23234 Laboratorio de procesos 2014-I
UNIVERSIDAD INDUSTRIAL DE SANTANDER FACULTAD DE INGENIERIAS FISICOQUIMICAS ESCUELA DE INGENIERIA QUIMICA LABORATORIO DE PROCESOS – GRUPO A3
Práctica N° 5: NIQUELADO
CAMILO ANDRÉS DÍAZ GUTIÉRREZ
Cód.: 2060044
PAOLA ANDREA RIAÑO NAVARRO
Cód.: 2093559
YESENIA PINZÓN SIERRA
Cód.: 2093554
INTRODUCCIÓN La electrodeposición en metales es una técnica de protección usada en gran proporción para proveer una superficie delgada que recubre el material, dándole propiedades superiores comparadas con el sustrato a recubrir. Este recubrimiento electrolítico sobre metales mediante la electro-deposición de níquel permite aumentar la resistencia a la oxidación, corrosión y desgaste de las piezas metálicas y mejora el embellecimiento final de las mismas. El niquelado electrolítico es un proceso que consiste en la deposición por vía electrolítica del metal níquel sobre una superficie previamente acondicionada que puede ser acero, cobre, latón y zamak (Zn Al-Mg-Cu). Con un espesor variable según las necesidades, tiene como objetivo mejorar las propiedades técnicas y decorativas del material base. Al realizar el proceso de electrodeposición electrodeposición se mejoran propiedades como la protección contra la corrosión, debido a que incrementa la resistencia a la corrosión del material base como capa intermedia o final. Las propiedades mecánicas también mejoran, entre ellas aumento de la conductividad eléctrica, dureza y resistencia a la abrasión. Otro aspecto que mejora es que le da un Recubrimento altamente decorativo, aspecto de gran brillo, nivelación y ductilidad.
El níquel como elemento protector, tiene un campo de aplicación muy extenso empleándose, como elemento protector y como revestimiento ornamental de los metales, en especial de los que son susceptibles de corrosión como el hierro y el acero, asimismo aumentando su conductividad eléctrica. También es utilizado como precapa para otros tratamientos. Su aplicación se ha extendido a todo tipo de sectores como decoletaje, ferretería, material eléctrico, electrónica, automoción, estampación metálica, material de saneamiento y grifería reparaciones. OBJETIVOS. Objetivo general: Realizar recubrimientos de (niquelado) sobre piezas de cobre.
níquel
Objetivos específicos: Estudiar y comprender la acción de una celda electroquímica en el proceso de niquelado.
Observar las variables que intervienen en el proceso (temperatura, amperaje, acidez, concentración, tiempo, etc.) y los efectos que produce la alteración de las mismas en la electrodeposición de níquel sobre cobre. Identificar las reacciones químicas que intervienen en el proceso y reconocer los dispositivos del montaje mediante el cual se realiza el recubrimiento.
Parafraseando a Albert Einstein: “La ciencia cojea sin la ingeniería, la ingeniería es ciega sin la ciencia.”
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Analizar y caracterizar el producto final obtenido en términos de calidad y rendimiento del proceso, elaborando los balances pertinentes que permitan valorar el provecho de la metodología usada.
MARCO TEÓRICO El niquelado es un procedimiento de metalización que se realiza para protección superficial de las piezas, para decoración o para recubrimiento previo antes del cromado, o de otros acabados. Los objetos de cobre y aleaciones de cobre se niquelan directamente; para objetos de estaño, zinc, plomo, hierro y acero se debe previamente cobrizar para luego niquelar. Los recubrimientos de níquel son una base muy apropiada para la mayoría de los recubrimientos decorativos como el cromo, el latón, la plata, el oro y otros más específicos. A partir de ciertos espesores presenta buenas propiedades anticorrosivas. Por ello se utilizan tanto en aplicaciones decorativas , como la cerrajería y grifería, como en aplicaciones anticorrosivas y funcionales como son los componentes de automóviles y herramientas. No es poroso por lo que es altamente resistente a la corrosión y aporta: Resistencia al desgaste. Aumento de la dureza. Resistencia a la corrosión. Mejor Aspecto del equipo, placa, etc, (color, brillo). El niquelado ha dejado de utilizarse por razones higiénicas, debido a que es un alérgeno (es una sustancia que puede inducir una reacción de hipersensibilidad (alérgica) en personas susceptibles, que han estado en contacto previamente con éste). El recubrimiento de níquel suele sustituirse por el paladio o la plata. De realizarse el niquelado se pueden usar corrientes o baños de cloruro. Parámetros del baño en las cuales no se produce daños a las piedras de bisutería: T< 60° C/ 140 °F; ph: 4-5; t<20 min.
