LABORATORIO DE ANÁLISIS INSTRUMENTAL

I. FUNDAMENTO DEL MÉTODO DE ANÁLISIS

MÉTODO ELECTROGRAVIMÉTRICO

 El análisis electrogravimétrico se basa en depositar electrolíticamente el analito en forma de sólido sobre la superficie del electrodo. El aumento de masa del electrodo nos indica cuanto analito había presente.

A diferencia de otro método, en la electrogravimetría es necesario que haya una corriente eléctrica considerable a lo largo del proceso analítico. Cuando pasa corriente en una celda electroquímica, el potencial de la celda ya no es simplemente la diferencia entre los potenciales de los electrodos: el cátodo y el ánodo (o potencial termodinámico). Debido a este proceso es necesario aplicar potenciales mayores a los potenciales termodinámicos.

Este es un método de análisis cuantitativo, se basa en el fenómeno de la electrólisis y consiste en electrolizar una solución de la muestra que se va a analizar, la cual se deposita cuantitativamente en los electrodos de la celda electrolítica. Esta electrólisis se realiza usando electrodos de gran superficie en soluciones bien agitadas hasta una deposición completa. En la práctica, el electrodo sobre el que se deposita la especie electroactiva, se pesa antes y después de la electrólisis, la diferencia de masa producida por el material depositado conduce al resultado final.

 

II. DESCRIPCIÓN DE LA TÉCNICA EMPLEADA

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ELECTRODEPOSICIÓN

Electrodeposición: Es un proceso electroquímico en el que se usa una corriente eléctrica para reducir cationes en una solución acuosa que los contiene para propiciar la precipitación de estos, que suelen ser metales, sobre un objeto conductivo que será el cátodo de la celda, creando un fino recubrimiento alrededor de este con el material reducido. Su funcionamiento sería totalmente el contrario al de la celda galvánica, que utiliza una reacción redox para obtener una corriente eléctrica.

 Esta técnica se utiliza para mejorar la resistencia a la abrasión de un objeto, proporcionarle propiedades anticorrosivas, mejorar su lubricidad o simplemente por cuestiones estéticas entre otras.

 Este proceso se realiza en un baño con un ánodo y un cátodo cubiertos por una solución de sales del elemento que utilizamos para recubrir el objeto, el ánodo estará compuesto de dicho material para ir aportando iones a la solución a medida que se oxida sustituyendo a los que se están consumiendo en la reacción electroquímica.

 Un factor muy importante es la corriente que utiliza el sistema para llevar a cabo la operación, será determinante para las propiedades del recubrimiento, ya que establece la adherencia de la capa tanto como su calidad y velocidad de deposición, esta última es directamente proporcional al voltaje. Lo más común es usar corriente continua en pulsos, ciclos de 8-15 segundos activado el sistema para dejar 1-3 segundos de inactividad.

 En este proceso se van a cambiar fuertemente las propiedades de la superficie del objeto como la dureza o la conductividad, pero no las del interior de este. Por ejemplo: Electrodeposición de cromo duro a piezas industriales como vástagos de cilindros hidráulicos.

 En la operación hay que tener en cuenta que una geometría compleja dará un espesor de recubrimiento irregular, aumentando este en esquinas del objeto por ejemplo. Estos contratiempos se pueden solucionar utilizando múltiples ánodos o un ánodo que imite la forma del objeto a procesar.

 Por último indicar que dicha técnica no debe confundirse con la electroforesis, esta se basa en el movimiento hacia un ánodo o cátodo de moléculas o partículas en suspensión en una disolución, no de iones como la electrodeposición.

Ejemplos:

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 Resulta muy común el uso de la electrodeposición metálica en joyas elaboradas con metales baratos a los cuales se les da un revestimiento de una delgadísima película de oro, plata, etc. para aumentar su valor, mejorar su apariencia o para protegerlos de los efectos negativos del medio ambiente, principalmente el oxígeno que produce su pronta corrosión.

