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LABORATORIO DE ELECTROQUIMICA

15/0972017

UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERIA FACULTAD DE INGENIERÍA QUÍMICA Y TEXTIL DEPARTAMENTO ACADEMICO DE INGENIERÍA QUÍMICA

ELECTROQUIMICA INDUSTRIAL INFORME N° 01

BAÑO ELECTROLITICO DE ZINC ALCALINO PI-322 A Realizado por:  Avalos Postigo Martín Augusto  Quiñones Chusing Luis Daniel  Sanchez Alva Franz Michael  Sarango Baldera Yojan Smith  Solano Liberato Jean Cutter

Profesores de la práctica:  Ing. Villón Ulloa Angel Eduardo Periodo Académico: 2017 – 2 Fecha de presentación del informe: 15/09/17

LIMA – PERÚ pág. 1

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INDICE

OBJETIVOS………………………………………………………………………3 MARCO TEORICO………………………………………………………………3 DATOS Y RESULTADOS ………………………………………………………5 DISCUSION DE RESULTADOS………………………………………………..7 CONCLUSIONES………………………………………………………………...8 BIBLIOGRAFIA………………………………………………………………….8

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BAÑO ELECTROLITICO DE ZINC ALCALINO

1. OBJETIVOS  Identificar la influencia del potencial y la corriente en un baño de proceso de electrólisis  Identificar los factores que influyen en el rendimiento en la electrodeposición.  Identificar los fenómenos que alteran el rendimiento teórico en un proceso de electrólisis. 2. MARCO TEORICO ELECTRODEPOSICION DE ZINC ALCALINO Los recubrimientos electrolíticos de zinc alcalino consisten en la conversión del zinc ánodo en iones zinc que se distribuyen en la solución, depositándose en el cátodo (probeta) formando una capa metálica en su superficie. Este baño consiste en introducir las piezas en cubas donde se encuentra el electrolito, se les aplica la corriente como cátodo, se recubren y se secan. Al extraer las piezas del baño arrastran una cantidad del electrolito sobre la superficie de las piezas. Esa película superficial arrastrada se elimina en un proceso de lavado posterior para que no interfiera en las siguientes operaciones o presente las condiciones de acabado exigidas. La composición del baño de zinc alcalino es: Cianuro de Sodio (NaCN)…………………………..9.0g/lt Cianuro de zinc (𝑍𝑛(𝐶𝑁)2 ……………..………..37.5g/lt Hidróxido de Sodio (NaOH)……………………..90.0g/lt Este recubrimiento se considera un baño cianurado en el que se obtienen depósitos de granos finos, en el cual el zinc es siempre más negativo que el hidrogeno y donde el hidróxido de sodio aporta el medio alcalino para un recubrimiento lento. En baños cianurados, el potencial reversible para la reacción es: [𝒁𝒏(𝑪𝑵)𝟒 ]𝟐− + 𝟐𝒆− → 𝒁𝒏 + 𝟒𝑪𝑵−

− 𝟏. 𝟐𝟔𝑽

Además el hidrogeno compite con el zinc por reducirse, disminuyendo la eficiencia. Cuando se agrega cianuro de sodio, el cianuro de zinc se disuelve para producir una sal compleja, cianuro de zinc-sodio. 𝒁𝒏(𝑪𝑵)𝟐 + 𝟒𝑵𝒂𝑪𝑵 → 𝑵𝒂𝟐 𝒁𝒏(𝑪𝑵)𝟒 Por otro lado el uso de hidróxido de sodio, con el cianuro de zinc produce un zincato y cianuro de sodio: 𝑍𝑛(𝐶𝑁)2 + 4𝑁𝑎𝑂𝐻 → 𝑁𝑎2 𝑍𝑛(𝑂𝐻)4 + 2𝑁𝑎𝐶𝑁 Existiendo un equilibrio en la solución de acuerdo a: 𝑵𝒂𝟐 𝒁𝒏(𝑶𝑯)𝟒 + 𝟒𝑵𝒂𝑶𝑯 → 𝑵𝒂𝟐 𝒁𝒏(𝑶𝑯)𝟒 + 𝟒𝑵𝒂𝑪𝑵 𝟐− − − 𝒁𝒏(𝑪𝑵)𝟐− 𝟒 + 𝟒𝑶𝑯 → 𝒁𝒏(𝑶𝑯)𝟒 + 𝟒𝑪𝑵 pág. 3

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Además ocurren 3 etapas en el mecanismo de reacción para la electrodeposición del zinc en la superficie de la probeta. 𝒁𝒏(𝑶𝑯)𝟐 + 𝒆− → [𝒁𝒏(𝑶𝑯)𝟐 ]− [𝒁𝒏(𝑶𝑯)𝟐 ]− ↔ 𝒁𝒏𝑶𝑯 + 𝑶𝑯− 𝒁𝒏(𝑶𝑯) + 𝒆− → 𝒁𝒏 + 𝑶𝑯−