Después del niquelado es necesario lavar la pieza a temperatura ambiente durante 30 segundos. CELDA ELECTROQUÍMICA: Una celda electroquímica es un dispositivo capaz de obtener energía eléctrica a partir de reacciones químicas, o bien, de producir reacciones químicas a través de la introducción de energía eléctrica.
Fig ura 1: Montaje de una Celda
Electroquímica
Ánodo: El ánodo es un electrodo en el cual se produce la reacción de oxidación. Se denomina ánodo al electrodo positivo de una célula electrolítica hacia el que se dirigen los iones negativos, que por esto reciben el nombre de aniones.
Fig ura 2: Ejemplo de Ánodo
Cátodo: El cátodo es un electrodo en el cual se produce la reacción de reducción. Es un electrodo a través del cual la corriente eléctrica fluye de un dispositivo eléctrico polarizado.
Fig ura 3: Ejemplo de Cátodo Parafraseando a Albert Einstein: “La ciencia cojea sin la ingeniería, la ingeniería es ciega sin la ciencia.”
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ELECTRODEPOSICIÓN DE NIQUEL SOBRE COBRE: En el proceso de Niquelado una fuente o generador crea una corriente eléctrica que pasa entre los dos electrodos. Se realiza la migración de los iones del electrolito (solución que contiene iones Níquel (II), Ni+2) hacia el cátodo (pieza a cubrir). Lo que ocurre es que los iones los iones metálicos en solución (Ni++) se reducen a Ni metal en la superficie del cátodo de la celda, y van depositándose micra a micra hasta producir un depósito continuo. Como cátodos pueden utilizarse láminas de cobre sobre las cuales se realizará la deposición del Níquel. El electrolito se podrá utilizar hasta que la concentración de iones Níquel (II) sea muy baja. Sin embargo, los iones níquel se pueden reponer al utilizar el ánodo de níquel metálico (Ni (s)); en este ánodo se producirán iones níquel Ni +2 que pasan a la solución. En el sistema formado, el flujo de electrones va en sentido contrario al flujo de corriente.
de la solución debida al exceso de iones H+. CLORURO DE NÍQUEL: Permite mejorar la reacción de oxidación en el ánodo y aumentar la conductividad de la solución. SACARINA: Aumenta la dureza de los depósitos de níquel, además de proporcionar un acabado superficial brillante. EQUIPOS Y HERRAMIENTAS
Micrómetro Calibrador Pinzas Cronometro Alcohol Plancha de calentamiento Vaso de precipitado Electrodo de níquel Papel de lija Multímetro
REACCIONES ELECTROQUIMICAS Las semireacciones electroquímica ocurridas en el ánodo y el cátodo respectivamente y que describen el proceso de niquelado son las siguientes: En el ánodo: Oxidación del níquel:
En el cátodo: Reducción del níquel:
Figura 1: Materiales y reactivos
REACTIVOS
SULFATO DE NÍQUEL CRISTALIZADO: Se presenta bajo forma de cristales de color azul o verde esmeralda y tiene una buena solubilidad en el agua y en el alcohol etílico; el sulfato de níquel se emplea fundamentalmente en el niquelado, ya que es el agente principal agente pasivante, debido a su gran resistencia a la corrosión.
