NIQUELAR APRENDIENDO

JUAN CAMUS A., CELINDA RIOS G*. Facultad de Ciencias Naturales y Exactas Universidad de Playa Ancha. Casilla 34-V. Valparaíso. Chile *Liceo Eduardo de la Barra Av. Colón 2184. Valparaíso. Chile.

INTRODUCCION Las Leyes de Faraday son un ejemplo muy representativo de una tecnología que se puede aplicar en el Laboratorio de Química, con resultados muy atractivos y motivadores para el estudiante. Niquelar, cobrizar, cromar, platear o dorar una pieza, siempre produce una especial satisfacción, sobre todo cuando estos procesos son realizados sobre piezas de artesanía producidas por el mismo estudiante. De esta manera se puede, casi inadvertidamente, introducir el calculo de áreas, corriente, tiempo, masa, pero sobre todo analizar el proceso, comparar los datos teóricos con los prácticos y deducir interesantes investigaciones. Este tipo de prácticas permite integrar no sólo la Física, la Química y las Matemáticas sino también la ciencia, el arte y la tecnología.

MATERIALES Y METODOS Para la realización de este práctico se requiere de los materiales y métodos presentados en la siguiente ficha de trabajo: Materiales y Aparatos

Fuente de Corriente continua (batería o rectificador de corriente) Reostato Amperímetro 2 alambres con lagartos Termómetro Vaso de precipitado de 400 ml Soporte Universal Sulfato de Níquel Cloruro de Níquel Ácido Bórico Abrillantador comercial Agua destilada Trocito de Níquel Lámina de cobre de 5x5cm Tijeras. Detergente (o jabón) Balanza analítica (preferentemente)

(+) F C C

-

A

Procedimiento: 1.- Seleccione para la experiencia una de las variantes que aparecen en la

siguiente tabla:

Composición de la solución y parámetros de trabajo

Sulfato de níquel, g/L Cloruro de níquel Acido bórico Abrillantadores 1,4-butindiol Sacarina Formalina PH Temperatura, °C

2 DDC, A/ dm

Niquelado Clásico

300 45 30-37 ------ ------ ------ ------ 2,0-5,2 32-71 1,0- 6,0

Niquelado Brillante

270 55 45 Nisol (0,09 g/L)

Niquel Brillante

250-300 50-60 25-40

5,0 55 4,0

0,18-0,30 1-2 0,02-0,04 4,5-4,8 50-60 3,0-8,0

2.- Prepare 300 ml de solución de niquelado clásico (de Watts). ¿Qué cantidad de sulfato de níquel, cloruro de níquel y ácido bórico debe disolver?

3.- Arme la instalación para electrólisis como se muestra en la figura, ¿Para qué 2

sirve el reostato? ¿Qué superficie tiene el objeto que niquelará, en cm y en 2

dm ? ¿Qué densidad de corriente debe utilizar para esa superficie? 4.-

5.-

Lave muy bien la pieza de cobre, con jabón o detergente, enjuáguela con abundante agua, séquela y pésela. Introduzca la pieza que va a niquelar en el baño electrolítico. La distancia entre la pieza de cobre y el ánodo de níquel es de 5 cm. Aumente la corriente con el reostato hasta alcanzar la corriente calculada, de acuerdo a la superficie. Mantenga el objeto durante 15 minutos, agitando de tiempo en tiempo y controlando la temperatura del baño. Si la temperatura es inferior a la necesaria, introduzca el vaso en bañomaría. Interrumpa el proceso al finalizar los 15 minutos. Extraiga el objeto, enjuáguelo en agua destilada y séquelo y péselo. Examine la superficie niquelada y determine la buena o mala calidad del depósito. ¿Qué cantidad de níquel se depositó?

6.- Calcule, utilizando las leyes de Faraday, la masa de níquel que debió haberse depositado, utilizando el tiempo y la corriente de la experiencia.

7.- Calcule el rendimiento de corriente, en base a los datos experimentales y del punto anterior.

8.- Diseñe un objeto en una lámina o alambre de cobre, que pudiera niquelarse y

posteriormente cromarse, dorarse o platearse.

RESULTADOS Y DISCUSION Las etapas de aprendizaje que se visualizan al realizar esta práctica son los siguientes: 1. Preparación de soluciones. 2. Armado del circuito eléctrico. Identificación de componentes y parámetros de trabajo. 3. Cálculos de acuerdo con las leyes de Faraday, por ejemplo : CALCULOS DE PESO ¿Cuántos gramos de Ni se depositarán, si se usó una corriente de 0,010 A durante una hora? Variante a) de resolución: 1 F = 26,80 A hr

x F = 0,01

-4 x= 3,7x 10 F + 2e Æ Ni

- 0

A hr

2+ La reacción catódica es: Ni Por cada 2 F consumidos, se forma 1 mol de Ni

-4 3,7x10 F producirán.............x moles de Ni

-4 X= 1,8x 10 moles de Ni

1 mol de Ni pesa 58,70 gramos de Ni -4

--------------------------------------------------------------- Variante b) de resolución:

-4 Q= ( 0,01 A X 1 hr X 3600)/ 96500= 3,7 x 10 F

1,8x10 moles pesarán: 0,010566 gramos de Níquel.

