PRACTICA : RECUBRIMIENTO POR ELECTROLISIS

1. Objetivo

El objetivo de esta práctica es reconocer así como tener claro lo que es un recubrimiento por electrolisis, lo cual lograremos con este pequeño experimento en que se espera lograr exitosamente un cobrizado en piezas de metal y así lograr entender un poco más como funciona este tipo de recubrimientos.

2. Introducción

3. Antecedentes

El británico William Whewell, científico, filósofo y autor de numerosos textos, fue quien en 1834 -junto a Michael Faraday- acuñó el término "electrolisis" para definir el proceso de descomposición química de la corriente galvánica.

Durante las primeras décadas del siglo XIX , la palabra electrolisis se introdujo rápidamente en el argot técnico de autores  de miles de experimentos en curso con corriente galvánica, y en campos como la química, mineralogía o metalurgia . En estos experimentos, un conductor (llamado "electrodo" por Faraday y Whewell) es introducido en una sustancia fluida que permite el flujo de electricidad. Dependiendo de la sustancia, pueden surgir diferentesdescomposiciones , permitiendo a los científicos comprender mejor los elementos constitutivos de la

sustancia. 

En los años 1850 y 1860, médicos de Norteamerica y Europa ensayaban con electrólisis en el tratamiento de una gran variedad de dolencias médicas. Experimentos llevados a cabo con botellas de Leyden, pilas galvánicas, y diferentes tipos de "curaciones magnéticas" en un mercado cada vez mayor de productos y procedimientos eléctricos.Fascinados por la curativa (y lucrativa) promesa de la electricidad, médicos a ambos lados del Atlántico comenzaron a fijar alambres o agujas delgadas en el extremo de hilos conductores que se insertaban en el cuerpo del paciente para tratarlo casi todo, desde epilepsia hasta cualquier tipo de lesiones cutáneas. 

El primer trabajo sistemático sobre las posibilidades terapéuticas de la electrólisis fue llevado a cabo por Julius Althaus, un neurólogo nacido y educado en Born (Alemania), que se trasladó a Londres donde se especializó en neurología y donde pasaría el resto de su vida. Los resultados de su trabajo fueron publicados en 1867. 

Julius Althaus (1833-1900)

Sus investigaciones comenzaron con exámenes microscópicos de tejidos en los quese habían insertado agujas conectadas a terminales de una batería. Althaus atribuyó la acción destructiva que se produce en las inmediaciones del electrodo negativo a dos factores: un efecto químico debido a la liberación del álcali libre, y un efecto mecánico producido por el escape de los diminutas burbujas de hidrógeno libre.  

Aspecto microscópico de tejidos musculares antes y después de la electrólisis (por Althaus).

Tras una serie de cuidadosos experimentos sobre tejidos de animales vivos y  muertos, realizó su primera operación de electrólisis en un sujeto humano en julio de 1866. La paciente era una mujer joven con un nevus en el párpado, a quien debido a su estado de nerviosismo decidió poner bajo el efecto del cloroformo. Una aguja conectada al polo negativo de una batería de diez pilas fue insertada en la mitad derecha del tumor (que era del tamaño de un pequeño guisante), mientras que el polo positivo de la batería se conectó a un electrodo humedecido aplicado en la piel del cuello. La corriente se aplicó durante dos minutos, y cuando la aguja fue retirada la mitad derecha del tumor parecía haber encogido mientras que la izquierda no fue afectado. La mitad izquierda fue operada por el mismo método un mes más tarde, esta vez sin anestésico, el resultado final del tratamiento fue completamente satisfactorio.

La contribución especial hecha por Althaus a la rama de la electroterapia fue el reconocimiento de la acción del electrodo negativo, así como el diseño de diversas formas de agujas y portagujas para la electrolisis. 

Portaagujas para electrólisis (por Althaus).

Agujas para electrolisis (por Althaus)

4. Teoría

Recubrimientos por electrolisis

El proceso de recubrimiento superficial por el método electrolítico se efectúa aplicando corriente eléctrica al metal dentro de una solución. Se usa para proporcionar protección contra la corrosión, minimizar el desgaste y mejorar la presentación de los metales.

El principio básico de los procesos de recubrimientos electrolíticos consiste en la conversión del metal del ánodo en iones metálicos que se distribuyen en la solución. Estos iones se depositan en el cátodo (pieza que será recubierta) formando una capa metálica en su superficie. Existen en galvanotecnia procesos en los cuales el metal se deposita sin fuente externa de corriente eléctrica.

En ambos procesos de recubrimientos la capa depositada forma cristales metálicos. En función del tipo de estructura cristalina se derivan las diferentes propiedades del recubrimiento y así los campos de aplicación más adecuados.

