Electrodeposición de cobre en baño ACIDO BRILLANTE1

UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERÍA Facultad de Ingeniería Química y Textil

Práctica Nº3 Electrodeposición de cobre en baño ACIDO BRILLANTE Grupo de trabajo:  Chambi Canahuire Fredy Gustavo

20080230B

 Chuquimia Ramos, Kenroy

20094141G

 Garcilazo Gomero, Iván

20092129J

 Rivas Ricaldi, César Elías

20090076F

 TrigosoVillalovos, Fernando

20092123A

Profesores:  Ing. Villon Ulloa, Angel Eduardo. Fecha: Realización: Entrega:

DD

MM

AA

30 07

09 10

11 11

2011-2

LIMA – PERÚ

Electrodeposición de cobre en baño ácido

ÍNDICE 1. OBJETIVOS……………………………………………………………………….….….3 2. FUNDAMENTO TEÓRICO………………………………………………………….….3 Primera ley de Faraday de la Electrolisis………………………………………….……3 Baño acido de cobre………………………………………………………………….……3 Principales reacciones químicas involucradas……………………………...................4 Aditivos………………………………………………………………………….……….…..5 3. DATOS Y RESULTADOS…………………………………………………………..…….5 3.1 DATOSEXPERIMENTALES…………………………………………………….………5 3.2 DATOS TEÓRICOS………………………………………………………………….…..5 3.3 RESULTADOS……………………………………………………………………….…..6 3.4 COMPARACIÓN DE BAÑOS ÁCIDOS Y BAÑOS ALCALINOS DE COBRE…….10 3.4 MUESTRAS DE CÁLCULO. ………………………………………………………...11 4. DISCUSIÓN DE RESULTADOS………………………………………………...…….12 4.1ELECTRODEPOSICIÓN DE COBRE EN BAÑO ACIDO VS. ELECTRODEPOSICIÓN DE COBRE EN BAÑO ALCALINO………………………….13 5. CONCLUSIONES……………………………………………………………………..…13 6. BIBLIOGRAFÍA………………………………………………………………………….13

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Electrodeposición de cobre en baño ácido

Electrodeposición de cobre en baño ACIDO BRILLANTE

1. OBJETIVOS:  Realizar deposición electrolítica del cobre en baño acido a fin de determinar el rendimiento o eficiencia catódica, tomando como referencia la ley de Faraday.  Estudiar el comportamiento de la solución electrolítica de cobre en medio acido empleando abrillantadores a fin de observar cualitativamente su efecto en el recubrimiento.

2. FUNDAMENTO TEÓRICO:

Primera ley de Faraday de la Electrolisis Este principio fundamental de la electrolisis, se puede expresar de La cantidad de cualquier elemento liberada ya sea en el cátodo o en el ánodo durante la electrólisis, es proporciona a la cantidad de electricidad que atraviesa la solución. [1]

W: Masa electro-depositada en el cátodo (g). K: equivalente electroquímico del elemento electro-depositado (g/coulomb) K= Peso atómico del elemento / Valencia I: intensidad de corriente (coulomb/s) T: tiempo transcurrido (s)

Baño acido de cobre Tal como se puede notar de la expresión de la primera ley de la electrolisis de Faraday, que se muestre anteriormente, la valencia del cobre determina el equivalente electroquímico de este, por lo que existe un análisis separado para cada caso cúprico Cu2+ y cuproso Cu1+. El baño de cobre acido no es apropiado para electro depositar cobre directamente sobre hierro o metales cuyo potencial de reducción es negativo. Para depositar una delgada capa de cobre sobre hierro, es necesario primero electro depositar cobre en una solución cianurada y luego dar el acabado final en una solución de cobre acido. Composición del baño. Los dos principales constituyentes de un baño de cobre acido son el acido sulfúrico y el sulfato de cobre, este último se obtiene comercialmente como sal hidratada. Las funciones del acido sulfúrico en el medio son las siguientes:

