INTRODUCCIÓN

En el siguiente informe se realizará el estudio de la técnica de análisis instrumental de electrogravimetría, la cual basa su estudio en la electrolisis y en la electrodeposición de iones metálicos cargados en electrodos de metales inertes, al hacer pasar una corriente a través de estos, el movimiento de electrones causa que los iones negativos se dirijan hacia el ánodo y los positivos hacia el cátodo que es el electrodo de interés ya que de este se determina la masa de material electrodepositado.

La electrogravimetría basa su estudio en las leyes de Faraday, las cuales se enuncian simplemente en dos postulados, uno de ellos se dice: “La cantidad de una sustancia dada, que se libera en un electrodo, es proporcional a la cantidad de electricidad que pasa a través del sistema”, esto relaciona íntimamente la cantidad de un metal disuelto en solución con la cantidad de electricidad del sistema, la cual es proporcionada por una fuente; el segundo postulado dice: “Las cantidades de diferentes sustancias que se depositan por la misma cantidad de electricidad, son proporcionales a los pesos químicos equivalentes de estas sustancias”, este enunciado relaciona de la misma manera la cantidad de iones metálicos y sus pesos equivalentes de interés con la cantidad de corriente; Faraday también introduce una constante muy utilizada al momento de obtener mediciones de masas, la cual vale 96487 C/mol y es conocida como la constante de Faraday.

La técnica de electrogravimetría no solo es utilizada como análisis cuantitativo, también como una de sus aplicaciones mas sobresalientes existe en la industria como la técnica de recubrimiento con metales, la cual genera además de una protección extra contra la oxidación, brinda una nueva opción de estética a muchos utensilios metálicos.

Finalmente dentro de este análisis y posterior a su aplicación se reconocerá el tipo de instrumentos utilizados para la medición en los cuales también y como en todas las técnicas influyen múltiples variables físicas y químicas que generan variaciones en la medición tales como el voltaje, la intensidad de corriente, la agitación, el tiempo, entre muchas otras; las cuales determinan el éxito de esta técnica.

DATOS OBTENIDOS Y ANÁLISIS DE RESULTADOS

El estudio de esta técnica se realizó en una sola sesión en la cual se logró estudiar los factores que influyen en esta y algunas de sus aplicaciones.

a) Generalidades de la electrodeposición:

Inicialmente se reconoció el tipo de equipo a utilizar el cual consta fundamentalmente de una fuente de poder, un agitador magnético, un beaker para la solución a electrodepositar y dos electrodos que pueden variar en cuanto el material, pero los más utilizados son los de platino, debido que su no reactividad para con las soluciones trabajadas.

Para esta parte del laboratorio se realizan diversas pruebas que muestra la guía de laboratorio y se responde las preguntas correspondientes:

1. Se toma una solución de CuSO4 en un beaker y se le agrega ácido sulfúrico concentrado, y se sumergen los electrodos sostenidos por el instrumento de medida, conectando el cátodo en el terminal negativo y el ánodo en el positivo, se introducen en el beaker con la solución.

¿Sucede algo y por qué?

R/ Inicialmente no sucede nada ya que no se aplico ningún tipo de corriente eléctrica a los electrodos, además de que el platino es inerte dentro de esta solución, por tal razón no hay reacción química.

2. Se aplica a la fuente una diferencia de potencial de 1 V.

¿Se ha vencido el potencial termodinámico y por qué?

R/ inicialmente en los electrodos se ven muy pocas burbujas (gases), mas en el cátodo que en el ánodo, lo cual muestra un ligero avance en la reacción, sin embargo no se logra vencer el potencial termodinámico ya que este es superior a 1 V.

3. Se aplican 4 V a los electrodos, marcando una intensidad de 0,16 A, además como el electrodo es de forma rectangular se le determinó el área de la siguiente manera:

Donde

A es el área del electrodo.b es la base del rectángulo que forma el electrodo que mide 3,7 cm.h es la altura del rectángulo que forma el electrodo que mide 0,7 cm.

Se calcula la densidad aproximada de corriente así:

Donde

D es la densidad de corriente.I es la corriente.

