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GUIA LABORATORIO QUIMICA INORGANICA CEMENTACION Fundamentos. El proceso de recuperación de un metal de solución acuosa mediante otro metal, se conoce como cementación. Su factibilidad se establece en término de los potenciales de electrodo. El metal con el potencial de oxidación mas positivo pasará a solución y desplazara al metal con potencial más negativo. Así por ejemplo, para la cementación del cobre en solución con el hierro, los potenciales de electrodo estándar corresponden a: Fe → Fe2+ + 2 eCu → Cu2+ + 2 e-

Eo = + 0,44 v Eo = - 0,337 v

Por lo tanto el hierro desplazará al cobre de la solución de acuerdo a la siguiente ecuación: Fe(s) + Cu2+(ac) → Fe2+(ac) + Cu(s)

Eo = + 0,44 - (-0,337) = + 0,817 v

Este proceso corresponde entonces a un sistema heterogéneo, en el que ocurre una clásica reacción de oxido reducción, la que es dirigida por la fuerza electromotriz, que según la ecuación de Nernst depende de las concentraciones de las especies iónicas:

[ [

0,053 Fe 2+ E=E − log n Cu 2+ o

[ [

] ]

0,053 Fe 2+ E = +0,81 − log 2 Cu 2+

] ]

Esta formula permite abordar el problema en forma cuantitativa, considerando que el proceso será espontáneo mientras la fuerza electromotriz tenga signo positivo. En la práctica el desplazamiento de los iones divalentes desde sus soluciones es completo sólo si la fuerza electromotriz de la reacción es mas positiva que 0,6 v. El cálculo de esta diferencia para condiciones extremas, indica que siempre será mayor a 0,6 v y en consecuencia la reacción entre el hierro metálico y el ión cúprico será completa (demuéstrelo). Para la reacción, la relación estequiométrica nunca se cumple y los consumos reales de hierro llegan a ser hasta 3 o 4 veces superiores. Esto se debe reacciones secundarias que ocurren durante el proceso, de las cuales ,las principales son:

1. Desplazamiento del hidrogeno 2 H+(ac) + Fe(s) →

Fe2+(ac) + H2(g)

2. Oxidación del ión ferroso con oxigeno: Fe2+(ac) + O2(g) + 4 H+ 2 Fe3+(ac) + Cu

→ Fe3+(ac) + 2 H2O

→ 2 Fe2+(ac)

+

Cu2+(ac)

2 Fe3+(ac) + Fe(s) → 3 Fe2+(ac) El ácido es consumido en este proceso. El hierro consume ácido de la solución pasando a sulfato ferroso y este a sulfato férrico. Si se consume demasiado ácido el hierro en solución hidrolizara y comenzará a precipitar como hidróxido ( a pH > 4,5 ). Es conveniente por lo tanto realizar el proceso de cementación del cobre con hierro en soluciones cuyo pH sea inferior a pH 3 con lo que se obtiene un producto de mejor calidad. Las condiciones bajo las cuales se debe realizar el proceso son las siguientes: ƒ ƒ ƒ

Se debe operar de manera que la cantidad de ácido libre corresponda a un pH entre 3,0 a 3,5 El proceso de be realizarse en el menor tiempo para evitar reacciones secundarias. Se debe utilizar agitación intensa, pero evitando la aireación de la solución.

Procedimiento Experimental. La solución de cobre proveniente de la etapa de precipitación del CuCl, sev deposita en un vaso de pp y se le agrega chatarra de hierro, con un exceso suficiente para poder pesar el hierro no consumido. Se deja transcurrir la reacción hasta que no exista cobre en solución (en este caso la precipitación es cuantitativa). Para aumentar la velocidad de la reacción se puede elevar la temperatura. Se filtra y se seca el cemento de cobre obtenido. La solución final se descarta.