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Electrodeposición de cobre en baño ácido  Previene la hidrólisis del sulfato cuproso y subsiguientemente la formación de sales básicas.  Incrementa la conductividad del baño; este aumento de la conductividad reduce el costo de la potencia requerida y reduce la formación de rugosidad en los depósitos a altas densidades de corriente. La composición del baño es:  

Sulfato de cobre CuSO4 .5H2O Acido Sulfúrico H2SO4

250 g/l 75 g/l

2N 1.5 N

Las concentraciones permisibles y las proporciones de sulfato de cobre y del acido están limitadas por el hecho de que el aumento de acido sulfúrico disminuye la solubilidad del sulfato de cobre

Principales reacciones químicas involucradas. El acido sulfúrico se disocia en iones H+ y en iones sulfato.

Reacciones en el cátodo.

Reacción en el ánodo.

Los iones sulfato e hidrogeno no toman parte en los cambios electroquímicos. Sin embargo el contenido de sulfato de cobre se incrementa y el de acido sulfúrico disminuye, esto, debido a que el cobre puede presentar dos iones el cúprico (Cu2+) y el cuproso (Cu+). Parte de los átomos del ánodo van a la solución como:

Los iones cuprosos formados requieren la mitad de corriente que la que requieren en la formación de iones cúpricos; estos iones pueden depositarse como cobre en el cátodo, pero estos tienden a oxidarse a iones cúpricos

El oxigeno es derivado del oxigeno disuelto en la solución.

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Electrodeposición de cobre en baño ácido Aditivos. La adición de pequeñas cantidades de determinadas sustancias orgánicas al baño electrolítico le dan características particulares al metal electro depositado (brillo, menor rugosidad); el efecto físico – químico empleado es el hecho de que, estas sustancias disminuyen la rapidez de electrodeposición polarizando los alrededores del cátodo, de esta manera se logra una electrodeposición de cristales pequeños generando así una superficie lisa y una mayor nucleacion. Los abrillantadores pueden ser almidones, azucares, colágenos, etc.

3. DATOS Y RESULTADOS: 3.1 DATOSEXPERIMENTALES.

COMPONENTE CuSO4 5H2O H2SO4

g/Lt 250 75

Tabla 1. Composición del baño acido de cobre.

I (A/dm2) 30 s 60 s 90 s 0.5 0.003 0.011 0.014 1 0.008 0.019 0.025 1.5 0.012 0.025 0.041 2 0.016 0.035 0.059 Tabla 2.Masa de Cu electrodepositada experimental para cada intensidad de corriente y tiempo.

3.2 DATOS TEÓRICOS. Masa molar del Cobre: 63.546 g/mol I (A/dm2)

30

60

90

0.5

0.004

0.009

0.014

1

0.009

0.019

0.029

1.5

0.014

0.029

0.044

2 0.019 0.039 0.059 Tabla 3.Masa de Cu electrodepositada teórica para cada intensidad de corriente y tiempo (según la ley de Faraday).

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Electrodeposición de cobre en baño ácido

I (A/dm2) 30 s 60 s 90 s 0.5 60 % 110 % 93.33 % 1 80 % 95 % 83.33 % 1.5 80 % 83.33 % 93.18 % 2 80 % 87.5 % 100 % Tabla 4. Eficiencia catódica expresada en porcentaje para cada intensidad de corriente y tiempo.

Masa de Cu depositada (gramos)

3.3 RESULTADOS.

Masa depositada vs Densidad de corriente (30s) 0.02

0.015 Masa Experimental 0.01

Masa Teórica

0.005 0 0

0.5

1

1.5

2

2.5

Densidad de Corriente (A/dm2)

Grafico 1: Comparación de los valores experimentales y teóricos de las masas depositadas de Cu. Para un tiempo de 30 s.

6

Masa de Cu depositada (gramos)

Electrodeposición de cobre en baño ácido

Masa depositada vs Densidad de corriente (60s) 0.05 0.04 Masa Experimental

0.03

Masa Teórica

0.02 0.01 0 0

0.5

1

1.5

2

2.5

Densidad de Corriente (A/dm2)

Masa de Cu depositada (gramos)

Grafico 2: Comparación de los valores experimentales y teóricos de las masas depositadas de Cu. Para un tiempo de 60 s.

