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SEPARACIÓN DEL SULFATO DE COBRE MEDIANTE ELECTROLISIS CON ENERGÍA SOLAR. INVESTIGACION
Tipo: Guías, Proyectos, Investigaciones
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ANTECEDENTES
Desde la Conferencia de Estocolmo en 1972 hasta la de Río de Janeiro en 1992, se han producido muchos avances en materia de legislación ambiental y en la mayoría de los países se han incorporado importantes disposiciones referentes a la preocupación por la protección del medio ambiente y la promoción del desarrollo sostenible. [ CITATION DET09 \l 2058 ] Los problemas del medio ambiente, la necesidad del desarrollo sostenible y ecológicamente sustentable y la implementación de la educación ambiental han pasado a ocupar el centro de las preocupaciones del mundo contemporáneo. En los laboratorios de los centros de enseñanza se generan sustancias que pueden ser dañinas para el medio ambiente, por tanto, la gestión de residuos del laboratorio de química debe basarse en principios de minimización, reutilización (para el aprovechamiento), tratamiento y eliminación segura. Una de estas opciones es la electrólisis de estas sustancias. Fue el británico William Whewell, un gran científico, filósofo y autor de numerosos textos, que junto a Michael Faraday en el año de 1834 inventó el término “electrólisis” para definir el proceso de descomposición química de la corriente galvánica. A inicio del siglo XIX, esta palabra fue introducida rápidamente en los campos de química, mineralogía y metalurgia por medio de una serie de experimentos en los cuales, al introducir electricidad en una sustancia, podían surgir diferentes tipos de descomposiciones, permitiendo conocer y entender los elementos de dicha sustancia. En 1850 y 1860 se hicieron experimentos médicos en Norteamérica y Europa utilizando la electrólisis.[ CITATION BriNA \l 2058 ] Mediante el proceso de electrólisis se pueden descomponer diferentes compuestos en sus elementos como por ejemplo el hidrógeno. Es usado también
para purificar un metal como por ejemplo cobre. Es utilizada también para recubrir algunos metales con otro metal con el fin de embellecerlo o evitar la corrosión. Los metales que habitualmente se depositan son el oro, la plata, el cromo, el estaño y a este proceso se le denomina galvanotecnia. La electrólisis es uno de los principales métodos químicos de separación. La principal ventaja del método electrolítico consiste en que no es necesario aumentar la temperatura para que la reacción tenga lugar, evitándose pérdidas energéticas y reacciones secundarias. Industrialmente es uno de los procesos más empleados en diferentes áreas, como por ejemplo en la obtención de elementos a partir de compuestos (cloro, hidrógeno, oxígeno), la purificación de metales (el mineral metálico se disuelve en ácido, obteniéndose por electrólisis el metal puro) o la realización de recubrimientos metálicos protectores y/o con fines decorativos, como es el caso del niquelado. El campo de la producción electrolítica de metales puede ser convenientemente separada en dos divisiones principales que pueden calificarse, brevemente, como la electro-refinación y electro-deposición. Las operaciones son similares en que ambos emplean la corriente directa, que pasa de los ánodos de cátodos convenientemente dispuestos en una celda que contiene un electrolito, y que, en ambos tipos de operación, el metal puro se deposita en el cátodo.[ CITATION Día08 \l 2058 ] La recuperación de metales preciosos y metales de productos derivados es una fase importante de la refinación electrolítica de metales comunes.
JUSTIFICACIÓN
Dentro de los diferentes impactos ambientales que el hombre ha causado está el alto índice de agua contaminada que ha ido incrementando en los últimos años, por lo cual se desea está cantidad. El sulfato de cobre es un compuesto con una toxicidad alta tanto para las plantas y animales, como para el humano si no tiene seguridad personal al manipularlo. En el caso de los laboratorios de los centros de enseñanza los residuos de este compuesto en su mayoría son soluciones sobresaturadas, es decir, soluciones con altas concentraciones de este compuesto, y estas soluciones tiradas al drenaje sin tratamiento previo. En las hojas de seguridad de este compuesto se advierte que no se debe permitir que caiga en fuentes de agua o drenaje, pero su almacenamiento puede llegar a ser muy caro para instituciones educativas, por lo que se quiere un método eficaz y económico para darle un tratamiento a los residuos antes de desecharlos.
OBJETIVOS
OBJETIVOS GENERALES
Dar tratamiento electroquímico a residuos de sulfato de cobre de laboratorios de centros de enseñanza para su desecho seguro.
Encontrar las condiciones óptimas del proceso de separación de sulfato de cobre mediante electricidad. Obtener compuestos reutilizables mediante la separación del sulfato de cobre. Encontrar el porcentaje de efectividad del proceso. Analizar posibilidades de tratar otros residuos con electricidad. Determinar ventajas y desventajas del proceso.