 Igualmente podemos observar que las tarjetas electrónicas por lo general vienen revestidas de una película de oro de algunos micrones, para mantener un buen contacto y conductividad con los dispositivos del circuito

III. REACCIONES QUIMICAS

Reacciones del Cobre

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Cu0 + 4NHO3 Cu (NO3)2 + 2NO2 + 2H2O

Cu (NO3)2 + NH4OH Cu (NH3)42+ + 2NO3

- + 4H2O

Reacción en el cátodo

Cu2+ + 2e- Cu0

Reacción en el ánodo

2OH - 1/2 O2 + H2O + 2e-

Reacciones del Plomo

Reacción de ataque en la muestra

3Pb + 8HNO3 3Pb (NO3)2 + 2NO2 + H2O

Reacción en el cátodo

2H3O+ + 2e- H2 + 2H2O

Reacción en el ánodo

Pb 2+ + 2H2O PbO2 + 4H+ +2e-

IV. APARATO O INSTRUMENTO EMPLEADO

Instrumento utilizado: ELECTROANALIZADOR SARGENT SLOMIN

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El electroanalizador Sargent-Slomin consiste básicamente en una fuente de energía de bajo voltaje provista de un amplio control para análisis de electrodeposición.

Un voltímetro y un amperímetro ubicado en cada electrodo indican el voltaje aplicado y la corriente que fluye por el sistema de electrodo. El voltaje es ajustable mediante un botón de control localizado a la derecha de cada de electrodo, y es aplicado a los electrodos mediante el interruptor de corriente localizado directamente debajo del amperímetro, cuenta con un interruptor de reverso-normal que se emplea para invertir la polaridad del voltaje aplicado. Los sostenedores de electrodos en su respectiva posición pueden ser deslizados hacia arriba o hacia debajo de tal manera que queden ajustados en la posición más adecuada, estos sostenedores contienen unos orificios en donde se colocan y se ajustan los electrodos lo que también permite el contacto eléctrico.

Operación:

a) Se prepara la sustancia a analizar. Se toma una pequeña cantidad de volumen y se le transfiere en un beaker de 100 mL.

b) Se inserta los electrodos previamente pesados y lavados, en el vástago de acero inoxidable del motor. Primero se coloca el electrodo menor y luego el mayor.

c) Cuidadosamente se centra los electrodos. Se recomienda usar guantes.

d) Se desliza el motor con el electrodo hacia abajo colocándolo dentro del beaker. Se agrega agua destilada hasta cubrir los electrodos.

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e) Se gira a On el botón “Motor” el electrodo central comienza la agitación de la solución.

f) Se emplea el botón “Normal-Reverse” para seleccionar la polaridad de los electrodos. En posición normal el electrodo del centro es el ánodo y el lateral es el cátodo (electrodo grande). En la posición reverse la polaridad de los electrodos es inversa.

g) Se gira a On el botón “current”, esto permite el paso de la corriente eléctrica a través de la celda, su valor se lee en el amperímetro, el cual depende del voltaje aplicado.

h) Se deja electrolizar hasta que el metal se halla depositado cuantitativamente. El tiempo requerido se determina experimentalmente y depende de la técnica de análisis.

i) Cuando se concluye el término de electrólisis, desconecte el motor. Sin cortar la corriente se suspende el motor hasta que los electrodos queden fuera de la solución.

j) Se retira los electrodos y se completa el proceso lavándolos con un solvente como el alcohol o acetona.

k) Se deja enfriar los electrodos en el desecador y luego se procede a pesarlos.

Mantenimiento:

El trabajo mecánico y eléctrico de cada instrumento es evaluado minuciosamente antes de salir al mercado. No obstante estos equipos requieren de un pequeño mantenimiento cada cierto periodo.

Se recomienda que el instrumento no sea expuesto constantemente a atmósferas corrosivas.

