ELECTRODEPOSICION DE ZINC EN BAÑO ALCALINO

1. OBJETIVOS:

Realizar la electrodeposición de Zinc, en baño alcalino, sobre una probeta de bronce, variando la intensidad y el tiempo.

Determinar el rendimiento o eficiencia catódica, tomando como referencia la 1era ley de Faraday.

Analizar, discutir y explicar los resultados obtenidos.

2. MARCO TEORICO:

ELECTRODEPOSICION DE ZINC ALCALINO

Baño de zinc alcalino

Los baños de zinc alcalino están compuestos de:

Cianuro de Sodio (NaCN)…………………………..9.0g/lt

Cianuro de zinc (Zn(CN )2……………..………..37.5g/lt

Hidroxido de Sodio (NaOH)……………………..90.0g/lt

Esta composición constituye un baño simple de zinc para depósitos opacos, para obtener un deposito de zinc brillante se agrega un abrillantador. Los tipos de baños son: el baño simple para depósitos opacos; baños que contienen pequeñas cantidades como el cobalto, niquel, molibdeno y que producen depósitos relativamente blancos; baños con aditivos organicos que producen depósitos brillantes.

CARACTERISTICAS

En los baños cianurados se obtienen depósitos de granos finos.

Sin importar el pH, el zinc es siempre mas negativo que el hidrogeno.

En baños cianurados, el potencial reversible para la reacción es:

[Zn(CN )4]2−¿+2e−¿→Zn+4CN−¿−1.26V ¿¿ ¿

Consecuentemente el hidrogeno compite con zinc por reducirse, disminuyendo la eficiencia.

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Solucion electrolítica

Cuando se agrega cianuro de sodio, el cianuro de zinc se disuelve para producir una sal compleja, cianuro de zinc-sodio, como sigue:

Zn (CN )2+4 NaCN→Na2Zn (CN )4

Por otro lado cuando usa hidróxido de sodio, con el cianuro de zinc produce un zincato y cianuro de sodio:

Zn(CN )2+4NaOH→Na2Zn(OH )4+2NaCN

Existiendo un equilibrio en la solución de acuerdo a:

Na2Zn(OH )4+4NaOH→Na2Zn (OH )4+4NaCN

O

Zn (CN )42−¿+4OH−¿→Zn (OH )4

2−¿+4CN−¿¿ ¿¿ ¿

Mecanismo de deposición

Recientes estudios muestran una deposición de tres reacciones tipo EQE, como sigue:

Zn (OH )2+e−¿→[Zn(OH )¿¿2 ]−¿ ¿¿ ¿

[Zn(OH )¿¿2]−¿↔ZnOH+OH−¿¿¿ ¿

Zn (OH )+e−¿→Zn+OH−¿¿ ¿

En esta última línea de las reacciones a baja densidad de corriente (o sobretensión)

la reacción química es la etapa determinante de la velocidad,

mientras que a alta densidad de corriente (o sobrepotencial), la última

reacción electroquímica es la determinación de tarifa.

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IMPORTANCIA Y USOS

La electrodeposición de zinc alcalino, comúnmente llamado zincado, es un método de recubrimiento artificial para mejorar la resistencia a la corrosión del acero (y de las aleaciones del hierro).

La extensa protección contra la corrosión del deposito de zinc y las propiedades de sacrificio de este metal son extremadamente importante si hay defectos o imperfecciones en la capa de pintura. Los baños de cianuro de zinc se usan debido a su alto poder de penetración y su capacidad para producir un atractivo brillante, el objetivo principal de los recubrimientos de zinc es la protección del acero. El zincado brillante requiere que el baño este libre de impurezas de metales pesados. Potenciales de reducción de zinc y hierro:

Zn+2+2e−¿→Zn−0.76V ¿

Fe+2+2e−¿→Fe−0.44V ¿

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.

Otro concepto equivalente lo menciona como el desplazamiento del potencial de un electrodo de su valor de equilibrio al paso de un corriente atraves del mismo.la sobretensión es una medida de la polarización del electrodo a consecuencia del proceso que tiene lugar en el durante el paso de la corriente

Por ejemplo, en la electrolisis de una disolución de iones Zn , en el cátodo debería de liberarse hidrogeno (E° =0.00) con mayor facilidad que el zinc (E° =-0.76). 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 deposito de Zinc

La explicación del fenómeno se puede observar claramente en la siguiente figura

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DIFERENTES TIPOS DE SOBREPOTENCIAL

En las electródicas, la velocidad del proceso total está determinada por la del paso más lento.