Masa depositada vs Densidad de corriente (90s) 0.07 0.06 0.05

Masa Experimental

0.04

Masa Teórica

0.03 0.02 0.01 0 0

0.5

1

1.5

2

2.5

Densidad de Corriente (A/dm2)

Grafico 3: Comparación de los valores experimentales y teóricos de las masas depositadas de Cu. Para un tiempo de 90 s.

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Electrodeposición de cobre en baño ácido

Grafico 4: Relación entre Eficiencia Vs densidad de corriente, para t = 30, 60 y 90 segundos. (Es el resultado de graficar los valores de la tabla 4)

Masa Depositada de Cobre (gramo)

Masa depositada vs Tiempo 0.07 0.06 0.05

Para 0.5 A/dm2 Para 1.0 A/dm2 Para 1.5 A/dm2

0.04 0.03 0.02 0.01 0 0

20

40

60

Tiempo (segundos

80

100

)

Grafica 5: Masas depositada experimentalmente vs el tiempo sumergido de la probeta en el baño.

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Electrodeposición de cobre en baño ácido

Rendimiemto Cátodico vs Tiempo.

Rendimiento Cátodico (%)

100

80 0.5 A/dm2 1 A/dm2 1.5 A/dm2

60

2 A/dm2

40 30

60

90

Tiempo (s)

Grafico 6: Relación entre Rendimiento Catódico Vs Tiempo, para I = 0.5, 1.0 , 1.5 y 2.0 A/dm2.

Eficiencia Catodica vs Densidad de corriente 110 105 Rendimiento Catódico

100 95 90

Eficiencia a 30 s

85

Eficiencia a 60 s

80

Eficiencia a 90 s

75 70 65 60 0.5

1

1.5

2

Grafico 7: Relación entre Rendimiento Catódico Vs densidad de corriente, para 30, 60 y 90 s.

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Electrodeposición de cobre en baño ácido

3.4 COMPARACIÓN DE BAÑOS ÁCIDOS Y BAÑOS ALCALINOS DE COBRE.

Baño ácido de cobre:

I (A/dm2)

30 s

60 s

90 s

0.5

60 %

110 %

93.33 %

1

80 %

95 %

83.33 %

1.5

80 %

83.33 %

93.18 %

2 80 % 87.5 % 100 % Tabla 5. Eficiencia catódica expresada en porcentaje para cada intensidad de corriente y tiempo. Para el Baño de Cobre Ácido Brillante.

Baño cianurado de cobre:

I( A/dm2)

30 s

60 s

90 s

0.5

30.00%

55.00%

50.00%

1.0

35.00%

50.00%

55.93%

1.5

43.33%

40.68%

50.56%

2.0 42.50% 45.60% 48.74% Tabla 6. Eficiencia catódica expresada en porcentaje para cada intensidad de corriente y tiempo. Para el Baño de Cobre Cianurado.

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Electrodeposición de cobre en baño ácido

Comparación de eficiencias Catódicas

Rendimiento Catódico (%)

90 0.5 A/dm2 1 A/dm2 70

1.5 A/dm2 2 A/dm2 0.5 A/dm2 Alcalino 1 A/dm2 Alcalino

50

1.5 A/dm2 Alcalino 2 A/dm2 Alcalino 30 30

60

90

Tiempo (s)

Grafico 7: Relación entre Rendimiento Catódico del baño de cobre brillante Vs Tiempo, comparando con los del Baño alcalino de cobre.

3.4 MUESTRAS DE CÁLCULO. MUESTRAS DE CÁLCULO. - Cálculo de masa experimental electrodepositada. Mi: masa inicial del electrodo limpio y seco. Mf: masa final del electrodo luego que ocurre la electrodeposición. Me. Masa electrodepositada.

