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QUÍMICA - ELECTRICIDAD

LA ELECTRÓLISIS. APLICACIONES.

En química , es la producción de cambios químicos haciendo pasar una corriente eléctrica a través de una solución o sal fundida ( el electrólito ) , lo que resulta en la migración de los iones a los electrodos : iones positivos (cationes ) al electrodo negativo (cátodo ) y los iones negativos ( aniones ) al electrodo positivo (ánodo ) .

Durante la electrólisis, los iones reaccionan con el electrodo, o bien recibiendo o dando electrones. Los átomos resultantes pueden ser liberados en forma de gas, o depositados en forma de sólido en el electrodo, en cantidades que son proporcionales a la cantidad de corriente que circula, según lo descubierto por el químico Inglés Michael Faraday. Por ejemplo, cuando el agua acidificada es electrolizada, los iones de hidrógeno (H +) en el cátodo reciben electrones para formar gas de hidrógeno; y los iones de hidróxido (OH -) en el ánodo dan los electrones para formar gas de oxígeno y agua .

Temas relacionados

• Conducción eléctrica a través de líquidos y gases
• Producción de Cloro por electrólisis

Una de las aplicaciones de la electrólisis es la galvanoplastía, en la que se utiliza una solución de una sal , tal como el nitrato de plata (AgNO₃ ) , y el objeto a ser enchapado actúa como el electrodo negativo, lo que atrae los iones de plata (Ag + ). La electrólisis se utiliza en muchos procesos industriales, tales como revestimiento de metales para vehículos y barcos, refinación de bauxita en aluminio, y en la industria de cloro- álcali, en la cual una salmuera (solución de cloruro de sodio) es electrolizada para producir cloro, hidrógeno e hidróxido de sodio (sosa cáustica o soda cáustica), la electrólisis también forma la base de un número de técnicas analíticas electroquímicas , tales como la polarografía .

Electroquímica básica

Galvanoplastia ( también electroplastía, electrochapado, etc. ) es un método de aplicación de una corriente eléctrica para depositar una capa delgada de metal sobre otro a partir de una solución que contiene una sal disuelta del metal seleccionado.

Para que esto suceda tenemos que crear un circuito cerrado, una celda electrolítica, donde cada elemento en el sistema es de igual importancia.

Un ánodo conectado al terminal positivo; el ánodo se compone generalmente del material que queremos depositar. El cobre en el caso de enchapado (también llamado chapado, bañado, etc.) de cobre, de níquel en el caso de enchapado de níquel y así sucesivamente. También es posible el uso de ánodos de placa "inertes" como varillas de carbono en ciertos casos.

Un cátodo conectado al terminal negativo; el cátodo es el componente en el que tenemos la intención de depositar el metal. En el taller de enchapado esto se conoce comúnmente como la " pieza de trabajo", o simplemente el "trabajo ".

Un tanque para albergar a la solución de trabajo, que contenga las sales apropiadas con los metales disueltos. El término correcto para esta solución es "electrolito", pero en el comercio de enchapados por lo general se refiere a la misma simplemente como la "solución".

Cuando los electrodos se sumergen en la solución, el circuito queda completado y tenemos todos los elementos de la celda electrolítica en su lugar. Todo lo que queda es activar la alimentación del rectificador, y entregar una cantidad adecuada de corriente continua al sistema. Esto hace que los iones de metales se disuelvan desde el ánodo y entren en la solución. Los iones metálicos son en realidad átomos con uno o más electrones faltantes. Los iones metálicos que ya están en la solución, proporcionados originalmente por la sal disuelta, migran hacia el cátodo (la pieza de trabajo) donde se recogen los electrones y se depositan de nuevo como metal puro. Estos iones se sustituyen por los que salen del ánodo manteniendo así la solución más o menos en equilibrio.

Los ánodos inertes, mencionados anteriormente, no contribuyen con iones metálicos a la solución. Un ejemplo común de esto está en el cromado, donde los ánodos no se forman a partir de cromo, sino a partir de plomo o una aleación de plomo. El plomo conduce la electricidad en el baño que hace que la electrólisis se produzca y los iones de metal de cromo en la solución migran hacia el cátodo para depositar el cromo metálico (electrodeposición).

Sin embargo, como no hay nuevos iones de cromo puedan ser proporcionados por los ánodos, estos iones tienen que ser constantemente repuestos a través de adiciones del compuesto comúnmente conocido como ácido crómico (para cromado electrolítico) ( más correctamente óxido de cromo (VI) (CrO₃)) .

