Electrodeposición de Cobre

1. 1.1.

ELECTRODEPOSICION Electrodeposicion de Cobre. Se trata de fabricar una celda electrolítica con una fuente externa de alimentación eléctrica y se observa en ella la electro deposición de una capa de cobre sobre un objeto de acero inoxidable, que actúa como cátodo de la celda. Las reacciones de corrosió cor rosión n son de natu naturale raleza za elec electroq troquímic uímica, a, ya que impl implican ican tran transfer sferencia encia de electrones entre el metal que sufre el ataque (que actúa como dador electrónico o ánodo) y una segunda sustancia que recibe tales electrones, y que por tanto se reduce, actuando actuando como oxidante en la reacción redox. Muchas partes metálicas se protege pro tegen n de la corr corrosió osión n por elec electro tro depo deposició sición, n, para prod producir ucir una fina cap capa a protectora protector a de metal. En este proceso, la parte que va a ser recubierta constituye el cátodo de una celda electrolítica. El electrolito es una sal que contiene cationes del metal de recubrimiento. Se aplica una corriente continua por medio de una fuente de alimentación, alimentación, tanto a la parte que va a ser recubierta como al otro electrodo. En una celda electrolítica se produce una reacción redox no espontánea suministrando energía eléctrica al sistema por medio de una batería o una fuente de alimentación. La batería actúa como una bomba de elec electron trones, es, arr arrancá ancándol ndolos os del ánodo y empujándolos al interior del cátodo. Dentro de la celda, para que se mantenga la electroneutralidad electrone utralidad,, debe ocurrir un proceso que consuma electrones en el cátodo y que los genere en el ánodo. Este proceso es una reacción redox. En el cátodo tendrá lugar la reducción de un ion al aceptar éste los electrones remitidos desde el ánodo. Los iones positivos (cationes) se dirigirán al polo negativo, llamado cátodo. En el áno ánodo do se ge gener neran an ele electr ctron ones es deb debid ido o a la ox oxida idació ción n de un me metal tal u otr otra a susta su stanci ncia. a. Lo Los s el elect ectro rones nes son env enviad iados os al otr otro o el elect ectrod rodo o po porr la ba bater tería. ía. El ánodo pierde por tanto, su carga negativa y por esa razón es el polo positivo. El metal sobre el que se va a producir el depósito de cobre se coloca como cátodo. El electrolito es una disolución de sulfato de cobre (CuSO 4) que aporta Cu 2+ Porr últ Po últim imo, o, el án ánod odo o es un hil hilo o de co cobre bre a cuy cuyos os áto átomo mos s la ba bater tería ía ar arran ranca ca electrones, cargando positivamente este electrodo y generando nuevos iones de cobre. Fig: 1.1 Electrodeposición de Cobre

La batería (una pila) al arrancar electrones del cobre anódico, ocasiona oxidación de este metal: Cu (s) =Cu2+ (aq) + 2e-

1

Los electrones llegarán al cátodo impulsados por la batería. Una vez allí, reducirán a los iones cúpricos presentes en el electrolito: Cu2+(aq) + 2e- = Cu(s)

De esta manera, en el cátodo se va formando un precipitado de cobre que se deposita como una fina capa de color rojizo en la superficie del cátodo. Existe además una relación simple entre la cantidad de electricidad que pasa a través de una celda electrolítica y la cantidad de sustancia depositada en el cátodo. Ambas cantidades son directamente proporcionales según la ley de electrólisis de Faraday. 1.2. Electrodeposición de Niquel Este recubrimiento electrolítico sobre metales mediante la electro-deposición de níquel permite aumenta la resistencia a la oxidación, corrosión y desgaste de las piezas metálicas y mejora el embellecimiento final de las mismas. El niquelado electrolítico es un proceso que consiste en la deposición por vía electrolítica del metal níquel sobre una superficie previamente acondicionada que puede ser acero, cobre, latón y zamak (Zn-Al-Mg-Cu). Con un espesor variable según las necesidades, tiene como objetivo mejorar las propiedades técnicas y decorativas del material base.  Al realizar el proceso de electrodeposición se mejoran propiedades como la protección contra la corrosión, debido a que incrementa la resistencia a la corrosión del material base como capa intermedia o final. Las propiedades mecánicas también mejoran, entre ellas aumento de la conductividad eléctrica, dureza y resistencia a la abrasión. Otro aspecto que mejora es que le da un recubrimiento altamente decorativo, aspecto de gran brillo, nivelación y ductilidad. El níquel como elemento protector, tiene un campo de aplicación muy extenso empleándose, como elemento protector y como revestimiento ornamental de los metales, en especial de los que son susceptibles de corrosión como el hierro y el acero, asimismo aumentando su conductividad eléctrica. También es utilizado como precapa para otros tratamientos. Su aplicación se ha extendido a todo tipo de sectores como decoletaje, ferretería, material eléctrico, electrónica, automoción, estampación metálica, material de saneamiento y grifería. Los recubrimientos de níquel son una base muy apropiada para la mayoría de los recubrimientos decorativos como el cromo, el latón, la plata, el oro y otros más específicos. A partir  de ciertos espesores presenta buenas propiedades anticorrosivas. Por ello se utilizan tanto en aplicaciones decorativas , como la cerrajería y grifería, como en aplicaciones anticorrosivas y funcionales como son los componentes de automóviles y herramientas. El niquelado ha dejado de utilizarse por razones higiénicas, debido a que es un alérgeno (es una sustancia que puede inducir una reacción de hipersensibilidad (alérgica) en personas susceptibles, que han estado en contacto previamente con éste). El recubrimiento de níquel suele sustituirse por el paladio o la plata.

