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UNIVERSIDAD NACIONAL DE SAN ANTONIO ABAD DEL CUSCO FACULTAD DE ING: GEOLOGICA, MINAS Y METALURGICA ESCUELA PROFECIONAL DE ING: METALURGICA

Electrodeposición de cobre CURSO: FÍSICO QUÍMICA METALÚRGICA 2 PROFESOR: ORTIZ APELLIDOS Y NOMBRES: CJANAHUIRE CCOLQQUE PERCY ELVIS CÓDIGO: 150186 2018-II CUSCO- PERU

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Contenido Electrodeposición de cobre ......................................................................................... 3 1.- Objetivos ........................................................................................................... 3 2.-Marco teórico ..................................................................................................... 3 2.1.- Procesos electroquímicos ........................................................................... 3 2.2.- Procesos electrolíticos ................................................................................ 4 2.3.- Celda electrolítica ....................................................................................... 4 2.4.-Proceso de electrodeposición de cobre ........................................................ 6 2.5.-Reacción catódica ........................................................................................ 6 2.6.- Reacción anódica ....................................................................................... 6 2.7.- Reacción redox total: ................................................................................ 7 2.8.-Variables que afectan la electrodeposición de cobre ................................... 7 2.9.- Parámetros típicos para electrodeposición y electrorefinación de cobre.. 10 2.10.- Leyes de Faraday de la electrólisis ......................................................... 11 3.-Materiales y equipos ......................................................................................... 13 4.- Procedimiento .................................................................................................. 13 5.-Cálculos de cobre depositado (teórico) ............................................................ 13 6.- Calculo de cantidad de cobre depositado ........................................................ 15 7.- conclusiones .................................................................................................... 16

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Electrodeposición de cobre 1.- Objetivos

1) Extraer el cobre de una solución de sulfato de cobre utilizando la deposición electrolítica. 2) Identificar las reacciones que intervienen en el proceso. 3) Determinar la intensidad de corriente del proceso 4) Visualizar los fenómenos que ocurren durante el proceso 5) Calcular el peso depositado utilizando las leyes de la electroquímica. 12.-Marco

teórico

2.1.- Procesos electroquímicos Un proceso de naturaleza electro-química se caracteriza por presentar la realización simultánea de dos reacciones denominadas anódicas y catódicas. En la primera sucede una transformación química de oxidación y se liberan electrones. La reacción catódica involucra un proceso químico de reducción con participación de los electrones liberados en el ánodo y que viajan por conductores electrónicos (cables) que unen el cátodo con el ánodo. En la solución, no hay desplazamiento de electrones, sino que los iones se desplazan en la solución. Los aniones (-) van hacia el electrodo de carga positiva y los cationes (+) hacia el electrodo de carga negativa. El electrolito es un conductor iónico. Los procesos electroquímicos pueden ser clasificados en galvánicos y electrolíticos según sean o no espontáneos. Los primeros suceden en forma natural y la celda se denomina galvánica. Los no espontáneos o electrolíticos se realizan por medio de la aplicación de corriente externa y se realizan en una celda llamada electrolítica. En la figura 7, se ilustran ejemplos de celdas electrolíticas (A) y celdas galvánicas (B). Los procesos de electrodeposición de metales no son espontáneos y necesitan un aporte de energía eléctrica para ser forzados a ocurrir. La fuente de energía eléctrica debe proporcionar corriente continua o directa (DC) a la celda, permitiendo el flujo forzado de electrones entre el ánodo y el cátodo dónde son consumidos. En forma simple, la fuente de energía actúa como bomba impulsora de electrones que fluyen por los conductores y los electrodos.