Las sales que contienen metales que son usadas para proporcionar los iones requeridos se producen en reacciones químicas, tales como las que resultan de la disolución de metal puro en ácido, soluciones alcalinas o cianuro entre otros. El sulfato de cobre, por ejemplo, se puede producir por disolución de gránulos de cobre en ácido sulfúrico caliente. En este caso, el hidrógeno en el ácido es expulsado y reemplazado por el cobre. El precipitado resultante existe como una celosía de cobre e iones de sulfatos.

En su estado seco, este compuesto de metal espera su introducción en el agua, cuando está disuelto los iones se disocian liberando cationes de cobre ( Cu² +) y aniones de sulfato ( SO₄² - )

El físico Inglés Michael Faraday (1791 - 1867) nos proporcionó las normas importantes que rigen la electro - deposición. Demostró que la cantidad de metal depositado en el cátodo y la cantidad disuelta en el ánodo son directamente proporcionales a la cantidad de electricidad que pasa, en otras palabras, dependen de la corriente y del tiempo de la electro-deposición .

Gracias a sus esfuerzos y a otra de sus normas, la constante de Faraday, podemos calcular el peso teórico de depósito de cualquier metal que estemos electro depositando en base a su peso atómico y al número de electrones que intervienen en la reacción electroquímica. ( Los átomos ganan y pierden electrones durante el proceso de electro deposición como lo hacen en todas las reacciones químicas,  esto hace que los mismo se vuelvan iones positivos o negativos )

Rendimiento catódico

Esto nos lleva a una discusión sobre "la eficiencia catódica". Las soluciones de enchapado que entregan el total del peso teórico de metal dentro de una relación corriente / tiempo específico (  Faraday - 26,8 amperios-hora ) se dice que tienen 100 % de eficiencia catódica. De todos los metales depositados, sólo los depósitos de plata coinciden con la teoría. El resto de los metales tienen una eficiencia de cátodo que van a la baja hasta un mínimo de 12 %. Esto es porque el hidrógeno que se genera durante el proceso de electrodeposición también migra hacia el cátodo y se libera o absorbe allí.

Así en el caso de una solución de electrodeposición que demuestre tener 80 % de eficiencia de cátodo, el balance del "depósito " se compone de 20 % de hidrógeno.

Una baja eficiencia de cátodo explica por qué las soluciones de cromo desprenden gas tan furiosamente durante el proceso de galvanoplastia, dando lugar a grandes cantidades de pulverizados peligrosos. Esto tiene que ser tratado con uno u otro mecanismo , tanto para proteger a los trabajadores como para conservar la solución . Esto también explica la "retención de gas", donde el hidrógeno se acumula en áreas de densidad de corriente incómodamente baja donde bloquea el paso de los iones metálicos .

Mucho trabajo se ha hecho sobre aditivos patentados para ayudar a superar este problema en el cromado y los aditivos modernos pueden duplicar el rendimiento catódico inherente.

Fragilización por hidrógeno

La mayor parte de este hidrógeno burbujeando vigorosamente en el cátodo es liberado a la atmósfera. Pero algo del mismo es absorbido en el cátodo,  en la pieza de trabajo .

Si la pieza de trabajo se trata de un componente de acero endurecido de alto carbono, la entrada de este hidrógeno en la estructura del metal puede conducir a lo que se conoce como " fragilización por hidrógeno ". A medida que el hidrógeno se reacomoda dentro de la estructura, las tensiones internas creadas a menudo son suficientes para causar que una parte se fracture sin ninguna fuerza externa aplicada. Incluso si la pieza no se rompe por sí sola, puede hacerlo fácilmente con la aplicación de una tensión externa mínima. Es fácil ver entonces el potencial de consecuencias catastróficas en componentes críticos para la seguridad.

El potencial de fragilización por hidrógeno puede ser revertido por un tratamiento térmico inmediatamente después de la electrodeposición para extraer el hidrógeno, antes de que éste pueda causar algún daño. Si se lo deja por mucho tiempo, el daño se vuelve irreversible.

Peso del metal depositado en la electrolisis

Vimos que el peso del cuerpo depositado por electrolisis depende, en primer lugar, de la substancia que constituye dicho cuerpo.