USOS La electrodeposición de zinc alcalino (Zincado) es un recubrimiento artificial para mejorar la resistencia a la corrosión del acero (y otras aleaciones del hierro). Los baños de cianuro de zinc se usan debido a su alto poder de penetración y capacidad para producir un atractivo brillante, el objetivo principal de los recubrimientos de zinc es la protección del acero. SOBRETENSION O SOBREPOTENCIAL Es el potencial que se debe de aplicar a una celda electrolítica, además del potencial teórico, para que se libere una determinada sustancia en un electrodo. Su valor depende del material, de la densidad de corriente, estado de la superficie, concentración de la disolución, presión y temperatura. Es un efecto cinético que se produce porque el proceso de transferencia de electrones en los electrodos posee una cierta energía de activación. Resulta especialmente importante en la liberación de gases como el H2 y O2. Por ejemplo, en la electrolisis de una disolución de iones Zn, en el cátodo debería de liberarse hidrogeno (E° =0.00 V) con mayor facilidad que el zinc (E° =-0.76 V). Sin embargo, la elevada sobretensión del hidrogeno sobre el Zinc (cerca de 1V en las condiciones apropiadas) hace que en el cátodo se obtenga un depósito de Zinc. POTENCIA DE DEPÓSITO









Es una medida cualitativa acerca de la posibilidad de depositar un metal determinado sobre la superficie completa de otro metal, ya que no es suficiente producir depósitos que tengan la apariencia y propiedad deseada, sino que la película metálica debe ser totalmente homogéneo en toda la superficie. Los factores de la electrodeposición son: Distribución primaria de la corriente Es la distribución de la corriente producida de acuerdo a la posición del artículo con respecto a los ánodos, a las paredes del tanque y a los cátodos. Efecto de la polarización La polarización aumenta al aumentar la densidad de corriente siendo mayor en los puntos de más alta densidad de corriente en una probeta irregular. Efecto de la conductividad Cuando hay una polarización apreciable, aumenta la conductividad de la solución, y como consecuencia, una mejor distribución de la corriente. Efecto de la eficiencia catódica Si la eficiencia catódica aumenta la densidad de corriente entonces la distribución del metal será menos uniforme, caso contrario, la deposición del metal es más uniforme y por lo tanto la potencia de depósito aumenta.

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3. DATOS Y RESULTADOS

Tabla 1. Datos del laboratorio Tiempo(s) Densidad de 60 90 120 180 corriente(A/dm²) Mo(g) Mf(g) Mo(g) Mf(g) Mo(g) Mf(g) Mo(g) Mf(g) 1 1.5

42.134 42.145 42.131 42.149 42.124 42.145 42.108 42.135 42.924 42.934 42.699 42.711 42.626 42.651 42.619 42.654

2 2.5

42.800 42.81 42.857 42.875 42.605 42.634 43.094 43.132 42.756 42.764 42.624 42.644 42.602 42.624 43.004 43.041

Mo (masa inicial); Mf (masa final) Tabla 2. Valores experimentales y teóricos masa de deposición (g) Tiempo(s) Densidad de 60 90 120 180 corriente(A/dm²) Mt(g) Me(g) Mt(g) Me(g) Mt(g) Me(g) Mt(g) Me(g) 1

0.02

0.011

0.03

0.018 0.041 0.021 0.061 0.027

1.5

0.03

0.01

0.046 0.012 0.061 0.025 0.091 0.035

2

0.041

0.01

0.061 0.018 0.081 0.029 0.122 0.038

2.5

0.051

0.008 0.076

0.02

0.102 0.022 0.152 0.037

Mt (masa teórica de deposición); Me (masa experimental)

Eficiencia para tiempo 60 segundos e intensidad de corriente 1 A. 

Calculo de la masa teórica (Peso equivalente del ion zinc II = 32.69) 𝑚𝑡𝑒𝑜𝑟𝑖𝑐𝑎 = 𝑚𝑡𝑒𝑜𝑟𝑖𝑐𝑎 =

𝑃𝐸𝑍𝑛2+ ∙𝐼∙𝑡 96500

32.69 ∙ 1 ∙ 60 96500

𝑚𝑡𝑒𝑜𝑟𝑖𝑐𝑎 = 0.020 𝑔 

Calculo de la eficiencia (masa experimental = 0.011 g) 𝐸𝑓𝑖𝑐𝑖𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎 =

𝑚𝑒𝑥𝑝 ∙ 100% 𝑚𝑡𝑒𝑜𝑟𝑖𝑐𝑎

𝐸𝑓𝑖𝑐𝑖𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎 =

0.011 ∙ 100% 0.020

𝐸𝑓𝑖𝑐𝑖𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎 = 54.12% pág. 5

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Tabla 4.Eficiencia catódica (%) en cada densidad de corriente para cada tiempo. A/dm2

Tiempo(s) 60

90

120

180

1

54.12% 59.04% 51.66% 44.28%

1.5

32.80% 26.24% 41.00% 38.27%

2

24.60% 29.52% 35.67% 31.16%

2.5

15.74% 26.24% 21.65% 24.27%

Eficiencia catódica vs Densidad de corriente eficiencia catodica(%)

