ELECTROMETALURGIA METALÚRGICA

DOCENTE: JOSE ABEL LARA ARISPE

LA ELECTROMETALURGIA CONSISTE EN LA PRODUCCIÓN DE DEPÓSITOS METÁLICOS MEDIANTE LA APLICACIÓN DE LA ENERGIA ELECTRICA.

SE DISTINGUE :

• LA ELECTROMETALURGIA EN SOLUCIÓN ACUOSA :APLICADA FUNDAMENTALMENTE A LA PRODUCCIÓN DE

Cu, Zn, Ni, Co, Pb, Ag, Au Y OTROS METALES MENORES (Cd, Cr, Mn, Ga, Ti, Te ).

Tª: 40-60-90 ºC

• LA ELECTROMETALURGIA EN SALES FUNDIDAS :APLICADA PRINCIPALMENTE A LA PRODUCCIÓN DE Al, Li,

Mg, Na, K Y OTROS METALES MENORES (TIERRAS RARAS, Ti, V, W, Zr, Th).

Tª: 400 ºC Li; 970 ºC Al.

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* Reacciones Espontáneas: (Se produce energía eléctrica a

partir de la energía liberada en una reacción química):

PILAS VOLTAICASPILAS VOLTAICAS

* Reacciones no espontáneas: (Se producen sustancias

químicas a partir de energía eléctrica suministrada):

ELECTRÓLISISELECTRÓLISIS

SEGÚN EL TIPO DE DEPÓSITO OBTENIDO, SE DISTINGUEN LOS SIGUIENTES PROCESOS ELECTROMETALURGICOS :

• ELECTROOBTENCION DE METALES:

CONSISTE EN LA EXTRACCIÓN DE METALES A PARTIR DE SOLUCIONES, EN FORMA DE DEPÓSITOS METÁLICOS PUROS, DENSOS Y COMPACTOS O DEPÓSITOS METÁLICOS EN POLVO (PULVI-ELECTROMETALURGIA) O BIEN, DEPÓSITOS DE COMPUESTOS METÁLICOS (ÓXIDOS, HIDRÓXIDOS O SALES).

• ELECTROREFINACION DE METALES :

CONSISTE EN LA OBTENCIÓN DE DEPÓSITOS METÁLICOS DE ALTA PUREZA A PARTIR DE UN METAL IMPURO.

• GALVANOPLASTIA:

CONSISTE EN RECUBRIMIENTOS METÁLICOS DELGADOS CON FINES ANTICORROSIVOS O ESTÉTICOS (CROMADOS).

• ELECTROCONFORMADO:

CONSISTE EN LA ELABORACIÓN DE PIEZAS METÁLICAS ESPECIALES POR VÍA ELECTROLÍTICA.

ELECTRÓLISIS:

EL PASO DE CORRIENTE DESCOMPONE UN COMPUESTO IONIZADO LÍQUIDO MEDIANTE LAS REACCIONES ANÓDICA Y CATÓDICA.

REACCIÓN CATÓDICA DE REDUCCIÓN

REACCIÓN ANÓDICA DE OXIDACIÓN

ESQUEMA DE UNA CÉLULA ELECTROLÍTICA

CELDAS DE ELECTRÓLISIS

LOS PROCESOS ELECTROMETALÚRGICOS TIENEN LUGAR EN UNIDADES LLAMADAS CELDAS DE ELECTROLISIS:

• LA CELDA: ES UN RECIPIENTE QUE CONTIENE EL ELECTROLITO Y LOS ELECTRODOS. EN ALGUNOS CASOS, LA CELDA PUEDE SER CONSTITUIDA POR DOS MITADES, CONECTADAS ENTRE SÍ POR UN PUENTE SALINO.

• EL ELECTROLITO: UN MEDIO ACUOSO, QUE CONTIENE LOS IONES DEL METAL A DEPOSITAR Y OTROS IONES QUE MIGRAN PERMITIENDO EL PASO DE LA CORRIENTE ENTRE LOS ELECTRODOS.