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2.2.- Procesos electrolíticos Emplean la electrólisis y pueden realizarse a voluntad usando una fuente de energía eléctrica externa, de corriente continua o directa (f.e.m: fuerza electromotriz). Electrólisis es el nombre que recibe el proceso mediante el cual la energía eléctrica se emplea para producir cambios químicos mediante una reacción redox no espontánea, donde se hace pasar una corriente eléctrica. Se lleva a cabo en un contenedor llamado celda electrolítica. La electrólisis es uno de los principales métodos químicos de separación. La principal ventaja del método electrolítico consiste en que no es necesario aumentar la temperatura para que la reacción tenga lugar, evitándose pérdidas energéticas y reacciones secundarias. Industrialmente es uno de los procesos más empleados en diferentes áreas, como por ejemplo en la obtención de elementos a partir de compuestos (cloro, hidrógeno, oxígeno), la purificación de metales (el mineral metálico se disuelve en ácido, obteniéndose por electrólisis el metal puro) o la realización de recubrimientos metálicos protectores y/o con fines decorativos, como es el caso del niquelado. 2.3.- Celda electrolítica Los procesos electrolíticos tienen lugar en unidades llamadas celdas electrolíticas, las cuales se agrupan para constituir la planta electrolítica.

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En una celda electrolítica la reacción electroquímica se lleva a cabo por la imposición externa de un voltaje mayor al del potencial reversible de celda. También es posible la imposición de una corriente de electrólisis que permita la transformación electroquímica. Este tipo de celdas se utilizan en la electro-síntesis de diversos compuestos, en el análisis de parámetros fisicoquímicos o bien, en la dilución de mecanismos de reacción. El electrodo en el que ocurre la reducción se llama cátodo; mientras que el electrodo en el que ocurre la oxidación se llama ánodo. Por tanto, para que se lleve a cabo la reacción electroquímica se debe provocar una perturbación de carácter eléctrico y como consecuencia se obtiene una respuesta de tipo eléctrico, con información del compuesto analizado y los procesos de reacción en la interfase conductor sólido – disolución que acompañan a la reacción. a) Componentes de una celda electrolítica  

Celda electrolítica: Depósito, donde ocurre o se lleva a cabo la electrolisis. Contiene los electrolitos y los electrodos. Electrolito: Es la sustancia capaz de descomponerse por efecto de la corriente eléctrica, esto ocurre con aquellos compuestos iónicos o covalentes que en solución o fundidos se disocian en iones, y conducen la corriente eléctrica entre los electrodos.



Conductor eléctrico: Son los que llevan los electrones del ánodo al cátodo, por lo tanto, unen al cátodo con el ánodo.



Cátodo: Es el electrodo que lleva electrones a la solución electrolítica o electrolito y es donde ocurre la reducción; su carga es negativa. Los iones que van al cátodo se llaman cationes y son iones positivos.



Ánodo: Es el electrodo que saca electrones de la solución electrolítica, y es donde ocurre la oxidación; su carga es positiva. Los iones que se dirigen al ánodo, se llaman aniones y son los iones negativos. Pueden ser activos (solubles) o inertes (insolubles).

En los procesos electrolíticos se usan generadores de corriente continua o directa para forzar a las reacciones que ocurran, estas no son espontaneas.

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2.4.-Proceso de electrodeposición de cobre El proceso de electrodeposición de cobre consiste básicamente en la transformación electroquímica del cobre disuelto en un electrolito en cobre metálico depositado en un cátodo, mediante la utilización de energía eléctrica proveniente de una fuente externa. El cobre iónico (𝐶𝑢2+) del electrolito es depositado selectivamente sobre la superficie del cátodo y a la vez se descompone agua en oxígeno y ácido sulfúrico en la superficie de ánodos insolubles de plomo. Este proceso electrolítico y las reacciones involucradas se presentan esquemáticamente en la figura 11. Dado que el cobre es más bien un metal noble (𝐸0 = 0.34 𝑉), el proceso de electrodeposición es relativamente simple y puede ser realizado sin peligro de desprendimiento de hidrogeno (𝐸0 = 0 𝑉). 2.5.-Reacción catódica La reacción en el cátodo en la separación por electrolisis es la deposición de cobre en la lámina de acero inoxidable, ésta viene dada por: La reducción del ion cúprico: 𝑪𝒖𝟐+ + 𝟐𝒆 𝑪𝒖 𝑬𝒄𝟎 = 𝟎. 𝟑𝟒 𝒗 2.6.- Reacción anódica