Por otra parte, el peso depositado dependerá asimismo de los dos factores siguientes:

1.° De la intensidad de corriente que atraviesa el electrolito, lo que puede ser comprobado experimentalmente observando que cuanto mayor es la intensidad de corriente, proporcionalmente mayor es la cantidad del cuerpo depositado.

2.° Del tiempo que dura el proceso de electrolisis, cosa lógica, ya que cuanto mayor es el tiempo de circulación de la corriente, proporcionalmente mayor será el efecto desarrollado .

En consecuencia, habiendo definido como equivalente electroquímico ε de un cuerpo, al peso en miligramo depositado por una corriente de 1 amperio de intensidad durante 1 segundo de tiempo, el peso depositado por una corriente de I amperios de intensidad, que atraviesa el electrolito durante t segundos de tiempo será de

P = ε I t miligramos

fórmula que dice : el peso del cuerpo depositado por electrolisis es igual al producto de los valores del equivalente electroquímico de la substancia que compone el cuerpo por la intensidad de la corriente, en amperios, y el tiempo de duración en segundos.

Ejemplo, Cuánta plata se precipitará en el cátodo de una cuba electrolítica si una corriente de 200 A de intensidad atraviesa el electrolito durante 15 minutos ?

Siendo el equivalente electroquímico de la plata 1,118 mg y durando el proceso de electrólisis t = 15 X 60 = 900 segundos, la cantidad de plata precipitada será

P=ε I t = 1,118 X 200 X 900 = 201.240 mg= 201.24 g

Distribución del metal

Cuando se aplica una corriente a una carga de trabajo, la distribución de la corriente no es uniforme sobre toda la superficie. Si un área de 1 decímetro cuadrado es electrodepositada  a 4 amperios, la densidad de corriente promedio es de 4 amperios / dm ² , pero la verdadera densidad en cualquier punto ( la densidad de corriente local) puede variar ampliamente. La variación real dependerá de la forma de la pieza y la disposición de los ánodos; incluso con la más simple de las formas - una lámina plana - la variación será de no menos de 2:1 . Será mayor con formas más complejas, tales como un tubo donde poca o ninguna corriente alcanzará el interior. Mediante el uso de ánodos diseñados especialmente, la distribución de la corriente se puede mejorar.

Al igual que hay un intervalo preferido de densidades de corriente de cátodo para cada solución de enchapado, también hay un rango correcto para la densidad de corriente del ánodo. Una densidad demasiado alta puede causar la formación sobre el ánodo de una película aislante (normalmente óxido), lo que puede reducir la corriente y causar otros problemas. También se debe evitar una densidad demasiado baja .

Poder de penetración  

El poder de penetración de una solución de electrodeposición es una medida de la capacidad de dicha solución de producir electrodeposición de un espesor uniforme sobre un cátodo de forma irregular.

Recuerde que el objeto de trabajo a ser plateado es el cátodo,  por lo que un cátodo de forma irregular se refiere a una pieza en forma muy compleja que tiene que ser procesada. Si tal ejemplo de cátodo (o pieza de trabajo) es enchapado a un espesor uniforme en toda su superficie, la solución se dice que tiene un poder de penetración perfecto. Si se electrodepositó sólo en aquellas áreas más cercanas a los ánodos entonces se dice que la solución tiene un poder de penetración muy pobre. Todas las soluciones de galvanoplastia caen en algún lugar entre estos dos extremos y se pueden clasificar como "buena", "media" o "mala".

Fig: Diversos ánodos conformados para electrodeposición del diámetro exterior de barras cortas, ejes, cilindros, caños, etc.
Fig. Ejemplo de máquina de galvanización

Siempre es deseable asegurar un espesor uniforme de electrodeposición,  o distribución uniforme de metal. La distribución de metal depende principalmente de la distribución de la corriente, lo que sabemos es que es desigual, habrá, por esta razón, un grosor desparejo correspondiente de chapado. Cualquier medida que se adopte para producir una mejor distribución de corriente  también dará como resultado un espesor de recubrimiento más uniforme. Uno de tales métodos sería construir un ánodo conforme o de forma adaptada a la pieza; que es un ánodo que se construye para seguir la forma de la pieza que está chapada. Cuando el componente tiene un hueco, el ánodo deberá tener una proyección conforme al hueco, siempre manteniendo una distancia segura de la superficie para evitar que se queme.

