Se llama en este caso > en la ecuación (1) y > en la ecuación (2); este convenio se ha utilizado mucho, especialmente en los Estados Unidos, por gran número de químicos físicos y de químicos analíticos. Según el convenio utilizado, el signo del segundo término de la ecuación de Nernst es positivo o negativo. En un esfuerzo para llegar a un acuerdo constante respecto a los potenciales de electrodos, La Unión Internacional de Química Pura y Aplicada (IUPAC) adopto un informe de la Comisión de Electroquímica y de la Comisión de Símbolos de Terminología Fisicoquímica, titulado . Los principales aspectos del informe de la IUPAC se resumen a continuación. La fem de la célula es igual en magnitud y signo al potencial eléctrico del conductor metálico de la derecha cuando el de un conductor metálico similar al de la izquierda se toma como cero estando la célula en circuito abierto. Según la formulación anterior de la célula, la reacción de la célula Zn [pic] Cu++ [pic] Zn++ [pic] Cu Es espontanea de izquierda a derecha cuando se cierra el circuito y la fem es positiva. Si la célula se formula en dirección inversa, es decir: Cu l Cu++ ll Zn++ l Zn La ecuación correspondiente es: Cu
[pic] Zn++ [pic]
Cu++
[pic] Zn
La reacción de la célula es espontanea de derecha a izquierda ya la fem es negativa. En cualquier caso, la reacción consiste en la reducción del Cu++ por el Zn. La fem de una semicelula, por ejemplo, Zn++, Zn, es la fem de una célula formada por electrodo normal de hidrogeno situado a la izquierda y la semicelula que se considera ala derecha; asi, Pt l [pic](1 atm) l H+ (a = 1) ll Zn++ l Zn Para la que la reacción en la célula es [pic] Zn++ [pic] 2H+ [pic] Zn Según el criterio anterior, esta reacción tiene lugar de derecha a izquierda la fem de la célula es negativa, y si Zn++ y Zn presentan actividad unida, la fem es -0.763 v; este valor, con su signo, es el potencial normal de la semicelula Zn++, Zn. La semicelula representada por Zn, Zn++ implica la existencia de una célula cuyo electrodo de la derecha es le electrodo normal de hidrogeno y la fem es +0.763 v, pero esta fuerza electromotriz no representa el potencial de electrodo, sino la fem de la semicelula. La IUPAC respeta, pues la existencia de signos contrarios para la fem y la
posibilidad de que la semirreaccion se verifique en dos direcciones, pero reserva la denominación de potencial para la fem de la reacción de la semicelula escrita en la dirección de la reducción, entendiéndose que la semicelula en c uestión contiene el electrodo de la derecha de una célula cuyo electrodo de la izquierda es el electrodo normal de hidrogeno. En este texto se utilizara el convenio de Estocolmo (IUPAC), mediante la aplicación de las siguientes reglas: 1.- Todos los potenciales de semicelula se referían al electrodo normal de hidrogeno, al que se asigna arbitrariamente un potencial cero a cualquier temperatura; en este punto todos los criterios están de acuerdo. 2.- Las ecuaciones de las reacciones de semicelula deben escribirse en forma general. Ox + ne
[pic]
Red
En que Ox y Red representan, respectivamente, las especies oxidada y reducida del sistema que se considere. 3.- El potencial de semicelula es positivo si la forma reducida del sistema es reductor más fuerte que el hidrogeno. Por ejemplo, la semicelula Zn++, Zn tiene un potencial normal Eº= -0.763 v; el zinc metálico es un reductor más fuerte que el hidrogeno y el potencial será negativo. A la semicelula Cu++, Cu corresponde Eº = +0,337 v; el Cu++ es un oxidante más fuerte que el ion H+ y el potencial es positivo. En las semicelulas ion metálico-metal el signo del potencial corresponde a la carga electrostática del metal y a la polaridad de la semicelula respecto al electrodo normal de hidrogeno. 4.- La fem de una célula está relacionada con su representación y con los correspondientes potenciales de semicelula y, teniendo en cuenta la dirección de la reacción espontánea que tiene lugar en la célula, puede obtenerse algunas conclusiones. Estas conclusiones exigen también la adopción de reglas especificadas: (a) La célula debe representarse mediante un diagrama. Por ejemplo, suponiendo a los iones en estado patrón (actividad unidad), la célula representada en el ANEXO 1 debe representarse por el diagrama: Zn l Zn++ (1M) ll Cu++ (1M) l Cu (b)La ecuación ion-electrón que tiene lugar en la semicelula de la derecha debe escribirse en primer lugar, en la forma convenida, juntamente con su potencial, E. (Si todas las sustancias se encuentran en estado patrón, ósea tienen actividad unidad, el potencial es el potencial normal, Eº.) (c) La ecuación ion electrón de la semiceula de la izquierda debe escribirse en segundo lugar, también en la forma convenida y juntamente con su potencial E.