En electro obtención de cobre, el ánodo es una aleación inerte que no participa en la reacción, pero que actúa solamente como soporte electrónico; de tal modo que la reacción principal es la descomposición de solvente según: La descomposición del agua:

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𝑯𝟐𝑶 = 𝟐𝑯+ + 𝟏𝟐 𝑶𝟐 + 𝟐𝒆 𝑬𝒂 𝟎 = 𝟏. 𝟐𝟑 𝒗 2.7.- Reacción redox total:

𝑪𝒖𝟐+ + 𝑯𝟐𝑶 𝑪𝒖 + 𝟏𝟐 𝑶𝟐 + 𝟐𝑯+ … Reacción iónica 𝑪𝒖𝑺𝑶𝟒 + 𝑯𝟐𝑶 𝑪𝒖 + 𝟏𝟐 𝑶𝟐 + … Reacción molecular Para realizar la electrólisis es necesario aplicar entre los electrodos una diferencia de potencial mayor que la diferencia de potencial mínima de electrólisis. Para la obtención en condiciones estándar esta diferencia de potencial mínima 2.8.-Variables que afectan la electrodeposición de cobre a) Efecto de la concentración de sulfato de cobre en el electrolito: A bajas concentraciones del electrolito la velocidad de difusión es lenta y, normalmente, es la que controla la totalidad del proceso. Es decir, el proceso completo es controlado por difusión y se favorece la producción de polvo. Lo opuesto ocurre a concentraciones altas del electrolito. La planta jamás debe operar con un contenido de cobre menor a 30 g/L en el electrolito a electrodepositar. Si el contenido baja de este valor la calidad de cobre catódico se deteriora y en consecuencia habrá un mayor contenido de azufre en el depósito, esto es causado por un cambio en la distribución y tamaño de los cristales depositados. La presencia de más de 50 g/L, puede provocar la formación de cristales de cobre en las tuberías.

b) Efecto de la concentración de ácido sulfúrico en el electrolito: La concentración en exceso de ácido sulfúrico produce corrosión del ánodo; y si por lo contrario; es poca la concentración, esto perjudica la calidad del depósito. Si la concentración sobrepasa los 180 g/L, la corrosión del ánodo es mayor, y es necesario incrementar el agua en el electrolito o reducir la adición de ácido. Si hay menos de 150 g/L, el cobre catódico depositado será blando y difícil de desmontar. También se reduce la conductividad del electrolito y por consiguiente aumenta el costo de la electricidad. c) Efecto de la temperatura del electrolito:

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Aumentando la temperatura se aumentan la velocidad de difusión y la tasa de crecimiento de los cristales. Ambos factores favorecen a la formación de un depósito más grueso. De esta manera, el aumentar la temperatura permitirá formar un depósito más coherente y grueso. Es importante mantener la temperatura tan constante como sea posible para minimizar el desprendimiento de óxido de plomo del ánodo (45 +/- 2ºC). Una temperatura menor de 30ºC, puede dar como resultado un grano más grueso y por consiguiente, un cobre catódico de menor calidad. Una temperatura de más de 50ºC puede degradar el orgánico en el proceso de extracción por solventes.

d) Efecto de la agitación del electrolito: Cuanto mayor sea el grado de agitación del electrolito, mayores son los tamaños de partícula depositados. Esto ocurre a causa de la disminución del espesor de la capa límite, lo que determina una mayor velocidad de difusión. El proceso, de esta manera, empieza a ser controlado por la reacción química y deja de ser difusional.

