Electrolisis del cobre
Santiago Nicolás Guerrero Rojas José Daniel Muñoz Rivera
Universidad Pedagógica y Tecnológica de Colombia Ingeniería Metalúrgica Tunja, 1 de Diciembre de 2017
Electrolisis del cobre
Santiago Nicolás Guerrero Rojas José Daniel Muñoz Rivera
Presentado a: Ing. M.Sc. Sara M. Barroso
Universidad Pedagógica y Tecnológica de Colombia Ingeniería Metalúrgica Tunja, 1 de Diciembre de 2017
Introducción
La electrolisis es un proceso mediante el cual se logra la disociación de una sustancia llamada electrolito, en iones (aniones y cationes), gracias al paso de una de corriente eléctrica. Hay dos tipos de electrolitos, fuertes y débiles. Los más utilizados en la electrolisis son los electrolitos fuertes formados por todas las sales, ácidos fuertes e hidróxidos fuertes. Como bases fuertes el hidróxido de Sodio, Potasio, Calcio y Magnesio. y ácidos fuertes tenemos al ácido clorhídrico, sulfúrico, nítrico y perclórico. Este proceso se lleva a cabo en una celda electrolítica, formada por dos electrodos de un metal inerte, por ejemplo Platino o Paladio. Conectados a una fuente de energía eléctrica. El circuito lo cierra justamente la sustancia que se va a disociar en iones, el electrolito. En algunos casos, cada electrodo se ubica en un vaso distinto por separado. Cuando esto sucede se usa un puente salino que los conecta, siendo una especie de tubo en U con una sustancia iónica como una sal que permite el flujo constante de cargas. La electrólisis del cobre consiste en hacer pasar una corriente eléctrica por una solución de ácido sulfúrico y agua. El ion sulfato de la solución comienza a atacar el ánodo de cobre formando una solución de sulfato de cobre (CuSO4) denominada electrolito. Al aplicar una corriente eléctrica, los componentes de la solución se cargan eléctricamente produciéndose una disociación iónica en la que el anión sulfato (SO4-2) es atraído por el ánodo (+) y el catión (Cu+2) es atraído por el cátodo (-). El anión SO4-2 ataca al ánodo formando sulfato de cobre, el que se ioniza en la solución por efecto de la corriente eléctrica, liberando cobre como catión que migra al cátodo, y se deposita en él.
Figura 1. explicación montaje cátodo y ánodo obtención de cobre
Objetivos
Objetivo general Obtener cobre mediante la descomposición por electrólisis. Objetivos específicos
Armar una celda electrolítica.
Disociar una sustancia llamada electrolito, en sus iones constituyentes (aniones y cationes), gracias a la administración de corriente eléctrica.
Producir una reacción química mediante una corriente eléctrica producida por una fuente externa.
Materiales y métodos
Materiales y equipos Vasos de precipitado. Fuente. Caimanes eléctricos. Licor extraído de la lixiviación (CuSO4) (filtrado). Ánodo (laminilla de platina, plomo, grafito o cobre). Cátodo (laminilla de cobre o acero inoxidable).
Implementos de seguridad Bata. Guantes. Tapabocas. Gafas de seguridad
Practica experimental
Se realizó la lixiviación del mineral de cobre obtenido de la tostación en un agitador mecánico en una solución de agua (H2O) y en una solución de ácido sulfúrico (H2SO4).
Figura 2. Lixiviación mineral de cobre
Después de realizada la lixiviación, se deja decantar la solución y se extrae el sulfato de cobre (licor) obtenido por medio de filtración.
Figura 3. Filtración de sulfato de cobre Después de extraído el licor, se procedió a realizar el montaje de la celda galvánica. Las laminillas seleccionadas para la electrolisis fueron el ánodo (plomo) y el cátodo (acero inoxidable), se adiciono el licor en el vaso de precipitado y se ubicaron el ánodo y el cátodo en el electrolito conectados a una fuente de energía con la ayuda de caimanes eléctricos.