V. CÁLCULO DE LOS RESULTADOS

Determinación del %Cu

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3.5184g 250mL

Walícuota 10mL

Walicuota = 0.1407g

Ejemplo de cálculos

%Cu = WCu x 100

Walícuota

%Cu = 0.1014g x 100

0.1407g

%Cu = 72.07%

Del mismo modo se hallan los demás porcentajes de Cu detallados en la TABLA Nº 1

%E= ETEÓRICO x EEXPERIMENTAL X 100 (3)

ETEÓRICO

Asumiendo una recuperación del 100%, para el %Cu para la muestra No 1

De la ecuación (2) se tiene: %ECu+2 = (70 - 72.07) x 100 = -

2.96%

70

Determinación del %Pb

0.2328 250mL

Walicuota 10mL

Walicuota = 9.312x10-3

Ejemplo de cálculos

%PbO2 = WPbO2 x 100 (1) %Pb = %PbO2x PF Pb (2)

Winicial PFPbO2

Para la 1ra determinación:

% PbO2 = (8,8x10-3/9,3x10-3)x100 = 94,62%

%Pb=94.62% x o,864 =81,75%

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Para la 2da determinación:

% PbO2 = (9,2x10-3/9,3x10-3)x100 = 98,92%

%Pb=98,92% x o,864 =85,46%

VI. TABULACIÓN DE DATOS RESULTADOS

TABLA Nº 1

W ALÍCUOTA =0.1407g

No de muest

ra W ELETRODO

WELECTRODO +

Cu Wcu %Cu

%Error

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1 9.5299 9.6313 0.1014 72.07 2.962 8.7264 8.8261 0.0997 70.86 1.233 9.4275 9.5270 0.0885 70.72 1.03

Promedio %Cu=71.

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TABLA Nº 2

W alícuota = 0,0093 g

No de muestra W ELETRODO WELECTRODO + PbO2 WPbO2 %Pb

1 8,5616 8,5655 8,8x10-3 81,752 9,4261 9,4353 9,2x10-3 85.46

Promedio %Pb=83,61

VII. DISCUSIÓN DE RESULTADOS ANALÍTICOS

Durante la electrodeposición del cobre el cátodo reflejó un aumento de masa, ya que el

cobre que se encontraba en la solución debía depositarse en él.

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La electrodeposición del cobre en la práctica realizada, dio como resultado un

porcentaje de recuperación promedio de 71.22 %, lo cual indica que en promedio, el

porcentaje de cobre recuperado está dentro del rango de porcentaje de cobre que

establece La Casa de la Moneda para la moneda de 10 céntimos de tipo B que es de 68-

70 %.

Para los casos del % Error, asumiendo el máximo porcentaje de cobre (70%), se

obtuvieron errores por exceso. Entre los factores que intervinieron en el resultado

obtenido, se puede mencionar, la posibilidad de que quizá no se haya secado

completamente el electrodo antes de pesar, o que se halla electrodepositado otro metal

(impurezas), debido tal vez a fluctuaciones en el potencial, debido al ruido eléctrico:

Error Indeterminado (Aleatorio).

La electrodeposición del plomo en la práctica realizada, dio como resultado un

porcentaje de recuperación promedio de 83,61 %, lo cual indica q la muestra empleada

no es Pb metálico en su totalidad. si existiese algún error en la determinación se podría

mencionar el hecho de que los electrodos hayan chocado entre si provocando la

electrodeposición en ambos electrodos por lo que el error se incrementaría

considerablemente; sin embargo, eso solo sucedió en la 1ra determinación y no en la

2da por lo que podemos concluir el % Pb en la muestra está alrededor del

85%aproximadamente.

VIII. DISCUSIÓN DEL METODO EMPLEADO

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La electrogravimetría, es un método similar a la gravimetría, pero en este caso la sustancia analizada se deposita en un electrodo en lugar de precipitarla por adición de un reactivo.

La electrolisis se lleva a cabo en vasos de precipitado altos de una capacidad de 150 mL a 250 mL. Generalmente se usan electrodos de platino o aleaciones de platino, debido a que estos son resistentes a los ácidos, porque el electrodo de trabajo se trata con ácido nítrico antes de utilizarlo para eliminar cualquier metal depositado previamente. En nuestro laboratorio el electrodo de platino que utilizamos, tenía forma de canastilla (malla), lo cual ofrece una mayor superficie de contacto que los electrodos laminares, asegurando así un mayor porcentaje de rendimiento.

