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• Ale Castro Neira

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EIQ-556 LABORATORIO DE ELECTROQUÍMICA Experiencia N°1: “Niquelado y Cromado” 2017 “NIQUELADO Y CROMADO” Introducción La electrodepositación de un metal se realiza para obtener un metal puro, para proteger un metal base de la corrosión, mejorar propiedades mecánicas superficiales o bien con fines netamente decorativos. Estos procesos se realizan en medios acuosos, ya sean ácidos o alcalinos y la composición del electrolito varía dependiendo del proceso. Por ello es de importancia tener en consideración la electroquímica del proceso incluida la reducción y oxidación del solvente, las concentraciones de especies reactivas, material electródico y corrientes de trabajo a fin de lograr, dadas las condiciones un trabajo lo más óptimo posible. Esto incluye variables de operación tales como la temperatura de trabajo, agitación para eliminar burbujas, agentes oxidantes, etc. Sin embargo, uno de los mayores inconvenientes que presentan los problemas de electrodeposición, surge cuando se depositan metales cuyo potencial de reducción es menor al potencial de reducción del hidrógeno, puesto que existirá desprendimiento de hidrógeno gaseoso, el cual, aumenta el consumo de energía, produce mal depósito, y además disminuye el pH con la posibilidad de formar y precipitar hidróxidos. Por otro lado hay pérdidas en la eficiencia del proceso, por disminución de la eficiencia de corriente farádica. El electrolito, puede ser ácido o alcalino dependiendo del proceso a llevar a cabo. En cuanto al solvente, el más utilizado es el agua, sin embargo en algunos casos pueden utilizarse algunos alcoholes o líquidos orgánicos, sin embargo estos últimos a pesar de poseer una ventana electroquímica amplia sin intervención de hidrógeno y oxígeno, son de costo elevado y por ahora sólo se utilizan a escala de laboratorio.

1.- Proceso de Niquelado El níquel es un metal de brillo argentino, duro, resistente al desgaste y a la corrosión. Normalmente los depósitos de níquel brillante se emplean como recubrimientos decorativos y de protección contra la corrosión, así como en electroformado de piezas mecánicas donde la dureza y resistencia al desgaste es importante. También puede se puede utilizar como una capa previa antes de aplicar un recubrimiento de plata o cromado. Los diferentes baños de electrorecubrimiento con níquel proporcionan distintos acabados del depósito.

Profesor: Dr. Robinson Constanzo Ayudantes: Joaquín Ortiz/ Jahaziel Toro

EIQ-556 LABORATORIO DE ELECTROQUÍMICA

En el proceso electroquímico del niquelado (curvas cinéticas) es posible observar que a una determinada corriente de trabajo no sólo existe electrodeposición del Ni sino que además existe desprendimiento de hidrógeno gaseoso puesto que este presenta un mayor potencial de oxidación. Este problema ocurrirá más fuerte en soluciones acuosas ácidas y en menor grado en soluciones alcalinas. El hidrógeno gaseoso genera problemas en la estructura del depósito resultando en superficies poco uniformes y con atrapamiento de impurezas, y con poca resistencia mecánica. Pero además genera pérdidas en la eficiencia de corriente catódica. Para disminuir el problema del hidrógeno, se han diseñado procesos que involucran agentes niveladores y también diferentes tipos de electrolitos. Otro aspecto a considerar es el substrato sobre el cual se desarrolla el niquelado. Tanto la reducción de Ni como de hidrógeno tienen comportamiento de acuerdo a la superficie donde se desarrollen, por ello, interesa que la evolución de hidrógeno sea mínima, y por lo tanto en determinados procesos se requiere de un electrodepósito pre-niquelado, entre otras razones para disminuir la evolución de hidrógeno. Desde el punto de vista operacional para disminuir los efectos perjudiciales del desprendimiento de H2 se requiere en lo posible de agitación mecánica para desprender las burbujas adheridas en la superficie. La capa de níquel obtenida es opaca y dura. En particular para obtener depósitos brillantes, se hace necesario, no sólo una superficie base pulida a espejo, sino que también la adición a la solución de agentes abrillantadores sulfonados (ácido benzol disulfónico, trisulfónico, ácido naftalen trisulfónico y benceno sulfonado), niveladores (formaldehido, hidrocianoetileno y butinediol) y humectantes antipicaduras (lauril sulfato sódico). La sacarina también puede utilizarse como abrillantador. Además, si se quiere depósitos brillantes, el espesor debe ser muy delgado, y si se quiere dureza los espesores deben ser mayores y la densidad de corriente muy baja. El tipo de baño utilizado estará enfocado a las características que se quieren obtener, el sulfato de níquel es la fuente de iones más importante de Ni2+, y su concentración limita la densidad de corriente. El cloruro de níquel, incrementa la corrosión anódica (disolución del ánodo para formar iones níquel) y la conductividad del electrolito. El ácido bórico ayuda a producir depósitos más blancos, lisos y dúctiles. Por último, para un buen funcionamiento, se recomienda agitación del baño puesto que ayuda a remover el H2 adsorbido.

