INTRODUCCIÓN La electrólisis consiste en la descomposición química de una sustancia por medio de la electricidad (electro = electricidad y lisis = destrucción). El paso de la corriente eléctrica a través de un electrólito (en disolución o fundido), por ejemplo, NaCl fundido, nos demuestra que en el cátodo o polo negativo el catión sodio (Na+) se reduce a Na0 por ganancia, en cambio en el ánodo o polo positivo los aniones cloruro (Cl-) entregan sus electrones oxidándose a Cl2 (gaseoso). En resumen, el proceso de electrólisis se caracteriza porque: a) Es un fenómeno redox no espontáneo producido por una corriente eléctrica b) La reducción se lleva a efecto en el polo negativo o cátodo y la oxidación en el ánodo o polo positivo. El proceso electrolítico se realiza debido a que, la corriente eléctrica circula desde el cátodo hacia el ánodo, siempre que entre ellos esté presente una sustancia conductora (electrólito). En algunas electrólisis, si el valor de la diferencia de potencial aplicada están sólo ligeramente mayor que el calculado teóricamente, la reacción es lenta o no se produce, por lo que resulta necesario aumentar el potencial aplicado. Este fenómeno se da, sobre todo, cuando en
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INTRODUCCIÓN
La electrólisis consiste en la descomposición química de una sustancia por medio de la
electricidad (electro = electricidad y lisis = destrucción). El paso de la corriente eléctrica
a través de un electrólito (en disolución o fundido), por ejemplo, NaCl fundido, nos
demuestra que en el cátodo o polo negativo el catión sodio (Na+) se reduce a Na0 por
ganancia, en cambio en el ánodo o polo positivo los aniones cloruro (Cl-) entregan sus
electrones oxidándose a Cl2 (gaseoso).
En resumen, el proceso de electrólisis se caracteriza porque:
a) Es un fenómeno redox no espontáneo producido por una corriente eléctrica
b) La reducción se lleva a efecto en el polo negativo o cátodo y la oxidación en el ánodo
o polo positivo.
El proceso electrolítico se realiza debido a que, la corriente eléctrica circula desde el
cátodo hacia el ánodo, siempre que entre ellos esté presente una sustancia conductora
(electrólito).
En algunas electrólisis, si el valor de la diferencia de potencial aplicada están sólo
ligeramente mayor que el calculado teóricamente, la reacción es lenta o no se produce,
por lo que resulta necesario aumentar el potencial aplicado. Este fenómeno se da, sobre
todo, cuando en algunos de los electrodos se produce algún desprendimiento gaseoso. El
potencial añadido en exceso en estos casos recibe el nombre de sobretensión.
La cantidad de producto que se forma durante una electrólisis depende de los 2 factores
siguientes:
a) De la cantidad de electricidad que circula a través de la pila electrolítica.
b) De la masa equivalente de la sustancia que forma el electrólito.
La cantidad de electricidad que circula por una cuba electrolítica puede determinarse
hallando el producto de la intensidad de la corriente, expresada en amperios por el
tiempo transcurrido, expresado en segundos. Es decir, Q (culombios) = I · t.
MARCO TEORICO
PROCESO DE FABRICACIÓN DEL COBRE ELECTROLITICO
Proceso de obtención del producto
Mediante la electro refinación se transforman los ánodos (producidos en un
proceso de fundición previo) a cátodos de cobre electrolítico de alta pureza. Este
proceso de electro refinación se basa en las características y beneficios que ofrece
el fenómeno químico de la electrólisis, que permite refinar el cobre obtenido por
fundición (trabajando como ánodo) mediante la aplicación de la corriente
eléctrica, obteniéndose cobre electrolítico (cátodos de cobre de alta pureza
99,99%), los que son altamente valorados en el mercado.
La electro refinación se realiza en celdas electrolíticas, donde se colocan en forma
alternada ánodos (planchas de cobre fundido) y cátodos (son plancha muy delgada
de cobre puro). La electrólisis consiste en hacer pasar una corriente eléctrica por
una solución de ácido sulfúrico diluido en agua (electrolito).
El ión sulfato de la solución comienza a atacar el ánodo de cobre formando una
solución de sulfato de cobre (CuSO4). 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. El ión sulfato liberado migra al ánodo y
vuelve a formar sulfato de cobre que va a la solución, recomenzando la reacción.
Este proceso se mantiene durante 20 días.
Los otros componentes del ánodo que no se disuelven, se depositan en el fondo de
las celdas electrolíticas, formando lo que se conoce como barro anódico el cual es
bombeado y almacenado para extraerle su contenido metálico (oro, plata, selenio,
platino y paladio). El cobre refinado electrolíticamente te obtiene en cátodos. Los
ánodos de cobre, ya semi-refinados, con cerca de 99,6% de pureza, son la materia
prima del proceso de refinación electrolítica que permite su transformación en
cátodos de cobre con 99,99% de pureza. Un ánodo de cobre tiene unas
dimensiones aproximadas de 100x125 cm, un grosor de 5 cm y un peso
aproximado de 350 Kg. El cátodo de cobre constituye la materia prima idónea
para la producción de alambrón de cobre de altas especificaciones.