El recubrimiento electrolítico de las piezas se produce casi exclusivamente por inmersión en un baño. Para ello se introducen las piezas en las cubas donde se encuentra el electrolito, se les aplica la corriente como cátodo, se recubren y se secan. Al extraer las piezas del baño arrastran una cantidad del electrolito sobre la superficie de las piezas. Esa película superficial arrastrada se elimina en un proceso de lavado posterior para que no interfiera en las siguientes operaciones o presente las condiciones de acabado exigidas.

Cualidades de los materiales para electrodos

Alta dureza. Baja resistividad.

Alta resistencia a la acción química del electrolito. Facilidad de maquinado. Buena conductividad térmica.

Materiales para recubrimientos por electrolisis

Cobre: No se emplea para fines decorativos, puesto que se empaña. Los recubrimientos de cobre se emplean por su soldabilidad y más que nada por sus propiedades conductoras. Depósitos gruesos con cobre son usados como capa preventiva en la nitruración y la cementación. Es importante el recubrimiento de cobre en piezas no metálicas a las cuales se les requiere realizar un recubrimiento posterior.

Níquel: Los depósitos gruesos de níquel son usados esencialmente en aplicaciones de ingeniería, restauración de piezas y un campo particular es el de los productos químicos, en las industrias de alimentación para ciertos líquidos corrosivos. También es utilizado el recubrimiento de níquel en aquellos procesos en que se lleve a cabo como operación final un cromado, puesto que así se evitan capas gruesas de cromo, y por ende, se reduce el costo.

Cromo: Debido a que el cromo es un metal caro, en el cromado con fines decorativos se utilizan baños concentrados, mientras que para cubrir piezas, para protegerlas contra el desgaste o restaurarlas por el mismo, se utilizan baños diluidos obteniéndose depósitos duros y gruesos.

Estaño: Las piezas metálicas que han de estañarse deben someterse primeramente a una limpieza, mediante un decapado, esto consiste en sumergir las piezas en un baño de ácido sulfúrico, o bien, ácido clorhídrico diluido. Posteriormente son sumergidos en el metal líquido que además contiene fundentes diluidos en el baño. Las aplicaciones de este tipo de recubrimientos se encuentran en: Conservas, alimentos, leche en polvo; esto debido a que el estaño tiene propiedades no toxicas, es resistente a la corrosión, facilidad de soldabilidad, gran plasticidad, pero sin embargo si por algún motivo presenta ruptura en la capa de estaño, el acero se corroe fácilmente.

Aluminio: El proceso por medio del cual se proporciona una capa de óxido de aluminio se le conoce como anodizado. Esta capa de óxido brinda mayor protección contra la acción posterior, sirve como aislante eléctrico en los conductores, da la apariencia de una capa de pintura y además facilita el pintado de las piezas con tintes orgánicos.

Factores que intervienen en los recubrimientos electrolíticos

Un término importante en los recubrimientos electrolíticos es el rendimiento electrolítico, este es definido como el peso de metal efectivamente depositado sobre el cátodo en relación al peso teórico que resulta por aplicación de la ley Faraday.

Densidad de corriente: La densidad de corriente expresada en amperios por dm 2 , regula evidentemente el espesor de la capa electrolítica siempre que ello sea posible. Por otra parte, la densidad de corriente influye sobre el grano del metal depositado, de modo general, el aumento de la densidad afina el grano hasta cierto límite.

Concentración del electrolito: El aumento de sales en solución que constituye el electrolito, permite elevar la densidad de corriente, especialmente si este aumento se combina con una elevación de la temperatura y con la agitación.

Composición del electrolito: Un electrolito no comprende tan solo la sal del metal que se desea depositar, también incluye otros diversos compuestos en mayor o menor cantidad, la adición de estos tiene como fin aportar mejoras, tales como aumentar la conductividad de la solución, afinar el grano del metal depositado, facilitar la corrosión de ácidos.

Acidez: La cantidad de iones hidrógeno activos en una solución ácida es muy importante, ya que un ácido puede hallarse más o menos disociado. Un exceso de iones hidrógeno da malos resultados en diversas aplicaciones electrolíticas como las del níquel y las del zinc, y en estos el ph debe ser vigilado.

Temperatura: Una elevación de la temperatura eleva la conductividad del electoralito y la solubilidad de las sales que intervienen en la composición del misma, de dónde se desprende la posibilidad de concentración más elevada, y por consiguiente, de intensidades de corriente mayores.

Agitación: La agitación impide el empobrecimiento en iones metálicos de la zona catódica, también impide en diferente medida, la adherencia de burbujas gaseosas sobre el cátodo provocando "picaduras en su superficie”. La agitación pone sin embargo, en suspensión las impurezas del baño, las cuales hacen que el recubrimiento resulte rugoso e incluso picado.