(d) La segunda ecuación (semicelula de la izquierda) deberá restarse de la primera (semicelula de la derecha) transponiendo las sustancias que en ella figuran a miembros opuestos de la ecuación para evitar signos negativos en la ecuación final que representa la reacción total de la célula. Esta ecuación total debe quedar ajustada en cuanto a los electrones intercambiados. (e) El segundo valor E se restara del primero para obtener el voltaje de la célula, [pic] Nota: Aunque una o las dos ecuaciones ion-electrón tengan que multiplicarse p or un numero entero para conseguir la igualación del número de electrones puestos en juego en ambas semirreacciones, los valores de E para una semicelula determinada es independiente de cualquier otra semicelula con que la primera se combine. (f) El signo (+ o -) de [pic] es la polaridad del electrodo de la derecha en el diagrama de la célula. (g) Si [pic] es positivo, la reacción representada por la célula es espontanea en la dirección de izquierda a derecha si la ecuación se escribe según la forma. (d); si [pic] es negativo, la reacción es espontanea de derecha a izquierda. Ejemplo Sea la célula: Zn l Zn++ (1M) ll Cu++ (1M) l Cu Eº = -0.763 v Eº = +0.337 v Si los solutos se encuentran en estado patrón actividad unidad, es decir, las dos semicelulas están formadas por metales puros y disoluciones 1 M de sus i ones, los potenciales de los electrodos son sus potenciales normales, Eº
(1) – (2)
(1)
Cu++
[pic] 2e
[pic]
Cu
[pic] = +0.337v
(2)
Zn++
[pic]
[pic]
Zn
[pic]= - 0.763v
Cu++
[pic]
Zn
2e
[pic] Zn++ [pic] Cu
Eº = +1.100 v
Como [pic] es positivo, se deduce que el electrodo del a derecha es electrodo positivo y que la reacción de la célula es espontaneo de izquierda a derecha, tal como suscribe la ecuación. Si la célula se hubiese esquematizado invirtiendo el orden de las semicelulas con las mismas normas indicadas se obtendría la expresión final: [pic] En cualquier caso se concluye que el metal cobre sumergido en la disolución de [pic]es el electrodo positivo y que la reacción espontánea correspondiente es la reducción del
[pic]por el Zn y la oxidación del Zn por él [pic]. Una de las ventajas del convenio de la IUPAC es que la polaridad de un electrodo de una célula galvánica tiene el mismo signo que el potencial de semicelula de dicho electrodo bajo las condiciones (concentración, etc.) especificadas en el esquema de la célula. En el comportamiento de la izquierda se coloca una disolución acida de una sal ferrosa por ejemplo, FeSO4 y el comportamiento de la derecha se pone una disolución acida de KMnO4. Si se añade un poco de tiocianato potásico a esta disolución, se observara como la disolución se pone en los alrededores del electrodo del platino al cerrar el circuito, demostrándose la formación de Fe+++ por oxidación de Fe++. En el comportamiento de la derecha tiene lugar a una decoloración de la disolución en los alrededores del electrodo debido a la reducción del MnO-4 a Mn++ incoloro. El diagrama de la célula del ANEXO 2 es: Pt | Fe+++ , Fe++ ll MnO-4, Mn++, H+ |Pt Siguiendo las normas antes establecidas y suponiendo que todos los solutos tienen actividad unidad (1M), se deducen la reacción y la fem: 1)
MnO-4 + 8H+ + 5e [pic] Mn++ + 4H2O
2) E°2 = +0.77 v
Fe+++
E°1 = +1.51 v
+ e [pic] Fe++
(1) – (2) 5Fe++ + MnO-4 + 8H+ [pic] 5Fe+++
+ Mn++ + 4H2O E°cel = +0.74 v
[4] 7.4.1 RELACION ENTRE POTENCIAL Y CONCENTRACION: ECUACION DE NERNST En 1889 Nernst formulo una expresión que relaciona el potencial de una semicelula con las concentraciones que contiene. Para el caso general. Ox ne
↔ Red
La ecuación de Nernst es: [pic] E es el potencial de semicelula, R es una constante que tiene el valor 8.314 julios por grado, T es la temperatura absoluta, n el número de electrones que intervienen en la reacción de la semicelula, F el Faraday (96.493 culombios) y [pic],[pic] las concentraciones molares (más exactamente, las actividades) de las formas reducida y oxidada del sistema