Es un producto, con un contenido superior al 99,99% de cobre. Su calidad está
dentro de la denominación Cu-CATH-01 bajo la norma EN1978/1998. Se
presenta en paquetes corrugados y flejes, cuya plancha tiene unas dimensiones de
980 x 930 mm y un grosor de 7 mm con un peso aproximado de 47 Kg. Su uso
fundamental es la producción de alambrón de cobre de alta calidad, aun que
también se utiliza para la elaboración de otros semi transformados de alta
exigencia. Entre otros usos, se encuentra su aplicación en galvanoplastia. En el
caso de barras elípticas de cobre fosforoso, utilizadas en los recubrimientos
electrolíticos de cobre ácido, el cátodo de cobre es adicionado con fósforo y
refilado para evitar su desgranado prematuro.
El mineral más frecuente empleado es el sulfuro, dado el bajo contenido de cobre
en los minerales (0.7-2.0%) es necesario proceder a concentrarlos. Un método de
concentración muy empleado es la flotación y también los medios densos. Según
este último, se tritura el mineral y se pone en una corriente turbulenta de agua en
la que el mineral, más denso, se deposita pronto, mientras las partes, más ligeras,
de la ganga son arrastradas. Pero cuando la densidad de los distintos componentes
no infiere mucho, la separación es mala y entonces se añade al agua un sólido
muy finamente pulverizado para elevar la densidad del medio hasta llevarla a un
valor intermedio entre los de las sustancias a separar.
El mineral así enriquecido se mezcla con carbón y se pone en un horno de cuba
baja, en el que, de manera análoga al horno alto, se inyecta por debajo aire
caliente. En un horno se produce una tostación reductora. En la parte superior
del horno se seca primero por la acción de os gases calientes. Hacia la mitad del
horno se produce la reducción y se desprenden productos volátiles. En la parte
inferior se forma la llamada “mata bruta de cobre” y una escoria. En esta parte,
la temperatura es de 1400ºC y la mala bruta funde, lo mismo que los aditivos
funden con los formadores de escoria. El gas que sale del horno tiene una
potencia calorífica baja.
La mala contiene principalmente sulfuro de cobre (I), Cu2S. La escoria y la mata
se sangran por separado, y las escorias se utiliza para fabricar losas adoquines
para pavimentación. La mala fundida se lleva a un convertidor, en donde el
sulfuro de hierro presente se oxida en primer lugar formado (en presencia de
cuarzo) silicato de hierro:
4 FeS+7 O2→ 2 Fe2O3+4 S O2
2 Fe2O3 FeS+4Si O2→ 2Fe2 (O3 )3
El dióxido de azufre se evacua por succión y se conduce a una instalación de
ácido sulfúrico. El hierro del mineral, en forma de silicio se separa de la mata de
cobre. El sulfuro de cobre (I) se oxida ahora, en el segundo periodo de soplado,
de forma que se convierta en cobre metálico, pues el Cu2S se oxida a Cu2S por el
oxigeno del aire introducido y el oxido es reducido simultáneamente por el
sulfuro presente:
2 Cu2 S+3 O2→ 2 Cu2O+2S O 2
2 Cu2O+Cu2 S→ 6 Cu+SO 2
El convertidor contiene ahora tres diferentes fases: debajo, el cobre metálico, en
el centro una mata concentrada de cobre y, arriba, la escoria. Las dos partes que
contienen cobre se llaman, mientras la escoria se moldea para dar ladrillos.
El horno de llama es un horno de hogar bajo, como el SM. Se hace llegar al
hogar donde está el cobre negro el fuego procedente de un carbón de llama y se
sopla simultáneamente sobre el fundido aire y vapor de agua, para oxidar y
volatizar las impurezas (zinc, plomo, arsénico y antimonio).Removiendo el
fundido con ramas verdes con lo que pasa el vapor de agua de la madera al baño,
agitándolo y arrastrando el SO2 y reduciendo posteriormente con madera seca y
carbón de madera, se obtiene cobre más de 99% de Cu (“cobre blíster”).
Este cobre no se puede emplear para todos los usos. Sobre todo no es utilizable
en electrotecnia y para la fabricación de aparatos, por su baja resistencia a la
corrosión y es preciso purificarlo, lo que tiene lugar por electrólisis.
En un baño que contiene sulfato de cobre y ácido sulfúrico libre, se cuelga
cobre purísimo como cátodo (polo-) y placas de cobre blíster como ánodo y se
establece una diferencia de potencial de 0,3 voltios para una densidad de
corrientes de 200 amperios/m2. El cobre del ánodo se disuelve y llega al cátodo,
donde se deposita como cobre purísimo. El cobre electrolítico llega a un grado
de 99.99%.
Las pequeñas cantidades de impureza contenidas en el cobre blíster, sobre todo
metales nobles, no se disuelven a baja tensión y caen al fondo formando “barros
anódicos”. Estos barros, que contienen hasta 40% de plata se elaboran para
extraer los metales nobles. El cobre electrolítico no se emplea todavía, sino que
se funde de nuevo en placas u otras formas.
