficiencia vs tiempo Con los datos experimentales se obtiene:

Gráfico 5. Masa depositada vs tiempo

Con los datos teórico se obtiene:

Gráfico 6. Masa depositada teórica vs tiempo 4.3.

Electrodeposición del cobre ácido Masa depositada experimental (gramos) Tabla 5. Masa depositada de cobre en el cátodo

Masa de cobre teórica depositada en el cátodo De la primera ley de faraday

𝑚(𝑔) =

𝑃.𝐸(𝑔/𝑚𝑜𝑙)*𝐼(𝐴)*𝑡(𝑠) 96500(𝐶/𝑚𝑜𝑙)

Reemplazando valores

𝑚(𝑔) =

63.5(𝑔/𝑚𝑜𝑙)*1(𝐴)*60 96500(𝐶/𝑚𝑜𝑙)*2

m(g)=0.01974 g Siguiendo el mismo procedimiento,se calculan los demás valores teóricos.

Tabla 6. Masa depositada de cobre teórica (según ley de faraday)

Cálculo de la eficiencia eficiencia=(masa depositada experimental/masa depositada teórica)*100% Para un tiempo de 60 s y una densidad de corriente de 1 A/dm2 %eficiencia=(0.019/0.01974)*100% %eficiencia=96.25% Siguiendo el mismo procedimiento se calcularon las demás eficiencias de los demás datos. Tabla 7. Eficiencia vs tiempo

Representando gráficamente:

Gráfico 7. Eficiencia vs tiempo Con los datos experimentales se obtiene:

Gráfico 8. Masa depositada vs tiempo

Con los datos teóricos se obtiene:

Gráfico 9 . Masa depositada teórica del Cu vs Tiempo

5. DISCUSIÓN DE RESULTADOS ❏ Al realizar los cálculos para determinar la eficiencia para la electrodeposición de zinc alcalino, se puede observar que la eficiencia fue menor al 60%, esto puede deberse al efecto de ineficiencia catódica que ocurre cuando se deposita menos masa de la calculada mediante la ley de Faraday. ❏ En cuanto a las gráficas obtenidas a partir de la electrodeposición de zinc alcalino notamos que son muy parecidas, con la excepción de que con los datos teóricos la gráfica tiene un modelo muy lineal, mientras que con los datos experimentales que representan un valor real se puede observar aumentos más elevados con respecto al tiempo. ❏ Como se puede observar en la tabla de eficiencia del cobre ácido los valores de eficiencia en su gran mayoría es superior al 90% dando una cantidad de masa experimental cercana a la masa teórica según faraday ,así como también una gráfica experimental de masa depositada vs tiempo similar a la gráfica teórica. ❏ En la tabla de eficiencia del cobre alcalino se obtuvieron en su gran mayoría rendimientos mayores del 100%, este error puede ser debido al factor tiempo en la cual al esperar y medir el tiempo, la electrodeposición fue mayor con respecto al teórico. ❏ En los gráficos de masa depositada y eficiencia se observa que a medida que el amperaje es mayor tanto la eficiencia y la masa aumentan debido a la primera ley de faraday en donde la masa depositada es directamente proporcional a la intensidad de corriente que circula .

6. CONCLUSIONES ❏ Existen fenómenos que pueden alterar los resultados que predice la ley de Faraday, como por ejemplo la polarización, modificación de la conductividad entre otros. Es por ello que es importante conocer los conceptos teóricos con el fin de evitar deficiencia en los recubrimientos. ❏ El valor de la masa teórica que se deposita en la probeta depende mucho de la intensidad de corriente que circula,por esa razón al hacer un mal cálculo en uno de estos componentes nos daría un valor diferente. ❏ En la electrodeposición del cobre alcalino se obtienen como resultados masas experimentales electrodepositadas de cobre muy pequeñas lo cual puede llevar a errores debido a que la masa cambia muy poco con el tiempo. ❏ A medida que aumenta el tiempo se va depositando Cu (s) recubriendo la probeta, de esta manera se comprueba el cumplimiento de la ley de faraday. ❏ El aumento de la masa electrodepositada es proporcional al tiempo, ya que a medida que pasa el tiempo mayor será la masa que se deposite en el cátodo. ❏ En la electrodeposición del cobre alcalino se obtuvo una menor masa electrodepositada a comparación de la electrodeposición del cobre ácido. 7.

APLICACIONES Tratamientos superficiales por deposición electrolítica Es un proceso de fabricación que se realiza para dar características determinadas a la superficie de un objeto,las maquinarias y herramientas de cada industria están siempre expuestos al ambiente o a otros tipos de medios y esfuerzos los cuales generan corrosión o desgaste significando una pérdida para la industria ,por ello los tratamientos superficiales sirven para eliminar en su totalidad a esos dos efectos que perjudican mayormente a los materiales metálicos.En general la corrosión se genera debido a la humedad ,presión,altura y la cantidad de oxígeno por otro lado el desgaste se da por el exceso de uso o producto de agotamiento de las propiedades del metal. Una de las aplicaciones de los tratamientos superficiales es. 1. Aumentar o controlar la dureza ,obteniendo superficies más resistentes al desgaste o al rayado. 2. Obtener un coeficiente de fricción adecuado en el contacto entre dos superficies ,ya sea aumentando o disminuyendo. 3. Mejorar la retención de lubricantes de la superficie. 4. Aumentar la resistencia a la corrosión y oxidación. 5. Aumentar la resistencia mecánica 6. Reconstruir piezas desgastadas 7. Controlar las dimensiones o la rugosidad como también proporcionar características decorativas,como color o brillo. Antes de realizar dicho tratamiento se debe realizar una correcta limpieza del material o preparacion de superficies.Si la superficie estuviese contaminada con humedad,polvo,herrumbre,etc el recubrimiento no podrá adherirse firmemente y su eficiencia de protección será casi nula . Tipos de tratamientos superficiales 1. Cobreado 2. Niquelado 3. Cromado

4. Zincato REFERENCIAS [1].Ira N. Levine - FISICOQUÍMICA volumen 2 - quinta edición - editorial Mc Graw Hill - pág. 532 [2] [2].Gillespie, Humphreys, Baird, Robinson - QUÍMICA - editorial reverté, S.A. - pág. 721, 735,736 [1] [3].Tratamientos superficiales a través de electrodeposición. Recuperado de: https://es.slideshare.net/AbelGuaman/tratamientos-superficiales-a-traves-de-electrod eposicion-para-ingenieria [4].Artículo técnico-AT004. Propiedades físicas y químicas. Recuperado de: https://www.ciquime.org/files/at004.pdf...