implicado en la semirreaccion. Para una temperatura de 25° C (298° K) y utilizando el factor 2.303 de conversión de logaritmos naturales en decimales, la ecuación de Nernst se convierte en: [pic] [pic] 7.4.2 POTENCIALES NORMALES Como el potencial de un electrodo varia con las concentraciones de las sustancias que reaccionan, para disponer de una base de comparación entre los distintos potenciales de semicelula, es necesario definir un estado patrón en que todas las sustancias intervengan con actividad unidad en la reacción. 1.- Un líquido o un sólido puros están en su estado patrón o de actividad unidad. Por ejemplo, en la semicelula Zn++, Zn, el zinc metálico tiene actividad unidad. 2.- Un gas se encuentra en estado normal cuando su presión es de 760 mm de mercurio (una atmosfera) a 0° C. 3.- Un soluto, por ejemplo, un ion, está en estado normal cuando sus actividad unidad. La actividad, a, viene dada por la relación a = Cf, siendo C la concentración molar y f el coeficiente de actividad, que depende de la fuerza iónica de la disolución. Debido a ciertas reacciones, como la hidrólisis y la formación de complejos, gran parte de los iones metálicos sencillos no tienen existencia en medio acuosa cuando su actividad alcanza el valor 1. 4.- Un soluto poco soluble, como AgCl, está en estado patrón cuando su concentración en la disolución es su solubilidad, es decir, cuando su disolución está saturada. 5.- Un gas disuelto está en estado normal cuando su concentración en la disolución es su solubilidad a una atmosfera de presión y 0° C. Volviendo a la ecuación de Nernst, cuando los reactivos se encuentran en estado patrón o actividad unidad la relación [pic]/[pic] = 1/1, y su logaritmo es cero. Entonces, E es igual a la contante de la ecuación de Nernst. Esta constante, que se designa con el símbolo E°, es el potencial normal de la semicelula. La ecuación de Nernst puede escribirse en la forma: [pic] Para las semicelulas formadas por un metal en contacto con una d isolución de sus iones;
Mn ne ↔ M
[pic] [pic] Pues el metal presenta actividad unidad; el potencial depende solamente de la concentración del ion metálico en la disolución. C omo el potencial depende de las condiciones, es importante al formular las células indicar dichas condiciones. Por ejemplo : Zn| Zn++ (0.10 M) ||H+ (1 M) |H2 (1 atm) | Pt Pt | Fe++ (1 M), Fe+++ (0.1 M) || Mn++ (1 M), MnO-4 (0.1 M), H+ (1 M) | Pt
8. MARCO PRÁCTICO. BAÑOS PARA JOYERIA 8.1 BAÑOS DE PLATA Se aconseja el uso de dos baños uno para comenzar el plateado y el otro para acabar la operación. Los metales que mejor reciben un recubrimiento de plata son el cobre y sus aleaciones y el níquel; los demás como el zinc, hierro, acero, plomo y sus aleaciones, etc. No pueden mantener un depósito adherente, de aquí que se recurra a un cobreado previo o a un baño preparatorio conocido como toque de plata. Las soluciones de toque se practican para evitar entonces, la poca adherencia y son soluciones electrolíticas con bajo contenido de plata y alto contenido de cianuro; esta combinación produce tan baja concentración del ion plata en la solución que la tendencia al depósito de plata por precipitación o desplazamiento químico, se reduce o e limina. Se emplea una alta densidad de corriente para contrarrestar cualquier tendencia del metal base a convertirse en solución (8 a 10). Para platear electrolíticamente aceros, se aplica dos soluciones de toque de p lata, conocidas como primer y segundo toque. Para platear sobre níquel, bronce, latón o c obre se emplea un solo toque. Otro método de evitar la precipitación o cementación de plata, consiste en recubrir el metal base con otro metal que reaccione mejor con un baño de plata, en este caso se estila la inmersión de la pieza a platear en una solución de cloruro mercúrico, para aprovechar las propiedades de malograrían del mercurio, obteniéndose una de metal base-mercurio logrando una buena unión al efectuar el plateado electrolítico.