Finalmente se levantan los electrodos y se observa que sucede.

¿Se observa algo en el cátodo y por qué?

R/ Al aumentar el voltaje se supera el potencial termodinámico y la reacción comienza, se nota la presencia de muchas burbujas de gases producidos del hidrógeno formado por el medio ácido, y el cátodo se comienza a oxidar y a tornarse de color café debido a la deposición del metal, al subir los electrodos se baja la intensidad de corriente, debido que los electrones no circulan por la solución.

4. Se adicionan 3 mL de ácido nítrico limpio.

¿Se observa algún cambio relativo en el cátodo y por qué?

R/ Se observa como se torna mas oscuro el color del electrodo ya que al adicionar el ácido nítrico se acelera la electrodeposición, debido a que éste es un electrolito fuerte y un despolarizador, además de eso se baja la producción de burbujas, ya que el ión NO3

- atrapa el hidrogeno, se reduce y pasa al ión amonio (NH4

+), según la siguiente reacción.

5. Se suspende el voltaje y se dejan los electrodos sumergidos por 2 minutos, luego se retiran y se frotan con una servilleta.

¿Qué sucede y por qué?

R/ A suspender el voltaje se termina la reacción, al limpiar los electrodos se desprende un poco del recubrimiento, aunque este electrodo aun queda algo café, para evitar el desprendimiento de la electrodeposición se debe primero sacar los electrodos de la solución antes de suspender el voltaje, ya que si se suspende dentro de esta, los iones cobre no quedan adheridos al electrodo, sino que como ya no tiene una carga que los soporte vuelven a su estado de disolución.

6. A continuación se lavan el cátodo con ácido nítrico, y se prepara una solución con 10 mL CuSO4, 1 mL de ácido sulfúrico concentrado y 3 mL de ácido nítrico 6M; se introducen nuevamente los electrodos y se le aplica un voltaje de 3,51 V, y se observa lo sucedido.

¿Qué sucede con la corriente y por qué?

R/ Al inicio de la electrodeposición la corriente es de 0,49 A y al final sube hasta 0,54 A, al tocar el beaker, se siente muy poco caliente, esto es debido a que como la mayoría de los iones de cobre ya se han electrodepositado, estos tienden a ejercer una resistencia a la reacción, por lo que se requiere una mayor energía y se provoca un aumento en la temperatura.

7. ¿Cuánto tiempo demorará en electrodepositarse todo el Cu+2 suponiendo que la intensidad de corriente es de 1 A, que el volumen de muestra es 50 mL y que la concentración del ión Cu+2 es de 1 g / 100 mL?

R/ Para hallar el tiempo se emplean las siguientes ecuaciones:

Donde

Q es la carga en Coulombs.I es la intensidad de corriente en amperios.T es el tiempo en segundos.

Donde

m es la masaPM es el peso molecular de cobre que es 63,54 g/mol.Z es el número de electrones transferidos que para el cobre son 2.

es la constante de Faraday 96487 C/mol.

Se reemplaza Q y se despeja el tiempo:

8. Se retira una gota de solución en un tubo de ensayo y se le adicionan unas gotas de amoniaco concentrado.

¿Qué sucede y por qué?

R/ No sucede nada, esta prueba determina si la electrodeposición ha sido completada, ya que al adicionar amoniaco a la solución de cobre, si aun existe cobre debe aparecer una coloración azul, ya que el cobre forma un complejo coloreado con el amoniaco según la siguiente reacción:

2Cu + SO42- + 2NH3 + 2H2O   Cu2SO4(OH)2 + 2 NH4

+

Cu2SO4(OH)2 + 8NH3   2Cu(NH3)42+ + SO4

2- + 2 OH-

Si la electrodeposición no se ha terminado esta prueba presenta coloración ya que aun quedan residuos de cobre en la solución.

9. Suponiendo que se electrodepositó todo el cobre se retiran los electrodos lentamente sin suspender el voltaje debido a lo que se explica en el numeral 5, y además por que la solución es ácida y al retirar el voltaje se genera una especie de celda voltaica, razón por la cual el cobre depositado se disolvería nuevamente.

