Volumetría y Electroobtención de Cobre: Principios, Equipos y Variables de Control

Volumetría: conceptos y definiciones

Volumetría: consiste en la determinación de la concentración de una sustancia mediante una valoración, que es el cálculo del volumen necesario de una sustancia de concentración conocida (solución patrón) que ha de reaccionar completamente con la sustancia a analizar. Existe un reactivo llamado valorante, de volumen y concentración conocida, que se utiliza para que reaccione con una solución del analito de concentración desconocida. Para conocer el volumen del valorante se usa una bureta calibrada, determinando así la cantidad exacta que se ha consumido cuando se alcanza el punto final.

Definiciones clave

Punto final: es donde finaliza la valoración; se determina con el uso de un indicador. Idealmente coincide con el punto de equivalencia, es decir, cuando el número de moles de valorante añadido es igual al número de moles del analito.

Punto de equivalencia: punto en que la cantidad de agente valorante y de sustancia valorada coinciden estequiométricamente.

Punto final experimental: punto experimental en el que se detecta el punto de equivalencia.

Requisitos de la reacción para uso en volumetría

Para que una reacción química se emplee en volumetría debe cumplir las siguientes condiciones:

• Ser simple: libre de reacciones secundarias y representada por una sola ecuación química.
• La sustancia a determinar debe reaccionar cuantitativamente con el reactivo en relación estequiométrica o de equivalencia química.
• Ser instantánea: de muy alta velocidad, de forma que el punto final de la titulación se establezca muy próximo al punto de equivalencia.
• Presentar un cambio nítido de alguna propiedad física o química que permita detectar el punto final mediante un indicador.

Lo ideal es que el punto final y el punto de equivalencia coincidan; en caso contrario, la diferencia será el error de titulación.

Electroobtención

Electroobtención: proceso electroquímico donde se recupera cobre (Cu) que está concentrado en una solución, produciendo cátodos de alta pureza de cobre. La solución electrolítica con Cu, por ejemplo sulfato de cobre, se lleva a celdas de electroobtención que tienen en su interior ánodos y cátodos en orden. En estas celdas se aplica corriente continua que circula entre ánodos y cátodos inmersos en el electrolito.

En el electrolito el cobre está presente en forma de Cu2+, es atraído por la carga negativa del cátodo y migra hacia el acero inoxidable donde se deposita.

Componentes y reacciones

• Electrolito: medio acuoso que contiene iones del metal a depositar y otros iones que permiten el paso de corriente entre electrodos.
• Ánodo: material sólido conductor donde se realiza la oxidación liberando electrones; típicamente una placa de aleación con base en plomo u otro material (polo positivo).
• Cátodo: electrodo sólido conductor donde se realiza la reducción con los electrones procedentes del ánodo; por ejemplo, placa de acero inoxidable (polo negativo).

Condiciones operativas y configuración

Para realizar la electroobtención se requieren instalaciones llamadas celdas electrolíticas con sistemas de circuitos eléctricos para circular corriente continua de baja intensidad. Para que el proceso sea eficiente se debe considerar la configuración de los circuitos y las características de las conexiones eléctricas. Estas configuraciones son:

1. Dos secciones separadas por un patio central de trabajo.
2. Una sola sección.
3. Cuatro secciones.

El control de este proceso se realiza mediante las siguientes variables:

• Concentración de Cu en el electrolito (Cu2+).
• Temperatura de la solución.
• Densidad de corriente.
• Peso de los cátodos.
• Dosificación de aditivos.
• Flujo de alimentación a las celdas.

Ley de Faraday

Ley de Faraday: la cantidad de cambio químico producido por una corriente eléctrica, es decir, la cantidad disuelta o depositada es proporcional a la electricidad pasada. Las cantidades de distintas sustancias depositadas o disueltas por la misma cantidad de electricidad son proporcionales a sus pesos químicos equivalentes.

Se concluye que el peso de metal W depositado en un tiempo T es proporcional a la corriente I, y para corriente constante el peso es proporcional al tiempo de la electrólisis; dentro de cierto tiempo T, los pesos son proporcionales a sus pesos equivalentes.

Densidad de corriente

Densidad de corriente: magnitud definida como la intensidad de corriente por unidad de superficie (corriente por unidad de área), importante cuando se habla de dimensiones de cátodos.

Eficiencia de corriente

Eficiencia de corriente: las relaciones teóricas anteriores suponen una eficiencia total en el uso de la corriente. La eficiencia de corriente es la relación entre el peso de material depositado efectivamente y el peso que debería depositarse según el cálculo teórico.

Agentes aditivos

Los aditivos en el baño electrolítico cumplen funciones específicas:

• Nivelantes: pretenden ecualizar la actividad de las distintas zonas del depósito, produciendo redistribución del voltaje y, por tanto, de la corriente.
• Abrillantadores: usados para mejorar el aspecto visual del depósito.
• Reguladores del tamaño de grano: generan condiciones para que se establezcan tasas de nucleación y crecimiento específicas al tipo de depósito que se desea formar.