Otro método recomendado para dar un acabado fino, es aquel que emplea dos baños más después del baño de toque. La composición del primero es la siguiente: Cianuro de potasio Cianuro de plata Carbonato de sodio Agua
420 g 70 g 100 g 2 litros
Con el primer baño se obtiene un buen depósito, pero grueso y con el segundo se le da el acabado fino. En el primer caso la tensión debe ser entre 4 y 6 voltios y en el segundo alrededor de los dos voltios. Los ánodos deben ser de plata pura y sumergidos completamente en el baño, deben conectarse a la fuente con conductores de cobre plateados para evitar la contaminación del baño; su superficie debe ser igual a la superficie del objeto a platear y la distancia ánodo no menor de 10 cm. 1. SOLUCIONES EMPLEADAS a) Primer toque de plata en acero. Cianuro de plata Cianuro de potasio Cianuro de cobre
1.7 g/l 75 g/l 15 g/l
b) Segundo toque para acero o primer toque para níquel, bronce, latón. Cianuro de plata Cianuro de potasio Carbonato de potasio
6.6 g/l 75 g/l 15 g/l
c) Baño de soluciones mercúricas. Cloruro Mercúrico Cloruro de amonio
7.5 g/l 4 g/l
d) Otra fórmula de soluciones mercúricas. Ácido mercurios Cianuro de sodio
7.5 g/l 60 g/l
e) Plateado Simple Cianuro de plata Cianuro de sodio
25 g/l 50 g/l
f) Baño de plata ordinario con abrillantador. Cianuro de plata 36 g/l Cianuro de potasio 60 g/l Carbonato de potasio 45 g/l Bisulfuro de carbono (abrillantador) 0,001 g/l g) Baño de Plata concentrado con abrillantador y en caliente Cianuro de plata Cianuro de potasio Carbonato de potasio Hidróxido de potasio Bisulfuro de carbono
36 g/l 60 g/l 45 g/l 11 g/l 0,001 g/l
El abrillantador mas empleado es el bisulfuro de carbono que se añade en pequeñas cantidades al baño electrolítico cianurado; se debe considerar que se evapora gradualmente sobre todo en baños calientes, por lo que debe añadirse con cierta frecuencia. Estos abrillantadores solo se emplean para capas finas de plata, y en caso de que el depósito debe tener un espesor considerable, primero se platea en la forma corriente y recién entonces se lleva el objeto al baño abrillantador para el acabado.
8.1.2 PREPARACION DE BAÑOS DE PLATA. Una forma tradicional de preparar los baños de plata más comunes es la siguiente: Disolver 100 g de Nitrato de plata en 5 litros de agua, en otros 5 litros 200 de cianuro de potasio; mesclar bien ambas soluciones y hacer hervir por media hora. Luego de esto la solución se tornara clara y en el fondo del recipiente se formara un precipitado negro. Esta es una manera muy empírica, pero muy eficiente. El precipitado lavado en un exceso de cianuro potásico disuelto, da como resultado una composición final aproximada de 90 g/l de cianuro de potasio y de 7.5 g/l de cianuro de plata. Debe evitarse agregar un exceso de acido. Se coloca el precipitado en un filtro de tela fina de algodón, y una vez pasado el líquido, se lava el precipitado en el mismo filtro. Se disuelve 240 g de cianuro potásico puro en agua y se agrega el cianuro de plata, desprendido cuidadosamente del filtro; se agita bien y si no se disuelve del todo se agrega más cianuro potásico hasta completa disolución, sin dejar de agitar. Se espera a que se asienten las impurezas y ya puede usarse el baño. Este es esencia un baño de toque pues
el mencionado anteriormente representa uno de plateado, en el baño de toque hay mayor cantidad de cianuro de potasio y menos plata, la corriente ha de ser algo más intensa.