En el caso en que el paso más lento sea el de transferencia, el comportamiento cinético de la reacción electródica se refiere diciendo que ésta presenta sobrepotencial de transferencia.

Si el paso más lento, y que determina la velocidad del proceso total es el de  difusión,, el comportamiento cinético correspondiente se refiere como de existencia de sobrepotencial de difusión.

En el caso en que el paso que determine la velocidad del proceso total sea otro, se tienen otros comportamientos cinéticos para la reacción electródica conocidos como sobrepotencial de reacción, de cristalización, etc., en dependencia de que el paso más lento sea una reacción química, un proceso de cristalización, etc.

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Variando las condiciones experimentales en que ocurra la reacción, puede variarse la naturaleza del paso determinante de la velocidad total y, por tanto, el tipo de comportamiento cinético del sistema, esto es, el tipo de sobrepotencial presente.

Los tipos de sobrepotenciales mas conocidos son:

- Sobrepotencial de activacion:Es la sobretensión que se origina a través de la doble capa en una interfase electrodo – disolución y que en consecuencia, afecta directamente al proceso electrodico alterando su energía de activación.

- Sobrepotencial de concentraciónEsto se debe a que los iones que son oxidados y reducidos en la inmediata vecindad de la superficie del electrodo va haciéndose menor que en el seno de la disolución, lo que obliga a aplicar para la electrolisis un voltaje mayor que el que sería necesario.

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- Sobrepotencial por resistenciaSe producen debido a la capa de electrolito que rodea el electrodo , películas de recubrimiento o precipitados sobre la superficie del cátodo. En algunos casos se pueden formas películas de oxido dieléctrico que pueden elevar el potencial a varios de centenares de voltios.

- Sobrepotencial por cristalizaciónLa inclusión o supresión de un átomo en lared cristalina determina la velocidad en una reacción de oxidación o reducción.

POTENCIA DE DEPÓSITO

No es suficiente producir depósitos que tengan la apariencia y las propiedades deseadas, sino que también debe de ser capaz de aplicar estos recubrimientos en tal forma que cubran completamente el artículo mediante la película metálica en tal forma que esta sea casi completamente uniformes en espesor.El termino potencia de depósito fue utilizado como una medida cualitativa acerca de la posibilidad que tenían de depositar un metal determinado sobre la superficie completa de un articulo. Este significado se expresa mejor mediante el término “PODER CUBRIENTE”.

Los factores que determinan la distribución de los depósitos metálicos , no son bien conocidos pero se podrían ser:

- Distribución primaria de la corriente

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Se le denomina así a 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 polarizaciónLa polarización aumenta al aumentar la densidad de corriente por lo tanto, en un artículo de forma irregular, la polarización es mayor en los puntos de más alta densidad de corriente. Este hecho hace más difícil que la corriente llegue a esos puntos que si no hubiera polarización.

- Efecto de la conductividadSe sabe que la distribución primaria de corriente en un sistema dado no esta influenciado por la conductividad del baño. Sin embargo, cuando hay una polarización apreciable (como en la mayoría de baños galvánicos) por lo que aumenta la conductividad de la solución y por ende una mejor distribución de la corriente.

- Efecto de la eficiencia catódicaSi la eficiencia catódica aumenta la densidad de corriente entonces la distribución del metal será menos uniforme, sin embargo como sucede en algunos baños si la eficiencia catódica disminuye con la densidad de corriente la deposición del metal es más uniforme y por lo tanto la potencia de depósito aumenta.

3. DATOS Y RESULTADOS:

Tabla N°1. Datos recogidos en el laboratorio

Masa depositada(gr)

I(A/dm2) 60 90 120

1 0.01 0.019 0.023

1.5 0.019 0.03 0.037

2 0.023 0.037 0.043

2.5 0.025 0.042 0.047

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Graficando la tabla anterior

1 1.5 2 2.50

0.02

0.04

0.06

0.08

0.1

0.12

Masa depositada vs J

tiem-po120s

tiempo 90

tiempo 60s

J(A/dm2)

mas

a de

posit

ada

Grafico N°1. Masa depositada vs j(A/dm2)

Calculando la eficiencia catódica

M depositada teorica= I *t*(Peso equivalente)/ F

=1 A*60 s*(65.39/2)/96500 C

=0.020g

Eficiencia catodica catódico=( Masa depositada real/ masa depositada teórica )* 100%