70.0% 60.0% 50.0%

40.0%

60(s)

30.0%

90(s)

20.0%

120(s)

10.0%

180(s)

0.0% 0.9

1.4

1.9

2.4

densidad de corriente(A/dm2) Figura 01: Gráfica eficiencia catódica vs densidad de corriente cuando se comparan al mismo intervalo de tiempo de deposición

velocidad de depocision(g/h)

Velocidad de deposicision vs densidad de corriente 0.9 0.8

0.7

60(s)

0.6

90(s)

0.5

120(s)

0.4

180(S) 0.9

1.4

1.9

2.4

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densidad de corriente(A/dm2)

Figura 02: Grafica masa depositada de zinc (g) vs tiempo a una densidad de corriente constante pág. 6

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Masa depositada vs tiempo masa depositada(g)

0.04 0.035 0.03 0.025 1(A/dm2)

0.02

1.5(A/dm2)

0.015

2(A/dm2)

0.01

2.5(A/dm2)

0.005 0 40

90

140

190

tiempo(s) Figura 03: Grafica Velocidad de deposición vs densidad de corriente teniendo como comparación con el mismo intervalo tiempo de deposición

4. DISCUSION DE RESULTADOS  La Figura 01 muestra como picos máximos de eficiencia catódica cercana al 60% y que disminuye cuando aumenta la intensidad de corriente, esto es porque el año electrolítico de zinc alcalino tiene como componentes el CN-(gran acomplejarte) por lo que enmascara al ion metálico con la formación de un complejo siendo así muy difícil de reducir y con ello reduce la concentración de iones zinc en el baño electrolítico.  La masa depositada en el cátodo aumentaba a medida que el tiempo aumentaba cuando se mantiene la intensidad de corriente constante (Figura02) esto se explica por la ley de Faraday: La cantidad del elemento depositado es proporcional a la electricidad que atraviesa a su solución y esta es proporcional a su vez al peso equivalente del metal. El flujo de electrones reduce en el cátodo los cationes vecinos al electrodo en el cátodo produciendo la semi-reacción, a un mayor flujo de electrones, una mayor deposición del metal. Esto implica una correlación lineal ente la cantidad de masa depositada y la intensidad de corriente aplicada en la electrolisis, esto implica que la velocidad de deposición debería ser constante. Sin embargo la Figura03 se observa que la velocidad de deposición disminuye en ciertos rangos.  La reacción electrolítica del zinc alcalino generaba desde el comienzo de la reacción burbujeo continuo y la presencia del fenómeno era cada vez más intensa conforme la intensidad de corriente aplicada era mayor. Esta generación de gas no deseado y/o esperado es promovida por la energía eléctrica suministrada para la electrodeposición. La cual explica que parte de esa energía es dirigida a la reducción del ion hidrogeno, justificando la eficiencia catódica en la (Figura 1).La generación de hidrogeno es una pérdida de energía y con ello existirá deficiencia de deposición.  Entonces, ¿Cómo saber que se genera este gas? y ¿Cuál es el fenómeno que beneficia a este proceso? Cualquier solución acuosa de un baño electrolítico contiene iones cargado positivamente de metal y también iones hidrogeno (por baño en solución pág. 7

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acuosa) los protones libres no existen en disolución, los iones hidrogeno formados en el agua son inmediatamente hidratados a iones hidronio, esta hidratación es prácticamente instantánea debido a que existe el enlace puente hidrogeno .Cuando los iones cargados positivamente se desplazan al cátodo, estos se reducen. La velocidad reducción del zinc es cada vez más lenta debido a que la deposición por si misma genera una resistencia en el medio, este fenómeno se denomina polarización por concentración. La ausencia de iones zinc por la diferencia de flujos entre los electrones entrantes al cátodo y estos iones dan como consecuencia que los iones hidrogeno tengan mayor capacidad de reducirse generando la producción de hidrogeno (con más facilidad y continuidad que en un inicio del proceso de electrolisis) por resultado de la elevada movilidad del protón en comparación con los otros cationes, este fenómeno que aporta a la generación de reducción de hidrogeno se le conoce como Mecanismo Grotthuss.

5. CONCLUSIONES  La densidad de corriente 1A/dm2 es la densidad der corriente para obtener una eficiencia catódica máxima en un baño electrolítico de zinc alcalino.  La masa depositada aumenta proporcionalmente en relación al tiempo e intensidad de corriente de máxima eficiencia catódica.  La polarización por concentración es el fenómeno asociado a la deficiencia de deposición y la formación de hidrogeno.  Un baño electrolítico con mayor concentración de iones o el movimiento del electrodo del cátodo en el baño reduce la formación de hidrogeno. 6. BIBLIOGRAFIA  William Blum, George B. Hogaboom; Galvanotecnia y Galvanoplastia; Tercera Edicion; Editorial Continental, S.A. de C. V., Mexico,; Capitulo 11; pág. 335-347; Capitulo 13; pág. 370-379.

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