8.2 VARIABLES ELECTROLITICAS Y SU COMPORTAMIENTO Los baños de plata comúnmente utilizan una tensión 1.8 voltios una densidad de corriente de 0.3 A/ cm y una distancia ánodo cátodo de 15 cm. Cuando los ánodos son demasiado grandes con respecto a la superficie a platear la proporción de la plata aumenta, mientras disminuye la del cianuro libre, sucediendo lo contrario cuando el ánodo es más pequeño. Las soluciones demasiado densas son de difícil regulación. Como las capas más bajas del baño tienden a ponerse más ricas en plata que las superiores es necesario con frecuencia invertir los objetos durante el plateado, para obtener un espesor uniforme de plata. Con el mismo fin, los objetos pequeños deben moverse lo mas posible mientras se están plateando. Si la solución supera la densidad limite debe diluirse con agua, s i el baño es muy diluido es menos conductor y el depósito se efectúa lentamente. Si el baño es pobre en cianuro libre se obtiene un depósito granuloso por baja conductividad. Los recipientes empleados deben lo suficientemente altos para que queden unos 10 cm de líquido por encima de los objetos sumergidos, cuya distancia al fondo y a las paredes deben ser aproximadamente la misma, para obtener un deposito uniforme sobre toda la superficie. Si alguna vez el depósito no es blanco, sino que tiende hacia el amarrillo o el encarnado, es debido a impurezas; el tinte amarrillo se debe a la presencia de cianuro básico de plata, el otro al cobre. El color del depósito y las condiciones del baño se pueden mejorar vertiendo amoniaco en este último, para evitar el exceso de cianuro libre. El peso específico del baño debe variar de 5 a 15 Be. Si operando en condicione ordinarias, se obtiene un deposito blanco pero sin el brillo de la plata, se agrega 5 gramos de sulfuro de carbono por litro para que en la última fase del plateado la electrolisis se haga más lenta. Posteriormente se enjuagan con abundante agua cepillando los objetos con un cepillo suave. Después se sumergen, a veces, en una solución mercúrica y se vuelven a lavar. De este modo queda el metal cubierto con una película de mercurio que asegure una adherencia perfecta de la plata. 8.3 PARAMETROS-OPERACIONALES
A excepción del baño de plata concentrado con abrillantador en caliente, empleado para objetos pequeños y con preferencia si son de acero, hierro, zinc, plomo o estaño, previamente cobreados, es más generalizado el uso de baños a temperatura ambiente que va de 27 a 30 grados centígrados. Los baños calientes requieren una corriente algo más intensa sobre todo si los objetos se mueven. Las soluciones de toque operan con densidades de corriente relativamente altas de 8 a 10 A/dm. Para evitar que el metal base se disuelva; en cambio el plateado simple y el ordinario en frio utilizan de 0.5 a 1.5 A/dm y de 5 a 15 A/dm de densidad de corriente respectivamente. En el caso del baño caliente la densidad de corriente va de 8 a 11 A/dm y con una temperatura de 45 a 50 grados centígrados. En todos los casos la relación ánodo cátodo debe ser 1 a1 y la tensión menor de 6 voltios. En los baños fríos la agitación debe ser suave y en los calientes debe ser vigorosa. Con estos últimos el espesor obtenido va de 10 a 60 micras, en el plateado simple de 2 a 30 micras y en el baño frio con abrillantador esta entre 5 y 50 micras.
8.4 CONTROL DE BAÑOS Los baños de plata que se encuentran en funcionamiento son exclusivamente baños cianurados. Han sido propuestos baños de yoduro y de sulfocianuro, pero con aplicación hasta hora muy limitada. Los constituyentes fundamentales de los baños de plateado cianurado son el cianuro doble de plata y potasio, el cianuro potásico libre y el carbonato potásico. Se toma una muestra de 10 a 20 cc. De baño y se diluye en un vaso con una cantidad doble de agua destilada. Se va añadiendo una solución de nitrato de bario hasta que cese la formación de precipitado, se hierve para conseguir que este esté constituido por cristales groseros, se filtra y se ensaya si con más nitrato de bario sigue precipitando. Si no es este el caso, se lava el precipitado en el filtro con agua destilada hasta que una muestra del agua del lavado evaporada a sequedad no deje residuo. La determinación del contenido de plata se realiza por vía electrolítica o volumétrica. Volumétricamente, si no se trata de un baño viejo fuertemente impurificado, se puede emplear directamente la solución de baño. Si el baño es rico en cobre o contiene otros metales pesados, es preciso hervir la muestra con acido nítrico, con el fin de destruir los cianuros complejos, precipitar la plata como cloruro con clorhídrico diluido, con el cobre y los otros metales pesados quedan en disolución, y redisolver el cloruro de plata en amoniaco. Cuando toda la plata se halla combinada como tal, la gota siguiente forma sulfocianuro de hierro de color rojo. Si se quiere trabajar con exactitud extremada, os si se ha
rebasado el punto de equivalencia se puede hacer desaparecer la coloración con solución decinormal de nitrato de plata y entonces restar los cc consumidos de esta última solución de los empleados anteriormente de sulfocianuro.