2

Fig: 1.2 Electrodeposición de Niquel

2. CELDAS ELECTROLITICAS 2.1. Pilas Voltaicas. La pila galvánica (o celda galvánica) también es llamada pila voltaica o pila electroquímica, en el uso común, la palabra "batería" incluye a una pila galvánica única, pero una batería propiamente dicha consta de varias celdas. Una pila galvánica consta de dos semipilas (denominadas también semiceldas o electrodos). En su forma más simple, cada semipila consta de un metal y una solución de una sal del metal. La solución de la sal contiene un catión del metal y un anión para equilibrar la carga del catión. En esencia, la semipila contiene el metal en dos estados de oxidación, y la reacción química en la semipila es una reacción redox. En una pila galvánica de un metal es capaz de reducir el catión del otro y por el contrario, el otro catión puede oxidar al primer metal. Las dos semipilas deben estar separadas físicamente de manera que las soluciones no se mezclen. Se utiliza un puente salino o una placa porosa para separar las dos soluciones. El número de electrones transferidos en ambas direcciones debe ser el mismo, los aniones también deben ser transferidos de una semicelda a la otra. Cuando un metal se oxida en una semipila, deben transferirse aniones a la semipila para equilibrar la carga eléctrica del catión producido. Los aniones son liberados de la otra semipila cuando un catión se reduce al estado metálico. Por lo tanto, el puente salino o la membrana porosa sirven tanto para mantener las soluciones separadas como para permitir el flujo de aniones en la dirección opuesta al flujo de electrones en el cable de conexión de los electrodos. El voltaje de la pila galvánica es la suma de los potenciales de las dos semipilas. Se mide conectando un voltímetro a los dos electrodos. El voltímetro tiene una resistencia muy alta, por lo que el flujo de corriente es realmente insignificante. Cuando un dispositivo como un motor eléctrico se conecta a los electrodos fluye una corriente eléctrica y las reacciones redox se producen en ambas semipilas. Esto continuará hasta que la concentración de los cationes que se reducen se aproxime a cero.

3

Fig:1.3 Celda Galvánica

2.2. Aplicación Industrial de Pilas Voltáicas. El principio fundamental del funcionamiento es extensamente utilizado en la industria de producción y refinado de metales. 2.2.1.

Producción de Metales

2.2.1.1. Producción de Soda Cáustica La soda o sosa cáustica (un producto químico importante para la fabricación de papel, rayón y película fotográfica) se produce por la electrólisis de una disolución de sal común en agua. La reacción produce cloro y sodio. El sodio reacciona a su vez con el agua de la pila electrolítica produciendo sosa cáustica. El cloro obtenido se utiliza en la fabricación de pasta de madera y papel. 2.2.1.2. Producción de Aluminio El aluminio es el elemento metálico más abundante en la corteza terrestre. Es un metal poco electronegativo y extremamente reactivo. Se encuentra normalmente en forma de silicato de aluminio puro o mezclado con otros metales como sodio, potasio, hierro, calcio y magnesio, pero nunca como metal libre. La bauxita, un óxido de aluminio hidratado impuro, es la fuente comercial de aluminio y de sus compuestos. Para la electrólisis del óxido de aluminio unido a la criolita (Na3Al F6) se emplean cubas de hierro recubiertas por carbón de retorta, que hace de cátodo y ánodos de grafito. Primero se coloca en el interior de la cuba, criolita y se acercan los ánodos a las paredes de la cuba, de esta forma se genera un arco eléctrico (1000 C°) que funde la criolita. Se añade entonces el óxido de aluminio y comienza la electrólisis. El cátodo se va consumiendo durante el proceso y aluminio fundido se deposita en el fondo de la cuba donde se retira por un orificio lateral, ubicado en la parte inferior de la misma. La ventaja de extraer o refinar metales por medios electrolíticos, es que el metal depositado es de gran pureza.

