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Actividad 1

1.1 Introduccin

Aprendiendo los objetivos de la actividad

Despus de completar esta actividad de aprendizaje usted debera ser capaz de escribir la oxidacin y reduccin medias de las celdas de reaccin; ser capaces de listar los principales requerimientos para las reacciones electroqumicas, y ser capaces de identificar las unidades y constantes usadas en clculos electrometalrgicos.

La Electrometalurgia se preocupa por la produccin de metales desde sus iones por la aplicacin de energa elctrica.

La produccin de metales desde sus menas es la principal misin de la metalurgia extractiva. Hay numerosos procesos desarrollados que son usados para reducir y refinar los metales producidos. Ellos pueden ser agrupados en tres categoras:

Pirometalurgia: Proceso en el cual la aplicacin de calor es de importancia primaria. Otros productos qumicos pueden tambin ser adicionados para producir las reacciones deseadas, pero las altas temperaturas son el mayor requerimiento.

Ejemplo: La produccin de lingotes de acero en altos hornos.

Hidrometalurgia: Proceso que depende de la aplicacin o uso de solventes adecuados para producir las reacciones qumicas adecuadas.

Ejemplo: La disolucin de oro en una solucin de cianuro.

Electrometalurgia: Proceso que se preocupa de la produccin de metales desde sus iones por la aplicacin de energa elctrica.

Ejemplo: La produccin de aluminio por el proceso Hall

Este curso se concentrara sobre los conceptos y mtodos usados en la produccin de metales por tcnicas electrometalrgicas.

1.1.1 Tipos de reacciones

Las reacciones entre las especies en solucin pueden ser clasificadas como qumicas o electroqumicas.

En una reaccin qumica, los dos reactantes estn en contacto y la oxidacin o la reduccin toman lugar en la misma ubicacin atmica, por ejemplo:

Ag+ + Cl- AgCl

Mientras una reaccin electroqumica es caracterizada por tener distintas y separadas ubicaciones atmicas, donde las reacciones de oxidacin y reduccin ocurren. Un ejemplo de una reaccin electroqumica es la disolucin de cinc en cido clorhdrico para obtener hidrogeno gaseoso.

Zn+2 + 2HCl ZnCl2 + H2

O, en una escala atmica, la reaccin es:

Zn0 + 2H+ Zn+2 + H2

La reaccin total, en donde e- representa el movimiento electrnico a travs del metal al sitio de reduccin, se pueden separar en dos semireacciones:

a) Zn0 Zn+2 + 2e- Oxidacin

b) 2H+ + 2e- H2 Reduccin

Estos tipos de reacciones electroqumicas sern las de mayor inters para nosotros. En el estudio de las reacciones electroqumicas, esto es ventajoso para revisar algunos de los factores y nomenclatura envuelta. Las reacciones normalmente envolvern especies cargadas o iones,

Cationes, tienen cargas positivas (Cu+, H3O+ o H+).

Aniones, tienen cargas negativas (Cl-, OH-)

Los iones se forman por tenencia de un medio adecuado, o solvente para la disolucin de la sal. El principal solvente o base para la electrometalurgia, es el agua. Modificaciones adecuadas son hechas para ajustar el pH y/o tipo de anin para asegurar las propiedades de solubilidad. (Ciertos sistemas reaccionan con el agua y estos requieren de electrolitos no-acuosos. Dos posibilidades son los lquidos orgnicos y las sales fundidas, los cuales pueden soportar procesos electroqumicos bajo condiciones particulares).

Oxidacin, es l termino usado para describir una reaccin en la cual ocurre una perdida de electrones, ejemplo:

2Cl- Cl2 + 2e-

El in cloruro es oxidado a cloro mas dos electrones.

Zn0 Zn+2 + 2e-

El cinc metlico es oxidado, dando un in libre y dos electrones.

Fe+2 Fe+3 + e-

El in ferroso es oxidado a in frrico.

Reduccin, es l termino para describir una reaccin en la cual hay una ganancia de electrones, ejemplo:

Cl2 + 2e- 2Cl-

El cloro gas se reduce a iones cloruro.

Cu+2 + 2e- Cu0

El ion cobre es reducido a cobre metlico.

[Cd(CN)4] + 2e- Cd0 + 4CN

El cianuro de cadmio complejo es reducido a cadmio metlico.

Cuando las reacciones son escritas de esta manera, ellas se llaman reacciones medias. Esto es debido a que son solo una parte (la mitad) de la reaccin total. Con objeto de obtener la reaccin total, es necesario combinar dos medias reacciones. Una debera ser la celda media correspondiente a la oxidacin y la otra a la reduccin. Por ejemplo:

Zn0 Zn+2 + 2e- Reaccin de la celda media de oxidacin

Cu+2 + 2e- Cu0 Reaccin de la celda media de reduccin

Zn0 + Cu+2 Zn+2 + Cu0 Reaccin total.