Profesor: Dr. Robinson Constanzo Ayudantes: Joaquín Ortiz/ Jahaziel Toro

EIQ-556 LABORATORIO DE ELECTROQUÍMICA 2.- Proceso de Cromado El cromo es un metal pesado, duro, de brillo argentino, cuyos compuestos generalmente muestran coloraciones intensas y son empleados como pigmentos. Se extrae desde la cromita (FeCr2O4) y se utiliza en la fabricación de aleaciones de hierro (aceros inoxidables), resistencias eléctricas de precisión y como recubrimiento de otros metales. Se emplean recubrimientos de cromo con fines decorativos sobre cobre y níquel, pues estos últimos pueden aplicarse sobre cualquier metal base. Algunas herramientas de hierro y acero se recubren con capas de cromo con el fin de darles dureza, por ejemplo en dados, calibradores y tarrajas. Se utiliza en capas protectoras de electrotipos, placas de grabado y otros objetos, También para mejorar la lubricación y disminuir el desgaste en pistones y cilindros de motores de combustión. En la práctica, los acabados metálicos de cromo se aplican en forma de depósito de muy bajo espesor (0,000025 a 0,00005 cm.). El cromado se realiza, mediante una solución de ácido crómico (CrO3) que contiene una pequeña proporción de sulfato, ácido sulfúrico, al que se añade a veces cierta cantidad de sulfato sódico. Las concentraciones absolutas de ácido crómico y sulfato en el baño, son de importancia secundaria con relación al factor principal, que es la relación de ácido crómico a sulfato, CrO3/H2SO4, esta relación es un parámetro importante para el control de la calidad del depósito y es conveniente mantenerla alrededor de 100:1, y dentro de los límites de 200:1 y 50:1, relaciones de concentraciones límites entre las cuales se efectúa el depósito. Por otro lado, el éxito del cromado dependerá de la disposición de los electrodos en el baño, se debe lograr obtener una distribución de corriente lo más uniforme posible. En el curso de la electrólisis, parte del contenido de cromo hexavalente de la solución es reducido en el cátodo a la forma trivalente; aunque en el ánodo tiene lugar cierto grado de oxidación, éste no es de ningún modo completo, por lo que durante el funcionamiento normal se acumulan en la solución compuestos de cromo trivalente, esto es, sulfato de cromo, Cr2(SO4)3, y dicromato crómico, Cr2(Cr2O)3. Aunque parte se pierde por "arrastre", no debe permitirse que su concentración llegue a ser excesiva, puesto que los compuestos de cromo trivalente tienen el efecto de estrechar los límites de las condiciones de trabajo de la solución de cromado brillante y de disminuir su conductibilidad. Por otra parte, una moderada concentración de cromo trivalente parece incrementar algo el poder de penetración de la solución

Profesor: Dr. Robinson Constanzo Ayudantes: Joaquín Ortiz/ Jahaziel Toro

EIQ-556 LABORATORIO DE ELECTROQUÍMICA En la práctica, se utilizan comúnmente densidades de corriente de 11 a 21 A por dm 2; los voltajes que se necesitan usualmente son de 5 a 8 V con las soluciones de baja densidad, ó 4 a 6 V con las soluciones más conductoras de mayor densidad.

La eficiencia de corriente de los procesos se calcula mediante la relación siguiente,

La masa depositada (m d) se puede medir experimentalmente m d = mcátodo,final – m y la masa teórica (mt) se calcula mediante la Ley de Faraday.

Donde:

cátodo, inicial,

PM = Peso molecular n = Nº de equivalentes t = tiempo de electrodepositación (s) F = Constante de Faraday (96487 coulomb/equivalente) I=corriente impuesta que circula (A).

3.- Parte experimental 1. Niquelado

Electrodos:

Ánodo: Níquel (o carbón)

Área= 12 cm2

Cátodo: Cobre (o latón)

Área= 5 cm2 (*)

(*)Valor que determina junto a la densidad de corriente (i), la corriente (I) aplicada por la fuente externa. (Se puede variar el área)

-

La lámina de cobre (cátodo) se pule a espejo. Luego al cátodo se le realiza Limpieza Ultrasónica con solución desengrasante.

Profesor: Dr. Robinson Constanzo Ayudantes: Joaquín Ortiz/ Jahaziel Toro

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Electrolito “Baño Watts” (200 ml de solución)

-

NiSO4*6H2O (Sulfato de Níquel)

312.5 g/l

NiCl2*6H2O (Cloruro de Níquel)

45 g/l

H3BO3 (Ácido Bórico)

37.5 g/l

Na2SO4 (Sulfato de Sodio)

0.73 g/l

Sacarina

2.18 g/l

Se adiciona aditivo como abrillantador. En este caso se adiciona sacarina. - Se adiciona KOH para regular el pH.

Condiciones de trabajo Recomendado

Utilizado

pH

2-5

4.5

T (°C)

40-60

45

i (A/dm2)

1-10

10

agitación

deseable

mecánica

Luego del proceso de electrodeposición, los electrodos son lavados, secados y pesados.

Profesor: Dr. Robinson Constanzo Ayudantes: Joaquín Ortiz/ Jahaziel Toro

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2. Cromado

Electrodos: Ánodo: Plomo (Pb-Sb)

Área= 35 cm2

Cátodo: Cobre (o latón)

Área= 5 cm2 (*)

(*)Valor que determina la corriente aplicada por la fuente externa.

-

La lámina de cobre (cátodo) se pule a espejo. Luego al cátodo se le realiza Limpieza Ultrasónica con solución desengrasante.

Electrolito (preparación de 200 ml de solución)

-

CrO3

30 g/l

H2SO4 98%

3 g/l

Sacarina

2 g/l

Se adiciona sacarina en polvo como agente abrillantador. para regular el pH.

Se adiciona KOH

Condiciones de trabajo Recomendado

Utilizado

pH

ácido

0,35

T (°C)

42-45

45

i (A/dm2)

6-18

15

agitación

deseable

mecánica

Luego del proceso de electrodeposición, los electrodos son lavados, secados y pesados.

Profesor: Dr. Robinson Constanzo Ayudantes: Joaquín Ortiz/ Jahaziel Toro