Figura 4. Montaje celda
Encender la fuente de acuerdo a: E° = Ec – Ea E° es el potencial de la fuente. Ec es el potencial de reducción del cátodo. Ea es el potencial de reducción del ánodo. Estos datos se consiguen en una tabla de potenciales estándar de reducción. Se deja actuar la corriente por 12 horas, confirmando que la recuperación de cobre se está realizando en el cátodo, la corriente ingresada en la fuente fue de 7 voltios. Después de recuperado el cobre se desmonta la celda y se extraen las laminillas para pesar el cobre recuperado.
figura 5. Laminillas de acero inoxidable antes y después de realizada la electrolisis
Se pesan las laminillas con el cobre recuperado. Donde se puede observar que tan efectiva es la extracción de cobre mediante electrolisis. Después de terminado el proceso de electrolisis se entrega el material usado durante la práctica.
Cuestionario
1. Consultar las reacciones que ocurrieron en los electrodos en el proceso realizado y explicar cada una de ellas. + 2 − = 2+ 2 − = 1 2
2+ 2 − =
Estas son las tres reacciones que se dan en cada una de las celdas de electrolisis que se realizaron en el laboratorio, la primera reacción se da en el cátodo, ya que al aplicar una diferencia de potencial el cobre en solución es reducido y es atraído hacia el cátodo en forma de cobre metálico. También en las pilas en la parte del ánodo sucede la segunda reacción ya que esta se deriva de la 3 ecuación que es la descomposición del agua en iones de hidrogeno y oxígeno, los cuales salen en forma de gas de las celdas de electrolisis, pero el hidrogeno necesitando de los electrones para poder ser reducido de su forma iónica a su forma gaseosa. La descomposición del agua se da debido a que al aplicar la diferencia de potencial la fuerza electromotriz de la celda es mayor a 1,23 V, y por tanto el agua el oxida y se presenta la separación del oxígeno y el hidrogeno, este valor es obtenido de las tablas de potenciales. 2. ¿Qué efecto tiene la electro-obtención sobre el electrolito? explique. La electro-obtención es el proceso mediante el cual por la aplicación de una corriente se hace la recuperación selectiva de un metal en solución, en el caso de la practica este metal es el cobre, el cual se encuentra en forma de electrolito de sulfato de cobre(CuSO4), y por la acción de la diferencia de potencial y la intensidad de la corriente este electrolito es descompuesto en iones Cu+2 y SO4-2 y por la reacción de reducción del ion de cobre es atraído y recuperado en el cátodo de la celda como cobre metálico. Al producirse el proceso anterior el principal efecto de la electro-obtención en el electrolito es el de su descomposición en iones para ser posible la recuperación selectiva del metal. 3. ¿Qué tipo de electrolito utilizaron para el proceso? Y por qué? El tipo de electrolito utilizado en el proceso realizado en el laboratorio es el sulfato de cobre (CuSO4) en solución, para lo cual se realizaron dos soluciones diferentes una en medio ácido y otra en medio neutro, para lo cual se utilizó respectivamente ácido sulfúrico diluido en agua y agua para el medio neutro.
Estos electrolitos se realizaron luego de haber tratado el mineral de cobre pirometalúrgicamente por tostación sulfatante, para luego ser lixiviado en cada uno de los medios anteriores dando así los electrolitos de sulfato de cobre (CuSO4) en medio ácido y en medio neutro. Estos electrolitos se realizaron así para poder analizar las diferentes variables que se dan en cada uno de estos, y así observando las diferencias presentadas en cada uno de estos para ver cual de los dos procesos es más eficaz. En la práctica se utilizó este tipo de electrolito ya que este permite el flujo de la corriente a través de este lo cual es necesario para la electro-obtención y la descomposición del sulfato de cobre (CuSO4). 4. ¿Qué utilidad tiene la electrolisis en la industria? La electrolisis es muy importante en la industria, y por esto tiene muchas aplicaciones y utilidades como las mencionadas a continuación: -
Fabricación de metales activos. Fabricación o síntesis de compuestos como el hidróxido de sodio. Recubrimientos de tipo metálicos. Purificación de elementos metálicos.