10. Se supone que se electrodepositaron exactamente 0,5 g de cobre y se determina el porcentaje en la solución.

Donde

M es la molaridad.n son las moles.V es el volumen de solución en litros.

11. A continuación se realiza una electrodeposición pero en vez de un cátodo de platino se realiza con uno de hierro, aplicando 2 V durante 2 minutos, en la cual se observa disolución del hierro debido al medio ácido. Posterior a esto se aumenta el voltaje hasta 4 V y se electroliza durante 4 minutos.

¿Qué sucede y por qué?

R/ Al aplicar el voltaje se observa de nuevo el desprendimiento de gases y el cobrizado del electrodo de hierro, la corriente al principio era de 0,59 A y sube hasta 0,63 A; pero sin embargo, un análisis con este tipo de electrodo no debe hacerse en medio ácido ya que como se pudo observar, este se disuelve y no se estaría cobrizando realmente y a nivel industrial este método no generaría buenos resultados.

12. Se limpian los electrodos y prepara de nuevo la solución de cobre con 10 mL 0,01 M CuSO4 pero esta vez se le adiciona 1 mL de amoniaco concentrado y 3 mL de nitrato de amonio 6 M y se agita suavemente.

¿Con qué fin se agrega el nitrato de amonio?

R/ Este compuesto además de mantener la alcalinidad, funciona como electrolito despolarizador para aumentar la velocidad de la electrodeposición.

13. Seguido a esto se introducen en la solución y se les aplica un voltaje de 4 V y se electrodeposita por 4 minutos.

¿Qué sucedió?

R/ Se realizó un cobrizado mas débil que con el electrodo de platino, sin embargo se da por dato importante que el hierro no se disuelve en esta solución a pH alcalino. La intensidad en un principio fue de 0,07 y no cambio.

¿Podría hacerse un análisis electrogravimétrico en estas condiciones?

R/ En efecto se podría, ya que el electrodo de hierro no se disolvería en el medio alcalino, pero sin embargo la electrodeposición debería dejarse por más tiempo ya que a pesar de que es un buen método, la velocidad de deposición es mas lenta.

En la industria de los electrorecubrimientos, primero se deposita una capa tenue de cobre en el objeto de hierro en medio básico (usando sales cianuradas), luego se hace el depósito en medio ácido. Sin embargo los ánodos son de cobre y no de platino, ¿Por qué?

R/ Esto es debido a que el cobre es mucho más económico que el platino y además presenta una buena afinidad con el medio de reacción, y no se disuelve fácilmente en este.

¿Se cumple con la finalidad del brillo metálico y la buena adherencia?

R/ Dentro de la industria estos dos factores son fundamentales y son cumplidos a cabalidad, dentro del análisis analítico el brillo metálico no es un factor tan relevante y por tanto no se cumple, sin embargo la electrodeposición presenta siempre muy buena adherencia.

¿Qué se debe hacer para retirar el recubrimiento de cobre del electrodo de platino?

R/ Las reacciones electrolíticas presentan reversibilidad y esto dentro del laboratorio se ve en el momento en el que se suspende el voltaje dentro de la solución y se remueven el recubrimiento, debido a que se genera un tipo de pila voltaica que libera los iones de cobre en la solución.

b) Análisis cuantitativo:

Para esta parte del laboratorio se planea utilizar la técnica de electrogravimetría para el análisis cuantitativo de una muestra de cobre ya preparada en una solución en la cual se diluyeron 0,25 g de mineral en 100 mL de solución acuosa, para esto se tomó una porción de 10 mL, se le adicionan 3 mL de HNO3 6 M y 1 mL de H2SO4

concentrado y el agua necesaria para cubrir los electrodos, los cuales previamente deben de estas lavados con ácido nítrico caliente.