Nivelación

Cada metal tiene sus propias propiedades; estas propiedades individuales pueden ser buenas o malas, importantes o no. Ningún metal tiene buenas propiedades únicas, y todos son mezclas de lo bueno y lo malo. Tome el acero como un ejemplo. Este tiene muchas más buenas propiedades que malas y es por eso que es tan ampliamente utilizado. Es abundante y barato, es fuerte y duro y tiene un punto de fusión alto, es trabajable,  puede ser enrollado en hojas o estirado para formar  alambre;  se puede mecanizar en formas intrincadas o fundido en enormes vigas.

Estas son buenas propiedades, ningún otro metal tiene tantas. Su principal propiedad es su pobre resistencia a la corrosión, produciéndose su corrosión severa en atmósferas húmedas y que llegue a mancharse incluso en los buenos ambientes.

El zinc tiene propiedades muy diferentes. Es más caro, es blando y se funde a una temperatura baja. Pero resiste a la corrosión mucho mejor que el acero. Un revestimiento delgado de zinc aplicado a la superficie de acero, mediante galvanoplastia, da al acero gran parte de la resistencia a la corrosión del zinc. Por lo tanto, una pieza de acero chapado en zinc combina las buenas propiedades de los dos metales. Esta es, pues, la razón principal de la galvanoplastia. Permite al ingeniero combinar las buenas propiedades mecánicas de un metal, con las propiedades superficiales deseables de otro.

Requisitos precisamente definidos de componentes y de artículos terminados determinan la elección correcta de la capa o sistema de capas. La galvanoplastia nos permite utilizar las mejores cualidades de los distintos metales y hacer que funcionen juntos de la mejor manera posible.

Los diseñadores y planificadores de producción pueden elegir la superficie técnicamente ideal y más económica a partir de una amplia gama de diferentes galvanizados. El enchapado al zinc a veces combinado con cromado y sellado, capas de aleación de zinc , sistema de capas de cobre / níquel / cromo, niquelado galvánico, cromado duro , estañado , chapado en plata, chapado en oro,  estas son todas opciones en la galvanoplastia funcional. La industria de la ingeniería del cromo duro es un ejemplo que puede ahorrar a un cliente de grandes cantidades de dinero a través de la construcción de los componentes desgastados y el re-mecanizado en lugar de la sustitución con piezas nuevas.

Los requisitos para una protección fiable contra la corrosión y el desgaste, combinado con un acabado perfecto, se encuentran en muchas áreas de productos, incluyendo la industria del automóvil, las industrias de la iluminación y mobiliario, electrodomésticos, regalos y joyería.

Las placas de circuitos impresos con conectores electrónicos chapados en oro llevan a cabo una variedad de funciones importantes, por ejemplo, en tu teléfono, televisión, lavadora o un ordenador,  o cuando un satélite es lanzado al espacio exterior. La producción de placas de circuito impreso, un aspecto importante de la galvanoplastia, sigue ganando importancia en nuestro mundo técnicamente avanzado. Cientos de bandas conductoras de metal se depositan sobre las superficies más pequeñas utilizando un proceso de galvanoplastia de múltiples pasos. El frente y la parte posterior de una placa de circuito están conectados a través de pequeños agujeros galvanizados.

Equipadas con componentes electrónicos, las placas de circuitos son indispensables para la tecnología de hoy.

Por ejemplo, las plaquetas de circuitos, no sólo aseguran que las funciones del exposímetro de su cámara funcionen correctamente, sino que también ayudan a que los aviones jumbo lleguen a un aterrizaje seguro. También juegan un papel importante en la gestión de las funciones bajo el capó de los automóviles de hoy en día y juegan un papel en la reducción de emisiones.

La galvanoplastia ahorra recursos escasos

Hoy la atención se centra en la conservación de las materias primas y los recursos naturales, la protección del medio ambiente y el ahorro de energía siempre que sea posible. La galvanoplastia es un paso en la dirección correcta. Capas extremadamente finas de unos pocos micrones se depositan en los materiales de base, por lo que los valiosos recursos se utilizan con moderación y sólo en los lugares donde se necesitan realmente. Los procesos químicos implicados en galvanoplastia también se han desarrollado y adaptado rápidamente a las exigencias modernas. La automatización del ahorro de energía, los circuitos cerrados de agua y los sistemas de tratamiento de aguas residuales y recuperación de recursos altamente avanzados ahora representan lo último en la evolución técnica.