PEQNi = 58,70/ 2 = 29,35 g/F

-4 Peso del Ni= 3,7x10 Respuesta:

x 29,35 = 0,0108595 gramos de Niquel

Si se usa una corriente de 0,01 Amperio, durante una hora se deben depositar 0,0108 gramos de níquel

CALCULOS DE TIEMPO Se necesita electrodepositar una película de Ni de 0,0005 mm (ρ = 8,9g / cm 3 ) sobre una placa de cobre de 10X20 cm . ¿Cuánto tiempo debe durar la electrólisis, si se utiliza una corriente de 5 A?

Volumen de Ni a depositar = 10x20x0,00005=0,01 cm

De acuerdo con la densidad del Níquel:

3

8,9 gramos hay en 1,00 cm 3

x gramos hay en 0,01 cm x= 0,089 gramos de Ni se deben depositar para producir una película de 0,0005 mm de espesor. Por otro lado: PEQ Ni= 29,35 g/F Es decir, para depositar 29,35 g se necesitan 1F o bien 26,8 A-hora.

29,35 g...........1F..........26,8 A- hora 0,089 g...........................x

x= 0,081 A-hora De acuerdo con la fórmula: Q = I t, tenemos que t = Q / I t = 0,081/ 5 = 0,0162 horas Î 58,3 segundos Respuesta: Se necesitan 58,3 segundos para recubrir la placa con 0,0005 mm de níquel 4. Comparación entre el calculo y la práctica:

TEORIA Cuál es la masa, si

2+ 0

A= 58,71 gramos/ mol F= 96494 C t= 300 segundos I= 2 Amperios n= 2 m = (A I t) / n F m = 0.1825 gramos

Ni +2e Ni

PRACTICA 1 PRACTICA 2

3

Niquelar una pieza de cobre T= 300 segundos I= 2 Amperios Peso inicial, g: 1,5000 Area cátodo=0.5 dm T°C= 50 DDC= 4 A/ dm Peso final= 1.6420 m= 0.1420

2

1. 5010 2

1,6620 0.1610

RENDIMIENTO DE CORRIENTE

m (práctica) m (teórica)

η

C= = 0 .1515 0 .1825

100 = 83.33%

5. Análisis de factores que influyen en la calidad del depósito:

: DENSIDAD DE CORRIENTE AGITACION DE LA

SOLUCION

PRESENCIA DE ADITIVOS

TEMPERATURA DE TRABAJO

FACTORES QUE INFLUYEN EN LA CALIDAD DEL

DEPOSITO

AGITACION DE LA SOLUCION

VARIACIONES DEL pH

TEMPERATURA DE TRABAJO INVERSION DE

CORRIENTE

DISEÑO DEL CATODO

ESTADO PREVIO DE LA SUPERFICIE

CADA UNO DE ESTOS TOPICOS CONSTITUYEN TEMAS DE

INVESTIGACION

Cuando se le explica al estudiante que muchos factores pueden influir en la calidad del depósito, se le esta introduciendo en un tema netamente tecnológico, donde es necesario cumplir con un flujo tecnológico durante el proceso electroquímico, así por ejemplo, en una planta de galvanoplastía, las piezas pueden seguir el siguiente camino:

Desengrase químico Pulido

Desengrase electroqco.

Enjuague agua fría

Decapado ácido

Enjuague agua fría Niquelado brillante

CONCLUSIONES 1. El estudio de las leyes de Faraday resulta ser muy atractivo y fácilmente

asimilable, realizando un baño electrolítico de niquelado. 2. Los baños de niquelado son de alto rendimiento de corriente y pueden ser

utilizados exitosamente, para comparar la teoría con la práctica. 3. Los baños de niquelado son frecuentemente utilizados en la industria como

recubrimientos intermedios y de la calidad de ellos depende la estética del recubrimiento final.

4. La práctica del niquelado se puede abordar desde innumerables puntos de

vista, desde la teoría simple y compleja, pasando por aspectos medio ambientales y concluyendo definitivamente en la creatividad artística del estudiante.

5. De la simple electrólisis del níquel pueden derivar gran cantidad de

investigaciones que el estudiante puede desarrollar simple pero rigurosamente.

BIBLIOGRAFIA 1. Handbook de Galvanoplastía. (En ruso). L.I. Kadaner. Ed. Tejnica. Kiev 1976. 2. Técnica Galvanoplástica. (En rumano). A. Mascash y N. Dalacu. Ed. Tejnica. Bucarest. 1974. 3. Tecnología de Cromado de Piezas Metálicas.(En rumano) M. Constantinescu. Ed. Tejnica. Bucarest. 1977. 4. Electroplating Engineering Handbook. Ed. by Lawrence J. Durney. Pub. Van Nostrand Reinhold Co. Inc. USA. 1984. 5. The Canning Handbook. Surface Finishing Tecnology. Pub. W.Canning PLC. Birmingham. London.1982. 6. Enciclopedia of Chemical Technology, 3rd Edition. Kirk-Othmer. Vol.8. New York: Wiley. 1979. 7. Machu Willi. Galvanotecnia Moderna. Ed Aguilar. Madrid 1959. 8. Fundamentos de Galvanoplastía. Teoría y Práctica. Juan Camus A. Dirección de Programas Especiales y Asistencia Técnica. U. de Playa Ancha. Valparaíso 1999.

AGRADECIMIENTOS Los autores agradecen a la Dirección General de Investigación de la Universidad de Playa Ancha, por el financiamiento recibido, a través del proyecto CNEI 019900.