e) Efecto de la densidad de corriente: A bajas densidades de corriente la descarga del ion es lenta. Es decir, el proceso será controlado por la velocidad de reacción química. La tasa de crecimiento de los cristales es mucho mayor que la velocidad de nucleación. De esta manera, el producto será un depósito grueso. A densidades de corriente muy altas ocurre lo contrario. El rango de operación depende del cobre que llega a casa de celdas. Se varía cambiando la potencia del rectificador. A baja densidad de corriente (100 a 200 A/m2), se producen otros efectos en la calidad del cátodo (por ejemplo, baja temperatura, bajo contenido de cobre, etc.). El nivel óptimo es de 280 A/m2. A niveles de corriente de 280 a 300 A/m2, se puede obtener cobre catódico de buena calidad en condiciones constantes de operación.

f) Efectos del espacio de separación entre electrodos: Si la distancia es mayor que los valores especificados de separación entre electrodos, se forma una capa delgada, que cuando se procesa la placa no se despega. Si la distancia es menor, en la zona de alta densidad de corriente se forma una capa de crecimiento acordado o nodular. Se prefiere un cobre catódico liso.

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g) Efecto de la adicción de reactivos químicos en el electrolito: La adición de este tipo de productos tales como guartec, galactasol, guarfloc (floculantes), favorece el crecimiento de grano fino y por consecuencia se obtiene un depósito liso. Este fenómeno se logra por adherencia de este tipo de producto en protuberancias del depósito, generando sobrepotenciales locales en superficies deprimidas favoreciendo así el crecimiento del depósito en estas zonas, obteniéndose como resultado global un depósito liso. Reactivos Catódicos: Para mejorar la calidad de la deposición produciendo un grano fino y evitar el efecto de los nódulos, que son altamente captadores de impurezas; tales como azufre y plomo principalmente, es que se agrega al electrolito un reactivo especial, que es un floculante, cuya misión es decantar los sólidos en suspensión y que deben presentar un bajo contenido en los electrolitos, ya que su mayor presencia aumenta la viscosidad y mayor contaminación en el depósito. Otro reactivo que se agrega es el cloro como ácido clorhídrico, pero debe evitarse al máximo, pues, aunque se use en bajas concentraciones como 5 - 10 ppm, producirá en el tiempo un deterioro al nivel de la interface tanto en los cátodos como en los ánodos. Para el caso de los floculantes sólidos (derivados del guar), se usan en dosificaciones del orden de 200 - 300 gr de reactivo por tonelada de cobre depositado. Reactivos anódicos: Por naturaleza del electrolito y las reacciones que involucran la electrólisis es que se presenta en la celda siempre un alto potencial. Este alto potencial presenta una alta posibilidad de oxidación del plomo, transformándolo en un óxido de plomo, el cual es fácilmente solubilizable por la acción del ácido sulfúrico del electrolito, produciendo un desgaste y corrosión del ánodo de plomo y una contaminación de plomo en los cátodos por impregnación de partículas de óxido de plomo en el depósito. Para evitar esto, se agrega al electrolito sulfato de cobalto, cuya misión es estabilizar el óxido de plomo producido, manteniéndolo adherido al ánodo, formando una capa protectora e impidiendo por lo tanto su disolución. Es conveniente mantener el cobalto en el orden de 110 ppm, como concentración en el electrolito.

h) Efecto de la viscosidad del electrolito: A viscosidades bajas favorecen la velocidad de difusión de iones cúpricos a través de la capa límite, operacionalmente bajas viscosidades se logran manteniendo bajas concentraciones de impurezas en general y en particular de iones pesados y sales neutras. Esto se logra manteniendo un control estricto de traspaso de impurezas desde la etapa de extracción por solventes y realizando purgas o descartes periódicos de electrolito. (Conceptos teóricos y operacionales de electrodeposición.