Solución electrolítica (sulfato de níquel, cloruro de níquel, ácido bórico, sacarina y lauril-sulfato de sodio.)
ACIDO BÓRICO: El ácido bórico tiene la función de sustancia buffer y reduce la formación de defectos a altas densidades de corriente, generados por la acidificación
Sulfato de níquel: Cloruro de níquel: Ácido bórico: Sacarina: Lauril-sulfato de sodio:
Parafraseando a Albert Einstein: “La ciencia cojea sin la ingeniería, la ingeniería es ciega sin la ciencia.”
312,5g/L 45 g/L 37,5g/L 2,18g/L 0,73g/L pH=4,5
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PROCEDIMIENTO Tratamiento de la placa: Para iniciar este proceso de niquelado se toman cuatro placas de cobre y una moneda, a las cuales se les realizo un tratamiento inicial el cual consistía en lijar la placa para obtener una superficie uniformemente lisa.
Figura 2: Tratamiento de las placas
Después fueron sumergidas una a una, en un vaso de precipitado que contenía alcohol durante un tiempo de 5 minutos con el fin de eliminar algún tipo de impurezas e inertes. Caracterización de la placa antes del niquelado: Paso a seguir se pesan y se mide el grosor de cada una de las placas con la ayuda de un micrómetro, y también se toman sus dimensiones con un calibrador.
Figura 3: Caracterización de las placas
Montaje: Se realizó el montaje colocando la solución del baño de niquelado, que fue preparada con anterioridad por nuestros operarios, sobre la placa de calentamiento hasta una temperatura de 45°C y a 100rpm.
Figura 4: Montaje
Electrodeposición: Posteriormente se tomaron las cuatro placas, a las cuales se les conectaron los electrodos y se sumergieron en la solución, teniendo en cuenta que debía estar separados por una distancia de 4 cm y de forma paralela; las placas se dejaron durante 10 minutos bajo una corriente de 0,25 A; 0,51A; 0,7A; 0,9A respectivamente para cada placa. Todo el proceso descrito se hizo individualmente para cada placa.
Figura 5: Electrodeposición
Parafraseando a Albert Einstein: “La ciencia cojea sin la ingeniería, la ingeniería es ciega sin la ciencia.”
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Enjuague y secado Al pasar los 10 minutos de la electrodeposición del níquel, se sacan las placas y se lavan con agua, se secan y se procede a caracterizarlas nuevamente. Caracterización de la placa después del niquelado: Se toma el peso de las placas y se mide sus dimensiones y su grosor nuevamente, para reportar los datos y comparar con los datos anteriormente tomados.
ANÁLISIS DE RESULTADOS. Las condiciones del proceso son: T=45 °C y 100rpm con la práctica de Niquelado se obtuvieron los siguientes resultados: VER ANEXO 1. Observando cuál de las placas anteriores tenía una mejor apariencia se realizó un ensayo con una moneda de 100 pesos, nuestra conclusión a partir de la gráfica obtenida de ganancia de peso vs corriente, es que con una corriente de 0,7A se realiza mejor el proceso de niquelado otorgándole una apariencia más brillante a la placa de cobre.
Ganancia de espesor vs Corriente 0,12
Figura 6: Micrómetro
Luego se compara los efectos visibles en las 4 placas niqueladas y se escoge la más óptima en cuanto a superficie, brillo, y se realiza todo el procedimiento anterior con una moneda, pero a la corriente escogida, que en nuestro caso fue de 0,7 A.
) m m 0,1 ( r o 0,08 s e p 0,06 s e e 0,04 d a i 0,02 c n a 0 n a 0 G
0,2
0,4
0,6
0,8
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Corriente (A) Los resultados obtenidos fueron los siguientes:
VER ANEXO 2.
CÁLCULOS Ganancia de peso de la
O,119
moneda (g) Ganancia de espesor de
0,19
la moneda (mm)
Figura 7: Placas niqueladas
Pérdida de peso del
0,119
electrodo (g)
Parafraseando a Albert Einstein: “La ciencia cojea sin la ingeniería, la ingeniería es ciega sin la ciencia.”