Se agita mecánicamente para aumentar la velocidad de transferencia de masa de los reactivos hacia los electrodos; la agitación mejora la calidad del depósito. Por eso al momento de armar el equipo, se debe revisar que el electrodo de trabajo, así como el contraelectrodo no choquen y generen una mala agitación.

Aunque en nuestro laboratorio no se hizo, el calentamiento de la solución disminuye la duración de la electrólisis debido al aumento de la movilidad de los iones. Una temperatura elevada también es beneficiosa porque aumenta las velocidades de las reacciones irreversibles y por lo tanto facilita la precipitación de ciertos metales.

La fácil aplicación del método y su alta efectividad lo hacen uno de los principales métodos de recuperación de cobre a nivel industrial, así como también se puede determinar los distintos constituyentes de algunas aleaciones comerciales (latón, bronce, aleaciones plomo-estaño, etc.).

El procedimiento empleado es de poca dificultad e implica pocos pasos para alcanzar los objetivos planteados, esto se representa en los resultados obtenidos en la práctica ,los cuales, casi con los esperados.

IX. RECOMENDACIONES

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Limpiar los electrodos a utilizar previamente a la experiencia, a fin de eliminar restos orgánicos e inorgánicos que perturben la deposición del metal en ellos.

Coger los electrodos con pinzas o con una servilleta a la hora de manipularlos, para evitar que se contaminen de sustancias ajenas al experimento, como pude ser la grasa de las manos.

Ser muy cuidadoso al utilizar la balanza para pesar sustancias, ya que es muy sensible y podría reportar valores de peso incorrectos. Recuerde que al momento de de tomar la medida del peso se deben cerrar todas las compuertas de la balanza, a fin de evitar que el viento no cause pequeñas variaciones en la medición.

Colocar con mucho cuidado los electrodos en los terminales del equipo a utilizar, colocando el ánodo en el terminal central y el cátodo en el lateral.

Sumergir, pero no totalmente el electrodo en la solución, para así ver si aún se deposita o no metal en electrodo, y se pueda corroborar la total electrodeposición del metal.

Ser paciente durante el experimento.

No acercar mucho el rostro a la celda ya se pueden desprender gases irritantes y/o tóxicos.

Controlar continuamente los medidores de voltaje y amperaje del equipo.

Etiquetar el material utilizado para evitar confusiones entre los reactivos y así evitar accidentes.

Manipular con mucho cuidado las pipetas y el material de laboratorio en general.

X. CONCLUSIONES

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El método empleado en la práctica para la electrodeposición de metales es satisfactorio para la recuperación de cobre y plomo obteniéndose un 71,22 %, de recuperación másico y 83,61 en el caso del Pb.

En base a los resultados obtenidos, podemos concluir que la separación o electrodeposición del cobre se realizó bajo condiciones realmente óptimas pudiendo afirmar así que el desarrollo de la práctica fue exitoso, no sólo porque estos valores son realmenterazonables, sino también porque se cumplieron los objetivos fijados para la misma.La fácil aplicación del método y su alta efectividad lo hacen uno de los principales métodos de recuperación de cobre a nivel industrial.

XI. BIBLIOGRAFIA

i. BROWN, T. CHEMISTRY the Central Science. Ed.Prentice-Hall 7th edición, 1997. p.p 131, 723-761.

ii. DANIELS, F. PHYSICAL CHEMISTRY. Ed. John Wiley &Sons, Inc. 2nd edition, 1961. p.p 380-440.

iii. GLASSTONE, S. Tratado de QUÍMICA FÍSICA. Ed.Aguilar 7ª edición, 1976. p.p 909-922.

iv. GONZALEZ, C. Guía de Practicas del Laboratorio deFísica General. Departamento de Física General, EscuelaBásica, Facultad de Ingeniería, Inédita, 1999. p.p 3-76.

v. Referencias Adicionales:

1. Barrow, Gordon. Química Física.2. Castellan, Gilbert. Físico-Química.3. Levine, I. Físico-Química.4. Chang, R. Química General.

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