= 0.010/0.020 * 100

=49.2 %

Realizando el cálculo similar para lo demás datos obtenemos los siguiente tabla

Tabla N°2. Eficiencia catódica de la experiencia del laboratorio

  Eficiencia catódica

I(A/dm2) 60 90 120

1 49.1845056

62.3003738

56.5621814

1.5 62.3003738

65.5793408

60.6608902

2 56.5621814

60.6608902

52.8733435

8

2.5 49.1845056

55.0866463

46.2334353

Graficando la anterior resultados para una para Intensidad constante, luego para un tiempo constante, también la grafica de velocidad de deposición

50 60 70 80 90 100 110 120 13040

45

50

55

60

65

70 Eficiencia vs tiempo

1 a/dm21.5 A/dm22A/dm22.5A/dm2

Tiempo(s)

Rend

imie

nto

Grafico N°2 Eficiencia catódica vs tiempo, para distintas intensidades constantes

1 1.5 2 2.540

45

50

55

60

65

70

Eficiencia vs J

tiempo 60s

tiemmpo 90s

tiempo120s

J(A/dm2)

rend

imie

nto

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Grafico N°3 Eficiencia catódica vs densidad de corriente a distintos tiempos

0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 2 2.2 2.4 2.60

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2

1.4

1.6

1.8

Velocidad de deposicion vs J

tiempo 60stiempo90stiempo120s

J(A/dm2)

Velo

cidad

(gr/

h)

Grafico N°4 velocidad de deposición vs densidad de corriente, a distintos tiempos

4. DISCUSIÓN DE RESULTADOS:

Anaisis Grafica numero 1 (Masa depositada vs j(A/dm2))

Se puede apreciar que a una intensidad de trabajo la masa depositada en el electrodo es proporcional al tiempo de trabajo, pero algo que es apreciable es que no hay una relación lineal entre tiempo de trabajo y masa depositada en el electrodo para una misma intensidad como asi lo predecia la ecuación de Faraday.

Análisis de la gráfica numero 2 (eficiencia catódica vs tiempo, para distintas intensidades constantes):

Se puede apreciar que no hay relación de proporcionalidad entre la eficiencia e intensidad para un mismo tiempo de trabajo y tampoco la hay entre eficiencia y tiempo para una misma intensidad de trabajo.

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Tambien podemos ver que la máxima eficiencia lograda es 65.57% y la minima es 46.23%

Otra cosa que apresiamos es que las altas eficiencias se logran con la línea roja correspondiente a 1.5 Amp. Y las bajas eficiencias se logran con las línea lila correspondiente a 2.5 Amp.

Análisis de la gráfica numero 3 (eficiencia vs densidad de corriente):

Se observa que, para una misma intensidad, la eficiencia mayor se da en un tiempo t=90 s confirmando así que un mayor tiempo de electrolisis no necesariamente implica una mayor eficiencia, esto sucede debido a que la que la concentración de los iones metálicos (en este caso el Zn2+) en baño electrolítico disminuye con el tiempo.

Si observamos para un mismo tiempo, la máxima eficiencia se encuentra en J= 1.5 Amp/dm2, en la experiencia se observó que a partir de 1.5 en adelante la formación de hidrogeno en la superficie catódica se hacía más intensa al aumentar la densidad de corriente, debido a esto la eficiencia decrece para valores muy altos de J, ya que la corriente ya no se usa para producir el recubrimiento sino que actúa en favor de la formación de hidrogeno, acentuándose en tiempo debido a la disminución de la concentración mencionada también en el punto anterior.

Análisis de la gráfica numero 4(velocidad de deposicion vs densidad de corriente):

Se observa que para un mismo tiempo, la velocidad de deposición sobre la superficie catodica se incrementa cuando se incrementa la densidad de corriente, pero no significa que se consiga mayor eficiencia, solo se consigue una mayor cantidad en un mismo tiempo.

5. CONCLUSIONES:

La masa depositada es proporcional al tiempo de trabajo. La eficiencia de trabajo cambia con el avanze de tiempo porque las

características de la superficie del electrodo cambia con la masa depositada.

A mayor tiempo de electrolisis, la eficiencia del proceso disminuye

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El aumentar la intensidad del proceso electroquímico no implica una mayor eficiencia, por el contrario se produce la generación de hidrogeno, disminuyendo asi la eficiencia.

Aumentar la densidad de corriente nos ayuda a conseguir una mayor cantidad de masa depositada en un proceso para un tiempo determinado, mas no implica mayor eficiencia.

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