La solución debe estar caliente (entre 45 ºC y 50 ºC) y con una agitación suave, se hidroliza la solución a una intensidad de corriente constante de 0,5 A la cual debe ser modificada en caso de que se altere. Inicialmente se debió pesar el cátodo de platino el cual dio una masa de 0,4194 g al final de la electrodeposición se obtiene que el electrodo pesa 0,4198 g. se realizan los cálculos tanto gravimétricamente como coulombimétricamente y se observa la diferencia entre ambos procedimientos.

Gravimétricamente:

Coulumbimétricamente:

0,148 g de Cu.

%

Se calcula el porcentaje de error entre los dos métodos:

Esto demuestra la diferencia en los diferentes métodos, ya que el método coulombimétrico depende de muchos factores tales como el mantenimiento de la intensidad constante lo cual se ve también afectado por la calidad de la fuente, ya que la intensidad variaba mucho y el tiempo adecuado para que el porcentaje de error se minimizado.

c) Aplicaciones industriales:

Dentro de una de las aplicaciones industriales de la electrogravimetría es el recubrimiento metálico de materiales metálicos, los cuales al ser sometidos a la electrólisis en una solución de iones a electrodepositar, toma un nuevo aspecto que le evita en muchos caso la oxidación y genera nuevos tonos, formas y aspectos.

Para esto se tomó una lámina de cobre y se le aplicó una solución para cromar, la lámina debió ser desengrasada primero con una solución desengrasante compuesto

por hidróxido de sodio, metasilicato de sodio, trifosfato sódico y carbonatos de sodio, en la cual se introduce como ánodo la lámina a desengrasar y como cátodo un electrodo de platino, se le aplica 4 V en la fuente por 5 segundos y se retiran; ya desengrasada se le adiciona a 80 mL de la solución para cromar con esta vez la pieza a recubrir como cátodo y un electrodo de platino como ánodo a esta se le aplica una intensidad de corriente de 0,5 A por un tiempo de 5 minutos, al fina de la electrodeposición se debía presentar una tonalidad plateada en el cobre, pero la acidez de la solución para cromar desintegró el cobre haciéndolo inservible.

CONCLUSIONES

El análisis electrogravimétrico es muy utilizado dentro del análisis químico, sin embargo éste requiere unas cantidades relativamente significativas de muestra y de material electrodepositado para que pueda ser utilizado, lo cual genera una limitación grande que otras técnicas como la fotometría sobrepasan y mejoran, ya que estas técnicas son mucho mas sensibles a concentraciones muy pequeñas.

Dentro de los aspectos mas sobresalientes de la electrogravimetría se encuentran las múltiples aplicaciones industriales que esta maneja, ya que además de generar en el aspecto de la estética una mejor presentación de algunos materiales, funcionan como agentes protectores y dadores de propiedades secundarias, también manejado aplicaciones en la purificación de soluciones con iones metálicos y como se observó en el laboratorio en análisis químico.

Se debe tener muy en cuenta que esta técnica cuenta como en todas con muchas variables que afectan el éxito de la medición, una de las mas difíciles de controlar es la aplicación de la corriente, ya que esta tiende a variar mucho, debido a que los equipos no están sistematizados para mantener un valor permanente de intensidad.

Otro de los aspectos fundamentales a la hora de utilizar esta técnica es el estado y el tipo de electrodos utilizados ya que estos son determinantes a la hora de obtener buenos resultados, los mas utilizados en esta técnica son los de platino, los cuales son inertes dentro de las soluciones, sin embargo son muy costosos, por ello se debe tener siempre electrodos de diferentes tipos y se debe conocer sus efectos con los iones, con las soluciones y su medio; así también el tratamiento de lavado, pesada y electrodeposición de los electrodos deben tenerse muy presentes a la hora de realizar los análisis correspondientes.

INFORME DE LABORATORIO DE ANALISIS INSTRUMENTAL

POTENCIOMETRÍA

SANDRA MILENA BONILLA CASTAÑEDA

31432741

JAIME ALEJANDRO MARTÍNEZ ACOSTA

1088258855

ENTREGADO A:

PROFESOR EDWIN JOHVANY ALZATE

UNIVERSIDAD TECNOLÓGICA DE PEREIRA

21 DE MAYO DE 2008

FACULTAD DE TECNOLOGÍAS