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i) Efecto de la calidad de los electrodos en la electrodeposición de cobre: Cátodo: Las primeras plantas adoptaron el uso de láminas iniciales obtenidas sobre placas madres de acero inoxidable como las usadas en refinerías electrolíticas. Estas láminas eran obtenidas después de 24 horas a densidades de corriente de 160190 A/m2. Actualmente, se usan cátodos de acero inoxidable, el cual puede tener despegue manual o automático. Los cátodos de titanio tendrán difusión en la medida que el precio del titanio descienda. Ánodo: Inicialmente se usaron ánodos de plomo-antimonio. Sin embargo, por problemas de atrapamiento de orgánico fueron reemplazadas por ánodos de plomo-calcio. También se usan ánodos de plomo-estaño-estroncio y plomo-estañocalcio. Otro desarrollo en los ánodos se ha dirigido a minimizar la cantidad de plomo o aleación de plomo usada en ellos. La tendencia observada es hacia la obtención de aleaciones de plomo fáciles de moldear. Los ánodos de titanio encontraran aplicación industrial si su costo no es superior a un 25% sobre las aleaciones de plomo.

2.9.- Parámetros típicos para electrodeposición y electrorefinación de cobre.

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2.10.- Leyes de Faraday de la electrólisis La electrólisis es la descomposición que sufren algunos compuestos químicos cuando a través de ellos pasa corriente eléctrica. Tal vez el experimento de laboratorio más sencillo para ilustrar el efecto sea la electrólisis del agua (un compuesto de hidrógeno y oxígeno). Haciendo pasar una corriente continua a través de agua acidulada (agua con algunas gotas de ácido, para que conduzca la corriente eléctrica) en los electrodos (los contactos eléctricos) se forman burbujas de oxígeno e hidrógeno Primera ley de Faraday 1) El peso de una sustancia depositada es proporcional a la intensidad de la corriente (o sea, al número de electrones por segundo) y al tiempo que ésta circula. Donde: m = masa en gramos que se han depositado P = peso atómico del elemento n = número de electrones intercambiados I = intensidad de la corriente en amperios t = tiempo en segundos 96500 es el factor de equivalencia entre el Faraday y el Culombio. 1 F= 96500 C Una corriente de gran intensidad que circula a través del electrolito durante un tiempo depositará más sustancia que una corriente débil que actúe durante el mismo tiempo. Cuando se realiza, por ejemplo, la electrólisis de una solución de sulfato cúprico (CuSO4) sucede lo siguiente (fig.

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Al aplicar una diferencia de potencial a los electrodos, el ion cobre se mueve hacia el cátodo, adquiere dos electrones y se deposita en el electrodo como elemento cobre. El ion sulfato, al descargarse en el electrodo positivo, es inestable y se combina con el agua de la disolución formando ácido sulfúrico y oxígeno. 2Cu++ 2Cu ° - 4e2HO- O2 + 2H+ + 4e2Cu2SO4 + 2H2O 2Cu ° + 2H2SO4 + O2

Cuando la corriente es muy grande se deposita más cobre, pues más electrones han circulado permitiendo que iones cobre (Cu++) se conviertan en elemento cobre (Cu°). La segunda ley Faraday 2) El peso de una sustancia depositada durante la electrólisis es proporcional al peso equivalente de la sustancia. La segunda parte dice que cuando la misma corriente circula durante el mismo tiempo, las cantidades de sustancia depositadas dependerán de su peso equivalente. El peso equivalente de una sustancia es el número de unidades de peso de una sustancia que se combinarán con una unidad de peso de hidrógeno. En una molécula de agua, dos moléculas de hidrógeno, cada una de las cuales pesa una unidad, se combinan con un átomo de oxígeno, que pesa dieciséis unidades. De modo que si dos unidades de hidrógeno se combinan con dieciséis unidades de oxígeno, una unidad de hidrógeno lo hará con ocho unidades de oxígeno. El peso equivalente del oxígeno es, entonces, ocho, de manera que durante la electrólisis del agua se libera, en peso, ocho veces más oxígeno que hidrógeno. Cuanto mayor sea el peso equivalente de un elemento, mayor será el peso de él, que se depositará durante la electrólisis. Este fenómeno se aplica actualmente en la galvanoplastia y la extracción y purificación de algunos metales.