• EL ÁNODO: MATERIAL SÓLIDO CONDUCTOR EN CUYA SUPERFICIE SE REALIZA UN PROCESO DE OXIDACIÓN CON LIBERACIÓN DE ELECTRONES.

EJEMPLO: Zn0 => Zn+2 + 2 e-

• EL CÁTODO: ELECTRODO SÓLIDO CONDUCTOR EN CUYA SUPERFICIE SE REALIZA UN PROCESO DE REDUCCIÓN CON LOS ELECTRONES PROVENIENTES DEL ÁNODO.

EJEMPLO: Cu+2 + 2 e- => Cu0

Sistema Semirreacción E° (V)

Li+ / Li Li+ 1 e– Li –3,04

K+ / K K+ + 1 e– K –2,92

Ca2+ /Ca Ca2++ 2 e– Ca –2,87

Na+ / Na Na++ 1 e– Na –2,71

Mg2+ / Mg Mg2++ 2 e– Mg –2,37

Al3+ / Al Al3+ + 3 e– Al –1,66

Mn2+ / Mn Mn2+ + 2 e– Mn –1,18

Zn2+ / Zn Zn2++ 2 e– Zn –0,76

Cr3+ / Cr Cr3+ + 3 e– Cr –0,74

Fe2+ / Fe Fe2+ + 2 e– Fe –0,41

Cd2+ / Cd Cd2+ + 2 e– Cd –0,40

Ni2+ / Ni Ni2+ + 2 e– Ni –0,25

Sn2+ / Sn Sn2+ + 2 e– Sn –0,14

Pb2+ / Pb Pb2+ + 2 e– Pb –0,13

H+ / H2 2 H+ + 2 e– H2 0,00

Cu2+ / Cu Cu2+ + 2 e– Cu 0,34

I2 / I– I2 + 2 e– 2 I– 0,53

MnO4–/MnO2 MnO4

– `+ 2 H2O + 3 e– MnO2 + 4 OH– 0,53

Hg2+ / Hg Hg2+ + 2 e– 2 Hg 0,79

Ag+ / Ag Ag+ + 1 e– Ag 0,80

Br2 / Br– Br2 + 2 e– 2 Br– 1,07

Cl2 / Cl– Cl2 + 2 e– 2 Cl– 1,36

Au3+ / Au Au3+ + 3 e– Au 1,500

MnO4– / Mn2+ MnO4

– `+ 8 H++ 5 e– Mn2+

+ 2 H2O 1,51

Leyes de Faraday y rendimiento de corriente

La masa M de sustancia que se desprende en el electrodo es directamente proporcional a la carga eléctrica Q que pasa por el electrólito si a través de éste se hace pasar durante el tiempo t una corriente continua de intensidad I.

1ª:Masa de un depósito es proporcional a I y a t:

m = k x I x t

K: Equivalente Electroquímico: Masa de una sustancia liberada por el paso de 1 Coulomb

Luego: 1 Equivalente químico: Es la Masa depositada cuando pasa mol de e-, es decir, 1 Faraday

Carga de 1 mol eCarga de 1 mol e-- = 96.500 C = 1 Faraday = 96.500 C = 1 Faraday

1 Equivalente químico = Masa/ Valencia

Cuando circulan I x t (culombios), la masa depositada es:

m = M x I x t / n x F

Donde:

m: Es el peso del metal, expresado en (gramos). M: Es el Peso Molecular del metal.

I: Es la Intensidad de corriente, en (Amperios).

t: El tiempo, en (segundos),

n: La valencia del metal, y

F: Constante de Faraday;

Las masas depositadas para distintos metales son:

AlAl3+3+ (ac)(ac) + 3 e + 3 e-- → Al → Al (s)(s)

Se necesitan 3 x 96.500 (Coulomb) por mol de Al3+ a depositar

Cuando se deposita un metal, la carga necesaria depende de la reacción de reducción correspondiente:

Se necesitan 3 moles de electrones por mol de Al+3 a depositar

Ejemplos:

Calcular el Equivalente Químico del calcio en el:

a)óxido de calcio, CaO,

b)del cobre en el sulfato de cobre (II) (CuSO4), y

c)del hidrógeno en el agua.