El método descrito es uno entre los diferentes métodos secos. También existen
varios métodos húmedos. El procedimiento elegido depende de la composición
del mineral y del tipo de ganga.
El cobre se separa de la disolución por electrolisis, empleando cátodos de cobre
purísimo. S e utilizan ánodos de plomo, que o se disuelven.
Existen minerales cuya ganga es soluble en ácido sulfúrico. En tales casos es
frecuente que se pueda disolver el cobre empleando amoniaco. Se forma una
disolución violeta de hidróxido de cobre tetraammina:
Cu (OH )2+4 N H 3 → Cu ( N H 3 )4 (OH )2
Si se hierve esta disolución se expulsa el amoniaco y precipita óxido de cobre
que puede reducirse fácilmente con carbono.
Finalmente, haremos una brece alusión al métodos, muy empleado, de tostación
en presencia de cloruro sódico. Este método se utiliza especialmente en el
tratamiento de las cenizas de tostación de piritas, que contienen muy poco cobre
(1%) y mucho hierro (55%).
En la tostación (6) las piritas de cobre con un contenido en Cu del 3 al 8% se
trituran a unos 2 mm, se mezclan con sal común y se tuestan a unos 350-400ºC.
El Na2SO4 que se forma de la sal común y los sulfuros tostados se extraen
lavando con agua y el residuo de tostación que queda se extrae con ácido diluido
(7) con lo que el Cu pasa a la disolución en forma de CuCl2, CuCl y
3CuO*CuCl2, mientras el Fe precipita como Fe2O3. Después de clarificar la
disolución el cobre se precipita por cementación mediante la introducción de
hierro metálico (residuos de chapa, esponja de hierro) (8). El contenido en el
cobre del “cobre de cementación” (9) puede oscilar entre 20 y 96%.
Se denomina cementación, la precipitación de cobre de una disolución de sus
sales por acción de hierro metálico. El cobre es más noble que el hierro y por lo
tanto se descarga, mientras pasa a la disolución una cantidad equivalente de
hierro:
CuS O4+Fe → Cu+FeS O 4
En general, se llama cementación la precipitación de un metal más noble de
disoluciones de sus sales por otro menos noble. E l cobre de cementación se
purifica también por electrolisis.
DIAGRAMA DE FLUJO DEL COBRE ELECTROLITICO
Depósito electrolítico:
En el depósito o baño electrolítico se deposita un baño de un metal sobre otro
metal por electrólisis. Este procedimiento se lleva a cabo por motivos
decorativos o para proteger de la corrosión al segundo metal. Los cubiertos de
baño de plata por ejemplo, consisten en una base de hierro con un recubrimiento
fino de plata metálica. En un proceso de depósito electrolítico el objeto a bañar
constituye el cátodo de la célula electroquímica. El electrólito contiene iones del
metal que constituyen el baño. Estos iones son atraídos hacia el cátodo, donde se
reducen a átomos metálicos.
El electrólito suele ser sulfato de cobre en el caso de un baño de cobre y
K(Ag(CN)2)(aq) en el caso de un baño de plata. La concentración de ión plata
libre en una disolución del ión complejo [Ag(CN)2] (aq) es muy pequeña y el
baño electrolítico en estas condiciones proporciona un depósito del metal
microcristalino y muy adherente. El cromado o baño de cromo es muy útil por su
resistencia a la corrosión, así como por su belleza con fines decorativos. El acero
puede cromarse mediante una disolución acuosa de CrO3 y H2SO4. Sin
embargo, el baño obtenido es fino, poroso y tiende a resquebrajarse. En la
práctica primero se baña el hacer con una capa fina de cobre o níquel y después
se aplica el baño de cromo. Las piezas de maquinarias pueden hacerse resistentes
al agua mediante un baño de cromo o cadmio. Algunos plásticos también pueden
bañarse, primero debe hacerse conductor al plástico recubriéndolo con polvo de
grafito. El proceso de reposo electrolíticos de cobre sobre plásticos ha sido
importante para mejorar la calidad de algunos circuitos microelectrónicas. Los
baños electrolíticos se utilizan, en el sentido literal del término, para hacer
dinero. La moneda americana de un centavo actual, sino que se hace bañando
con cobre un núcleo central de zinc y a continuación se graba esta pieza con
baño de cobre.
Electrosíntesis:
La electrosíntesis es un procedimiento para producir sustancias por medio de
reacciones de electrólisis. Resulta útil para algunas síntesis que requieren un
control cuidadoso de las condiciones de reacción. El dióxido de manganeso se
presenta en la naturaleza en forma pirolusita, pero el pequeño tamaño de los
cristales y las imperfecciones de la red hacen que este material no sea adecuado
para algunas aplicaciones modernas, como las baterías alcalinas. La
electrosíntesis de MnO2 se lleva a cabo en una disolución de MnSO4 en H2SO4
(aq). El MnO2(s) puro se forma por oxidación del Mn2+ sobre un electrodo
inerte (como el grafito). La reacción catódica es la reducción de H+ a H2(g) y la