8.5. RECUPERACION DE PLATA DE SUS SOLUCIONES Mientras que la recuperación de la plata de las soluciones acidas se basa en diluirlas 5 veces con agua, agitarlas y hacerlas reaccionar con acido clorhídrico, a fin de precipitar el cloruro de plata que luego es filtrado y vuelto a utilizar; la recuperación de la plata de las soluciones al cianuro puede efectuarse de diversas maneras. El método más simple es el de evaporar la solución al cianuro hasta secarlo y calcinar el residuo, agitado constantemente, con sosa calcinada y carbón de leña en polvo. El producto resultante es finalmente fundido en un crisol y la plata se recoge en el fondo otro método mas cómodo para el galvano técnico se efectúa agregando a la solución del baño de cianuro, filtrada y agitada con acido sulfúrico poco a poco hasta reacción acida, volviendo rosa el tornasol azul; realizando la operación con las debidas precauciones para protegerse de la acción nociva del acido cianhídrico que se genera. La plata precipitada como cianuro de plata, que se separa por filtración. 8.7 CALCULO DE POTENCIA Y DE LA FEM EN CONDICIONES NO NORMALES. Cuando las sustancias no se encuentran en estado normal o actividad unidad el potencial de semicelula se calcula con la ecuación de Nernst, utilizando el potencial normal y las concentraciones; él [pic] es entonces la diferencia entre los potenciales de semicelula. Ejemplo Sea la célula: Pt | Cr++ (0.001 M), Cr+++ (1 M) || V+++ (0.01 M), V++ (1 M) | Pt E° = -0.41 v
E° = -0.26 v
Para la semicelula de la derecha: [pic] = -0.26 – 0.0591 log 1/0.01 [pic]-0.26 – (0.0591 × 2) = -0.26 – 0.12 = -0.38 v Para la semicelula de la izquierda: [pic] = -0.41 – 0.0591 log 0.001/1 [pic]-0.41 – (0.0591 × 3) = -0.41 – 0.18 = -0.23 v
Por lo tanto: (1)
V+++
(2)
+ e ↔ V
Cr e ↔ Cr V Cr ↔ V Cr
*pic+ = -0.38 v *pic+ = -0.23 v
(1)-(2) [pic] = -0.15 v La fem de la célula puede calcularse de una forma un poco distinta, aunque fundamentalmente idéntica a los cálculos anteriores. [pic]
[pic]
[pic] [pic] [pic] [pic] = [pic] [pic] [pic] = -0.26 –(-0.41) – 0.0591 log[pic] [pic] = -0.26 + 0.41 – 0.0591 log105 [pic] = +0.15 – (0.0591 × 5) = -0.15 v Como [pic] es negativo, la reacción de la célula es espontanea de derecha a izquierda; es decir, el [pic] es reducido por él [pic] en las condiciones dadas de concentración. El electrodo de platino sumergido en la solución de vanadio actúa como negativo. Por el contrario, se observa que cuando todas las sustancias se encuentran en estado normal,[pic] = -0.26 – (-0.41) = +0.15 v; el [pic] reduce al [pic] y el electrodo sumergido en la disolución de vanadio es el positivo. ----------------------[1] Vogel; Química Analítica [2] www.wikipedia.com [3] Rosenberg, Jerome; Química General; Mc Graw-Hill; 2000 *4+ Apuntes Curso de especialización en recubrimientos metálicos. ‘‘Facultad de Ingeniería UMSA 1989’’.clase química