Poder de penetración: Consiste en la facultad que tiene el electrolito para repartir con regularidad la capa metálica depositada

sobre un objeto de formas complejas sobre las partes complejas de este objeto u en sus aristas, las cuales reciben siempre más densidad de corriente que las partes cóncavas.

Fases para la preparación de piezas

La preparación de las piezas en un recubrimiento electrolítico presenta varias fases:

Esmerilado: Tiene por objeto aislar las superficies ásperas de las piezas prensadas, forjadas o fundidas, la eliminación de rebabas, escamas de fundición, etc.; y puede prolongarse hasta conseguir que la superficie quede completamente lisa.

Pulido: Tiene como fin hacer que las huellas del esmerilado desaparezcan antes del recubrimiento superficial, esto lo logra mediante un previo pulido, un pulido de acabado y finalmente un abrillantado.

Desengrasado: Los procedimientos varían según el tipo de grasa. Los más usados son:

            a) Limpieza con álcalis por inmersión o rociado.

            b) Desengrasado electrolítico con álcalis.

            c) Desengrasado con disolventes orgánicos.

Principio de la deposición electrolítica. Como ejemplo se presenta el caso del cobre, que se disuelve del ánodo y deposita sobre la pieza con ayuda de corriente eléctrica.

Fuente: Ihobe

Aplicaciones industriales de la electrólisis

Los procedimientos electrolíticos constan de interesantes y útiles aplicaciones en el campo de la industria. Algunas de estas aplicaciones son:

-La fabricación de metales activos, como son los elementos pertenecientes a los dos primeros grupos de la tabla periódica, así como también el aluminio, y elementos no metálicos, como es el caso del hidrógeno o el cloro.-La fabricación o síntesis de compuestos como el hidróxido de sodio.-Los recubrimientos de tipo metálicos-La purificación de elementos metálicos, como puede ser por ejemplo, el caso del cobre.

Ventajas del recubrimiento de electrolítico de cobre

No se utiliza para fines decorativos.

Aumenta la conductividad.

Para evitar la corrosión por rozamiento.

Cobre: No se emplea para fines decorativos, puesto que se empaña. Los recubrimientos de cobre se emplean por su soldabilidad y más que nada por sus propiedades conductoras. Depósitos gruesos con cobre son usados como capa preventiva en la nitruración y la cementación. Es importante el recubrimiento de cobre en piezas no metálicas a las cuales se les requiere realizar un recubrimiento posterior.

5. Listado de Materiales

Ácido clorhídrico Batería de 9v Cables con pinzas de caimán Frasco de vidrio Pieza de acero Pieza de cobre

6. Desarrollo

Procedimiento para la desoxidación:

1. Se coloca el ácido clorhídrico en el frasco de vidrio. (El suficiente para cubrir por completo la pieza de acero).

2. Se coloca un cable de pinza caimán en la pieza de acero y se coloca dentro del recipiente.

3. Una vez desoxidada se inicia el proceso de cobrizado.

Procedimiento cobrizado:

1. Se prepara la fuente de poder (batería), conectando el polo negativo a la pieza de acero y el polo positivo a la pieza de cobre.

2. Una vez conectado se sumerge la pieza de cobre dentro del ácido, de manera no halla contacto entre las piezas.

Debido a la corriente electrica el cobre desprende electrones que se adhieren a la pieza de acero, esta reaccion se observa en el burbujeo de que tiene la pieza de acero.

Posterior a 5 min se puede observar el color que se adquiere.

Una vez cobrizado totalmente el acero se lava. Como se puede observar la pinza caimán del cable adquiere también la coloración del cobre.

En la imagen se puede ver la comparación de resultados de diferentes piezas sometidas al mismo proceso, algunas de ellas no adquieren el cobrizado debido a la carga de la batería (ultimas dos piezas).

En algunas ocasiones debido al voltaje de la bateria, acero adhiere todo el cobre posible, entonces este se comineza a desprender.

Procedimiento de recubrimiento de zinc

1. Nuevamente se somete a desoxidación una pieza de acero en ácido clorhídrico.

2. Se conecta a una batería, pero esta vez se coloca zinc en lugar del cobre.

En este caso se observa que al entrar en contacto el zinc con el ácido clorhídrico, este comienza a emitir ebullición.

Al paso de 3 min. El zinc se consume, de tal manera que no queda nada de este.

Por medio de este proceso no es posible obtener un recubrimiento de zinc, entonces se realiza en una solución de bicarbonato de sodio con agua. Con el polo positivo conectado a un alambre de cobre.

7. Conclusión