Esto debe ser entendido de forma que el nmero total de electrones envuelto en la reaccin de oxidacin, debe ser igual al nmero de electrones para la reaccin de reduccin.

En un proceso electroltico, los cationes migrarn y reaccionarn en el ctodo, mientras los aniones sern atrados al nodo.

1.1.2 Reacciones esenciales de la electroqumica

Una vez que la naturaleza de las reacciones electroqumicas es entendida, todo es sencillo de visualizar. Desde el momento que hay un flujo de carga o electrones ocurriendo durante esta reaccin, es obvio que un circuito elctrico completo puede ser mantenido. Si el circuito se interrumpe, el flujo de corriente se detendr, lo cual significa que las reacciones de oxidacin y reduccin han cesado. Este circuito esta compuesto de cuatro partes primarias y cada una debe estar presente si la reaccin esta siendo mantenida.

1. Sitio andico: un sitio en donde ocurre la oxidacin o perdida de electrones.

2. Sitio catdico: un sitio en donde ocurre la reduccin o ganancia de electrones.

3. Conductor electroltico: un medio de contacto entre ambos sitios, el cual pueda soportar el flujo de iones, ejemplo: agua o sal fundida.

4. Conductor electrnico: una conexin entre el nodo y el ctodo. Este puede ser cualquier medio que pueda soportar o permitir el flujo de electrones con algn grado de facilidad. La mayora de los metales, tales como cobre, aluminio, etc., son algunos ejemplos.

Una representacin esquemtica muestra las cuatro partes esenciales de un circuito electroqumico en la fig. 1.1.1

1.1.3Conductores

La naturaleza y los tipos de materiales envuelto en las reacciones electroqumicas, pueden tener un gran efecto sobre los resultados obtenidos. Esto es, por lo tanto, necesario que sea familiar con los distintos factores que pueden influenciar la conduccin.

Conductividad elctrica es el movimiento de carga elctrica. La capacidad de distintas sustancias a permitir que la transferencia de carga sea determinada por la movilidad de carga, llevando electrones o iones por el interior del material.

Primera clase de conductores.

Los conductores de primer tipo tienen conductancia electrnica, en donde los mensajeros son electrones o agujeros y son caracterizados por la conduccin sin ninguna transferencia de masa substancial. La mayora de los metales, grafito, ciertos metales de transicin nitruros y carburos, y unos pocos xidos (PbO2 , MnO2) muestran este tipo de conduccin. Estos materiales son algunas veces llamados conductores metlicos y su conductividad disminuye, a medida que la temperatura aumenta.

Segunda clase de conductores

Los conductores de segundo tipo tienen conductancia ionica o electrolitica, donde los mensajeros son iones. Hay transferencia de masa asociada con la conductividad. Soluciones acuosas con sales disuelta en ellas y sales ionicas son ejemplo de conductores de este tipo.

La conductividad aumenta con el aumento de la temperatura para este tipo de conductores.

Conductores de tercera clase o mezclados

Existen materiales algunas veces llamados semiconductores, ambos tienen conductancia ionica y electrnica. Usualmente prevalecen del tipo electrnica. Su conductividad es usualmente baja pero aumenta rpidamente con la temperatura. La mayora de los metales oxidados ( ZnO, NiO, etc. ) y algunos metales ( Si, Ge, etc ), se encuentran dentro de esta categora.

Aisladores

Existe una clase adicional de materiales, los cuales pueden ser mencionados tambin como son los aisladores. La conduccin de estos materiales es muy difcil, sin consideracin alguna de los mecanismos envueltos para la conductividad cuando se compara a los otros tipos de conductores mencionados previamente.

Las conductividad relativas de algunas sustancias comunes, son dadas en la tabla 1.1.1

Clase

Conductancia especifica (ohm - cm)-1

Conductor

(Ag, Grafite, etc)

105 - 10 2

Semiconductor

(Ge, Si, Sn)

101 - 10 - 4

Aislador

(Mica, wax,SiO2)

10 - 5 - 10 - 16

Electrolitos (0.1 Molar)

NaOH 2*10 - 2

CuSO4 5*10 - 3

Acido acetico 5*10 - 4

El concepto de conduccin y la influencia sobre la conductancia electroqumica es muy importante

Cada y cualquier reaccin electroqumica que ocurra debe hacerse en la interfase entre el conductor de primer tipo (electrnico) y el de segundo tipo (electrolitico).

Si por ejemplo un electrodo metlico (conductor) tiene una pelcula de oxido (aislador) formada en su superficie, una resistencia a la transferencia de electrones se debera esperar. Esto podra cambiar no solo la velocidad de la reaccin y la energa requerida para ella, sino tambin el tamao, apariencia y propiedades generales del producto metlico producido.

1.1.4Unidades, defini