Resolución:

Eq (Ca)= 40 (gramos)/2 = 20 (g)

Eq (Cu)= 63,5 (gramos)/2= 31,75 (g)

Eq (H)= 1 (gramos)/1= 1 (g)

 

A través de una solución de cloruro de Cu(II) se hace circular una

corriente de 2,5 (Ampere) durante 15 (minutos). ¿Cuál será la

masa de cobre depositada?

Datos:

m = ?,

M = 63,5 (gramos),

I = 2,5 (Amperes)

t = 15 (min) = 900 (seg),

n = 2

F = 96.500 (Coulomb)

Solución:

Masa= 63,5 (g) x 2,5 (Amp) x 900 (seg) / 2 * 96.500 (Coulomb)

masa = 0,74 (gramos)

m = M x I x t / n x F

El menor depósito de metal se debe a que existe:

1.Desprendimiento de hidrógeno simultáneo,

2.Ataque químico del depósito por parte del electrolito,

3.Corrosión del depósito como consecuencia de la formación de pares

galvánicos con impurezas más nobles.

4.Cortocircuitos entre ánodo y cátodo debidos a un crecimiento irregular

de los cátodos.

5.Pérdidas a tierra de la corriente medida en el circuito.

Potencial o voltaje de descomposición

E descomposición agua a pH 7 = EC -Ea =

= - 0, 413 - (+0, 817) = -1, 23 V

RENDIMIENTO ENERGÉTICO

RENDIMIENTO FARADAY (85-95%)

PROCESO ELECTROLÍTICO DE LA BAUXITA

METALES MENOS NOBLES QUE EL COBRE POR DEBAJO DE LOS VALORES ADMISIBLES, EN CASO CONTRARIO, ES FACTIBLE LA DEPOSICIÓN DE LOS MISMOS EN EL CÁTODO Y, POR TANTO, SU IMPURIFICACIÓN (FE)

METALES MÁS ELECTROPOSITIVOS, SE DESPRENDEN DEL ÁNODO A MEDIDA QUE SE VA DESGASTANDO EL MISMO, PERO NO SE DISUELVEN, SINO QUE SE DEPOSITAN EN EL FONDO DE LA CUBA Y FORMAN LOS LLAMADOS "LODOS ANÓDICOS“ (METALES PRECIOSOS)

EL COBRE DEL ÁNODO SE DISUELVE EN LA SOLUCIÓN DE LA CUBA DE ELECTRÓLISIS

ELECTROAFINO

PARÁMETROS ELECTRO-AFINO Cu:

•EN CADA CELDA HAY 46 ÁNODOS (ES RELATIVO A CADA EMPRESA),

•PERMANENCIA EN LA CELDA ES DE 21 - 28 DÍAS

•LOS CÁTODOS SE RETIRAN DOS VECES DURANTE EL MISMO PERÍODO.

•A LOS 21 - 28 DÍAS, SE RETIRA EL DESECHO ANÓDICO Y SE ENVÍA A LOS HORNOS PARA SU POSTERIOR REUTILIZACIÓN.

•EL PESO DEL ÁNODO SUELE SER DE 350 (KILOS), EL CÁTODO DE 140-150 (KG).

•LA DENSIDAD DE CORRIENTE ES DE 225 (A/M2), EL POTENCIAL ESTÁ COMPRENDIDO ENTRE 0.2 - 0.3 (VOLTIOS).

•LA TEMPERATURA DEL PROCESO ES DE 50 – 60 (°C) Y EL RENDIMIENTO FARADAY QUE SE CONSIGUE SE SITÚA ALREDEDOR DEL 95 %, SIENDO EL CONSUMO ESPECÍFICO 0.250 (KW-h/Kg).