4

2.2.2.

Refinado de Metales Estos métodos se utilizan para refinar el plomo, el estaño, el cobre, el oro y la plata.

2.2.2.1. Refinado de Plomo Una fuente importante de obtención de plomo son los materiales de desecho industriales, que se recuperan y funden. El plomo en bruto suele purificarse removiendo plomo fundido en presencia de aire. Los óxidos de las impurezas metálicas suben a la superficie y se eliminan. Los grados más puros de plomo se obtienen refinando electrolíticamente. 2.2.2.2. Refinado de Estaño El estaño ocupa el lugar 49 entre los elementos de la corteza terrestre. El mineral principal del estaño es el SnO 2 (casiterita). En la extracción de estaño, primero se muele y se lava el mineral para quitarle las impurezas, y luego se calcina para oxidar los sulfuros de hierro y de cobre. Después de un segundo lavado, se reduce el mineral con carbono en un horno de reverbero; el estaño fundido se recoge en la parte inferior y se moldea en bloques conocidos como estaño en lingotes. El metal obtenido se purifica por fusión, liberándolo de su principal impureza: el hierro, alcanza así una pureza del 90%. Luego se lo refina electrolíticamente. 2.2.2.3. Refinado de Cobre El cobre puede encontrarse en estado puro, frecuentemente se encuentra agregado con otros metales como el oro, plata, bismuto y plomo, apareciendo en pequeñas partículas en rocas, aunque se han encontrado masas compactas de hasta 420 toneladas.. Este metal puede galvanizarse fácilmente como tal o como base para otros metales. El cobre ocupa el lugar 25 en abundancia entre los elementos de la corteza terrestre. La metalurgia del cobre varía según la composición de la mena. Las menas más importantes, las formadas por sulfuros, no contienen más de un 12% de cobre, llegando en ocasiones tan sólo al 1%, y han de triturarse y concentrarse por flotación. Los concentrados se funden en un horno de reverbero que produce cobre metálico en bruto con una pureza aproximada del 98%. 2.3.

Pila seca o de Leclanché: La pila primaria más común es la pila Leclanché o pila seca, inventada por el químico francés Georges Leclanché en la década de 1860. La pila seca que se utiliza hoy es muy similar al invento original. El electrolito es una pasta consistente en una mezcla de cloruro de amonio y cloruro de cinc. El electrodo negativo es de cinc, igual que el recipiente de la pila, y el electrodo positivo es una varilla de carbono rodeada por una mezcla de carbono y dióxido de manganeso. Esta pila produce una fuerza electromotriz de unos 1,5 voltios. Las pilas secas alcalinas son de diversos tipos: La pila seca zinc manganeso está constituida por 2 electrodos, uno de zinc y otro de MnO2, en medio alcalino y permite mayor diferencia de potencial y duración que la pila Leclanché. La pila seca alcalina Zn-HgO se utiliza como pila de referencia, ya que su potencial se mantiene constante durante largos períodos de tiempo siempre que se trabaje con bajas intensidades. La pila seca alcalina Cd-HgO presenta la ventaja adicional de que sus electrodos tan sólo reaccionan al descargarse, por lo que su duración es excepcionalmente larga. Cuando no se utiliza puede llegar a durar hasta 10 años.

5

Fig:1.4-Pila Seca.

2.4.

Pilas Electrolíticas En las pilas electrolíticas se requiere de una fuente externa de electricidad para producir una reacción química que no ocurre espontáneamente como en las pilas galvánicas. Si la reacción que ocurre espontáneamente en una pila galvánica es reversible, ésta se puede convertir en una pila electrolítica. Siendo para ello necesario introducir una fuente de energía eléctrica externa, que permita forzar a los electrones a circular en la dirección opuesta a través de un conductor externo.

2.4.1.

Aplicación industrial de las pilas electroliticas. La utilización de celdas electrolíticas como equipos en el tratamiento de aguas residuales se extiende a numerosas aplicaciones de recuperación de metal por  medio de la electrodeposición en el cátodo y rotura de complejos presentes en las aguas. La aplicación de sistemas de recuperación de metales por celdas electrolíticas implica una serie de ventajas evidentes: • • • •

•

Posibilidad de realizar dobles reacciones químicas (Ej. CuCN)  Ahorro en el consumo de reactivos químicos  Ahorro en Gestión de Lodos Bajo coste Energético Mantenimiento mínimo de los equipos.

El uso de celdas electrolíticas tiene aplicación en los siguientes sectores: Galvanotecnia: Electrodeposición de metales en el cátodo. Oxidación anódica de cianuro. Farmacia: Rotura de complejos. Minería /Química: Recuperación de metales preciosos. Sector de tintes: Eliminación de color.

6