Entonces para I= 0.5 A y t= 30s

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Electrodeposición de cobre en baño ácido - Cálculo de masa teórica electrodepositada (usando la ley de Faraday). --------------------->

. Electroquímico de

----------------------> Masa de Entonces para

electrodepositada

y

Masa de Cu electrodepositada Masa de Cu electrodepositada

- Cálculo de la eficiencia catódica. mTeo:masa de Cu teórica electrodepositada calculada con la ley de Faraday mExp :masa de Cu experimental electrodepositada. Eficiencia catódica Entonces para

y

Eficiencia catódica

4. DISCUSIÓN DE RESULTADOS: 

En la tabla 4. Se tiene para (0.5 y 2 A/dm2) de densidad de corriente correspondientes a los tiempos 60 y 90 s respectivamente , que las eficiencias superan el 100% lo cual es un imposible y se puede decir con seguridad que el error fue cometido a la hora de pesar, pues la balanza usada era analítica y de alta sensibilidad por lo que las corrientes de aire interferían , esto se evidencio por la oscilación del valor a medir. Además un posible deficiente secado de la probeta contribuye al error.



Los gráficos 1,2,3. correspondiente a masa depositada (teórica y experimental) vs. La densidad de corriente, se puede notar que las rectas de masa teórica están por encima de las masas experimentales. Esto se explica por el hecho que estas masas teóricas son calculadas mediante la ley de Faraday, una ley ideal y por tanto indica la cantidad máxima posible.



En la tabla 4. Para (0.5 A/dm2) de densidad de corriente y t= 30 s. que es la primera electrodeposición se tiene la mínima eficiencia catódica, lo que se puede explicar porque esta fue realizada sobre un cátodo de bronce, las demás se hicieron sobre una película de cobre, lo que evidencia que hay una diferencia en electrodepositar un cobre en distintos materiales de cátodos.

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Electrodeposición de cobre en baño ácido



La amplia dispersión de los valores de eficiencia catódica no se puede explicar por la concentración del baño ni la sensibilidad del rectificador (pues no mantenía los valores de corriente contantes durante el tiempo de electrodeposición) ni las condiciones de operación; ya que estas eran constantes para todas las densidades de corriente y tiempos.

4.1 ELECTRODEPOSICIÓN DE COBRE EN BAÑO ELECTRODEPOSICIÓN DE COBRE EN BAÑO ALCALINO

ACIDO

VS.



Los rendimientos Catódicos de los Baños Ácidos de cobre, son notoriamente mayores en comparación de los Baños Cianurados de cobre. Esto se puede explicar porque en los baños cianurados, el cianuro actúa como acomplejante y se puede decir que crea cierta resistencia para que los iones cobre se electropositen. En cambio en los baños cianurados, el ácido sulfúrico, sirve para reducir la resistividad y esto permite que los iones cobre se electropositen más rápido.



En ambos baños es evidente que al aumentar la densidad de corriente, va a aumentar la eficiencia catódica con el tiempo.

5. CONCLUSIONES: 

La eficiencia catódica en el baño ácido es mayor conforme se aumenta el amperaje, también es mayor la eficiencia conforme aumenta el tiempo de electrodeposición, es decir existe una correlación positiva entre ellos.



El rendimiento catódico de la electrodeposición del cobre es mayor en un baño ácido que en un baño cianurado.



Se obtendrá una mayor electrodeposición si se tiene una mayor conductividad del baño.



El aumento en la conductividad del baño reduce el costo de potencia requerida.



Para los dos casos de experiencia tanto el baño ácido como el baño cianurado se presentan una serie de factores que afectan la eficiencia catódica, estos son difíciles de controlar en la práctica.



La adición de pequeñas cantidades de sustancias orgánicas (abrillantador) al baño electrolítico le dan valores estéticos al metal electro depositado.

6. BIBLIOGRAFÍA [1] William Blum y George Hogaboom. "Galvanotecnia y Galvanoplastia". Editorial Continental, S.A. México. Julio 1985. Páginas: 348-357.

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