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3.-Materiales y equipos

 Solución de CuSO45H2O ELECTRODOS        

Ánodo y cátodo ( plomo y acero inoxidable.) Cuba 10 x 8 x 7 Conductores eléctricos Cocodrilos Termómetro Cronometro Fuente calorífica Rectificador de corriente

4.- Procedimiento

1. 2. 3. 4. 5.

Preparar los electrodos (limpieza) Calentar la solución de sulfato de cobre a 50c° Instalar la celda electrolítica con una solución de CuSO4 alimentar una tensión de 2 v con una densidad de corriente de 200Amp/m2 controlar un tiempo de proceso de 20 min medir los parámetros de operación y anotarlos.

solución AREA CuSO4

Ánodo

L

I

t(s)

Cátodo

7cmx1cm 7cmx7cm 5cm

0.98amp 2.5v

5.-Cálculos de cobre depositado (teórico)

I= J x A Q=IxT n°Eq − gr =

V

𝑄 … … . (1) 𝐹

13

20min

n°Eq − gr =

𝑚 𝐸𝑞−𝑔𝑟

……….. (2)

𝐸𝑞 − 𝑔𝑟 =

𝑀 𝑣

Igualando (1) y (2) 𝑄 𝑚 = 𝐹 𝐸𝑞 − 𝑔𝑟 𝑚=

𝑄(𝐸𝑞 − 𝑔𝑟) 𝐼𝑡𝑀 = 𝐹 𝐹𝑣

𝑚=

𝐼𝑡𝑀 𝐹𝑣 Calculando masa depositada en tiempo = 20min, 30min, 40min, 60min y 120min.

𝑚=

𝐼𝑡𝑀 𝐹𝑣 1. Para t=20min

63.5𝑔𝑟 (0,98𝐴𝑚)(1200𝑠) ( ) 𝑚𝑜𝑙 𝑚= (96500𝐴𝑚𝑝. 𝑠)(2) 𝑚 = 0.3869𝑔𝑟 2. Para t=30min 𝑚=

𝐼𝑡𝑀 𝐹𝑣

63.5𝑔𝑟 (0,98𝐴𝑚)(1800𝑠) ( ) 𝑚𝑜𝑙 𝑚= (96500)(2)

𝑚 = 0.5804𝑔𝑟 3. Para t= 40min

𝑚=

𝐼𝑡𝑀 𝐹𝑣

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63.5𝑔𝑟 (0,98𝐴𝑚)(2400𝑠) ( ) 𝑚𝑜𝑙 𝑚= (96500)(2) 𝑚 = 0.7738 gr

4. Para t=60min 𝑚=

𝐼𝑡𝑀 𝐹𝑣

63.5𝑔𝑟 (0,98𝐴𝑚)(3600𝑠) ( ) 𝑚𝑜𝑙 𝑚= (96500)(2) 𝑚 = 1.1589gr 5. Para t= 120min 𝑚=

𝐼𝑡𝑀 𝐹𝑣

63.5𝑔𝑟 (0,98𝐴𝑚)(7200𝑠) ( ) 𝑚𝑜𝑙 𝑚= (96500)(2) 𝑚 = 2.3215𝑔𝑟 6.- Calculo de cantidad de cobre depositado

En gr en tiempo de 20, 30, 40, 60, 120 minutos y graficar la curva en Excel.

t(s)

W (peso gr)

20min= 1200s

0.3869𝑔𝑟

30min= 1800s

0.5804𝑔𝑟

40min= 2400s

0.7738gr

15

1.1589gr

120min7200s

2.3215𝑔𝑟

MASA DEPOSITADA

60min= 3600s

masa depositada vs tiempo 2.5 2 1.5 1 0.5 0 20min

30min

40min

60min

120min TIEMPO

7.- conclusiones

Es importante controlar los variables que afectan la electrodeposición de cobre como la densidad de corriente, distancia entre electrodos, la temperatura, concentración de sulfato de cubre y ácido sulfúrico, Para obtener cobre con buenas propiedades físicas y químicas.

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