De estos métodos se utilizan mucho en la parte metalúrgica los dos últimos los cuales se explican brevemente a continuación. Recubrimientos metálicos:
A través de la electrólisis, se hace posible poder depositar una capa fina de algún metal encima de otro. Dicho procedimiento de baño electrolítico posee numerosas aplicaciones, por ejemplo: – Recubrir elementos metálicos como el otro o la plata (dorado y plateado), se suele
utilizar para embellecer la parte externa de diferentes objetos. – Recubrimientos con otros metales como pueden ser zinc, níquel o cromo entre otros, con el fin de proteger de la corrosión a distinto objetos de metal. Dichos procesos se conocen como cincado, niquelado, cromado o cobreado. Purificación electrolítica:
En este caso hablaremos de la purificación electrolítica del cobre. Cuando se han obtenido los metales a través de algún tipo de proceso metalúrgico, es por lo general conveniente o necesario, someterlos a procedimientos de refinamiento o purificación para hacerlos útiles para ser utilizados. Esto sucede con el cobre, cuyo uso como conductor eléctrico depende en gran parte del grado de pureza que presente. Para purificar este metal de manera electrolítica se utiliza un electrolito, el cual es una sal soluble de cobre, como puede ser por ejemplo sulfato de
cobre, y el ánodo es una barra, también de cobre, pero impurificada. En cuanto al cátodo, este es una placa de cobre en estado puro, sobre la cual se va a ir depositando el metal. Si se mantiene un potencial adecuado, el cobre que se encuentra en el ánodo procederá a oxidarse y pasará a la disolución, donde posteriormente se depositará en la placa del cátodo. 5. ¿Qué cantidad de cobre recuperaron con electrólisis?, explique si realmente vale la pena este proceso. La cantidad de cobre recuperado de las electrolisis en medio ácido y neutra está dado por el peso inicial de la lámina de acero inoxidable menos el peso de la lámina después de la electrolisis, los pesos se dan como se muestran a continuación en las imágenes, en la cual la primera en la lámina utilizada para la electrolisis en medio neutro y la segunda es la utilizada para la electrolisis en medio ácido.
Figura 6. Pesos de las láminas antes del proceso de la electrolisis
Figura 7. Pesos de las láminas con el cobre obtenido
Como se observa en las imágenes anteriores los pesos de las láminas antes y después de la electrolisis, estos pesos se utilizan para calcular el cobre recuperado. = 36,02 22,62 = 13,4 á = 30,61 15,89 = 14,72
Como se observa al realizar los cálculos del cobre obtenido en cada una de las celdas y sumar estos pesos se tiene que la recuperación total fue de 28,12g de 420g de mineral inicialmente tratado, teniendo así una eficiencia de 6.7% por lo cual el proceso no sería rentable, pero al hacer este proceso a nivel industrial esta eficacia puede ser mejorada convirtiendo el proceso a un proceso rentable. En el proceso realizado en el laboratorio se obtiene esta eficiencia baja debido a que los procesos realizados antes de la electrolisis no fueron del 100% y se perdió mucho metal en los lodos, pero en los procesos industriales todos estos errores son corregidos por lo cual a nivel industrial este proceso vale la pena ser realizado. 6. Realizar un diagrama del montaje realizado por su grupo para la práctica.
Figura 8. Montaje realizado para la electrolisis
Como se observa en la imagen anterior se tienen los dos vasos de precipitado cada uno con su respectiva cantidad de licor obtenido después de la lixiviación, siendo el del lado derecho el de medio neutro y el del lado derecho el de medio ácido. En el montaje en ambas celdas se utilizó láminas de acero inoxidable como electrodo reductor donde se recuperó el cobre presente en la solución, también se utilizó plomo como electrodo oxidante el cual generaba en la solución la oxidación del agua generando oxigeno gaseoso y completando la reacción de electrolisis. En la fuente de poder se observa que los cátodos fueron conectados al negativo de esta y los ánodos al positivo, utilizando una corriente de intensidad de 4 amperios y voltaje de 7 voltios, dejando realizar este proceso por 12 horas.
Conclusiones
La práctica podría haber presentado mejores resultados si se realizara un uso correspondiente, de la corriente ingresada en el sistema por parte de la fuente de energía y el tiempo de duración de la electrolisis. La recuperación de cobre mediante electrolisis, presento una recuperación en medio acido como neutro promediando los 14 gr, siendo mayor en la solución acida que en la solución neutra. Este proceso a nivel industrial puede llegar a tener una mejor eficiencia debido a que se utilizaran mejores métodos de obtención por vía electrolisis, y si el método falla, se podrán hacer los correctivos correspondientes debido a la práctica que pueden presentar en esta área y en la recuperación de cobre.
Bibliografia
https://quimica.laguia2000.com/metalurgia/aplicaciones-industriales-de-la-electrolisis
laelectrolisis.blogspot.com/2013/01/aplicaciones-de-la-electrolisis.html https://prezi.com/qgv8-w6gtrtf/obtencion-del-cobre-por-electrolisis/