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CONCLUSIONES •
•
•
El resultado del proceso de niquelado depende altamente de la interacción de todas las variables involucradas, y un leve cambio en una de ellas puede generar un resultado diferente. No todo el níquel que se deposita en el cátodo proviene del ánodo, una parte también se obtiene de la solución. Durante los montajes, algunas piezas presentaron quemaduras generadas por la alta corriente aplicada al proceso, por tanto es de suma importancia controlar esta variable si se desea una pieza con un acabado de alta calidad.
BIBLIOGRAFIA
MONTENEGRO. R. Mejoramiento y programación de actividades de calidad en una planta de niquelado y cromado. Universidad de San Carlos de Guatemala.
FISCHER, A. Recuperación de Níquel de Procesos Galvánicos [En línea]. www.google.com [Citada 23 Julio de 2014].
S. Haag, M. Burgard and B. Ernst, Pure nickel coating on a mesoporous alumina membrane: preparation by electroless plating and characterization, Surf. Coat. Technol. 201 (2006), pp. 2166.
Parker K. Recent advance in elctroless nickel deposits. In: Proceedings of the 8th interfinish conference, Basel, 1972.
Parafraseando a Albert Einstein: “La ciencia cojea sin la ingeniería, la ingeniería es ciega sin la ciencia.”
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ANEXO 1 Placa 1
Placa 2
Placa 3
Placa 4
Peso inicial (g)
5,0850
5,5241
5,1325
5,0445
Peso final (g)
5,1257
5,5914
5,2373
5,1744
Peso inicial del electrodo de Ni (g)
38,3347
38,3251
38,200
38,0747
Peso final del electrodo de Ni (g)
38,3251
38,2000
38,0747
37,8418
Espesor inicial
1,49
1,5
1,485
1,515
Espeso final (mm)
1,52
1,54
1,59
1,53
Voltaje (V)
2,3
3,8
4,9
5,6
Corriente (A)
0,3
0,5
0,7
0,9
Distancia (cm)
5
5
5
5
Dimensiones (cm)
1,955*2,021
2,070*2,080
1,991*2,010
1,968*2,025
Antes de niquelar.
Después
Parafraseando a Albert Einstein: “La ciencia cojea sin la ingeniería, la ingeniería es ciega sin la ciencia.”
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ANEXO 2 MONEDA Peso inicial (g)
5,355
Peso final (g)
5,474
Peso inicial del electrodo de Ni (g)
38,0747
Peso final del electrodo de Ni (g)
37,7257
Espesor inicial
1,65
Espesor final
1,84
Voltaje (V)
4,7
Corriente (A)
0,7
Distancia (cm)
5
Diametro (mm)
23
Antes de niquelar.
Después
Analisis de resultados: A partir de los datos obtenidos, y las gráficas realizadas, se pudo observar que el mejor resultado se obtuvo con una corriente de 0.7A, ya que la placa a niquelar obtiene un mayor espesor y una mayor ganancia de peso. En cuanto a la tendencia de las variables, no pudimos encontrar cómo afectaban las variables como distancia y tiempo el proceso de niquelado, ya que la única varible que tuvimos fue la corriente, e l resto de los factores (distancia entre las placas, tiempo, temperatura, rpm) no fueron altera dos, se mantuvieron constantes. Debido que en este proceso se involucran el traslado y la separación de iones de un lugar a otro, existen diferentes variables que afectan el movimiento de los iones, como lo son: los compuestos de la solución, la concentración de los mismos, la corriente, la distancia entre los electrodos, el material a recubrir, etc. Lo que nos llevó a concluir que con más pruebas y experimentos realizados se puede calcular una tendencia del comportamiento de las difetentes variables que af ectan este proceso.
Parafraseando a Albert Einstein: “La ciencia cojea sin la ingeniería, la ingeniería es ciega sin la ciencia.”
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