El sulfato de cobre es muy tóxico para los peces, es tóxico para los invertebrados acuáticos, como el cangrejo, los camarones y las ostras. Las abejas están amenazadas por fuertes compuestos de cobre a base de agua, como una mezcla bordelesa de sulfato de cobre, cal y agua.[ CITATION Sán18 \l 2058 ] ELECTRÓLISIS
La electroquímica es una rama de la química que está dedicada al estudio de la interacción y correlación de los procesos químicos y eléctricos mediante las reacciones de óxido reducción. Es importante conocer que el primer uso que se le dio a la electricidad para el tratamiento de aguas o algunos contaminantes fue en Reino Unido en 1889, de aquí se fueron desarrollando ciertas técnicas electroquímicas. Existen gran variedad de técnicas electroquímicas que pueden cubrir la problemática a tratar como la electrodiálisis, la electrocoagulación, electro flotación y algunos procesos que son usado específicamente en la industria como es la oxidación directa, en industrias metalúrgicas, fabricación de pilas, etc. [ CITATION Día08 \l 2058 ] La electrólisis es el proceso que separa los elementos de un compuesto por medio de la electricidad. Se aplica una corriente eléctrica continua mediante un par de electrodos conectados a una fuente de alimentación eléctrica y sumergidos en la disolución. El electrodo conectado al polo positivo se conoce como ánodo, y el conectado al negativo como cátodo. Cada electrodo atrae a los iones de carga opuesta. Así, los iones negativos, o aniones, son atraídos y se desplazan hacia el ánodo (electrodo positivo), mientras que los iones positivos, o cationes, son atraídos y se desplazan hacia el cátodo (electrodo negativo).[ CITATION Lev04 \l 2058 ] En 1883, Michael Faraday descubrió que las disoluciones acuosas de ciertas sustancias conducen la corriente eléctrica, mientras que no lo hacen las disoluciones de otras sustancias.
En el curso de sus estudios sobre Electrólisis, Faraday dedujo las siguientes leyes:
1ª Ley: La cantidad de sustancia que tiene su transformación química en un electrodo es proporcional a la cantidad de electricidad que pasa a través de la disolución. 2ª Ley: Si se hace pasar una misma cantidad de electricidad a través de disoluciones diferentes, los pesos de las sustancias descompuestas o depositadas en los distintos electrodos son proporcionales a los pesos equivalentes de dichas sustancias.[ CITATION Alo02 \l 2058 ] ELECTRÓLISIS DEL SULFATO DE COBRE
El electrolito de sulfato cobre (II), proporciona una alta concentración de iones de cobre (II) Cu2+^ e iones de sulfato SO 4 2–^ para transportar la corriente durante el proceso de electrólisis. Existen pequeñas concentraciones de iones de hidrógeno H+^ e iones hidróxido OH-^ de la auto ionización del agua en sí. La electrólisis solo tendrá lugar cuando la electricidad pase a través de la solución de cobre. La electrólisis de la solución de sulfato de cobre puede llevarse a cabo con dos tipos de electrodos diferentes: (a) electrodos de inertes (carbono) y (b) electrodos de cobre. a) Electrodos de grafito Los productos de la electrólisis de la solución de sulfato de cobre son un depósito de cobre en el cátodo y gas oxígeno en el ánodo. La reacción del ánodo difiere de cuando utiliza electrodos de cobre.
b) Electrodos de cobre Los productos de la electrólisis de la solución de sulfato de cobre son un depósito de cobre en el cátodo y iones de cobre ya que el ánodo se disuelve. Cuando el sulfato de cobre (II) se electroliza con el ánodo de cobre (el cátodo puede ser carbono o cobre), el depósito de cobre en el cátodo (-) es igual a la disolución de cobre en el ánodo (+). Por lo tanto, el color azul de los iones Cu2+^ se mantiene constante porque el Cu depositado = Cu disuelto. Ambos implican una transferencia de dos electrones, lo que significa que la masa de Cu depositada = la masa de Cu se disuelve para la misma cantidad de corriente que fluye (flujo de electrones). Esto se puede verificar pesando los electrodos secos antes y después de que se haya producido la electrólisis. Las semirreacciones para la electrólisis de la solución de sulfato de cobre (II) son: Reacción negativa del cátodo con electrodos de cobre o carbono El electrodo de cátodo negativo atrae los iones Cu2+^ (del sulfato de cobre) y los iones H+^ (del agua). Solo el ion de cobre se descarga, reduciéndose a cobre metálico. Cuanto menos reactivo es un metal, más fácilmente se reduce su ion en la superficie del electrodo. Cu2+(aq)+ 2e-==> Cu(s) Reducción positiva de iones por ganancia de electrones. Reacción anódica positiva con electrodo de cobre En el ánodo de cobre se presenta la diferencia crucial de esta a la electrólisis de la solución de sulfato de cobre con un electrodo inerte. Los iones de sulfato negativo SO 4 2-^ o las trazas de iones de hidróxido OH-^ son atraídos hacia el electrodo positivo. Pero tanto el ion sulfato como el ion hidróxido
son demasiado estables y no les pasa nada porque el ánodo de cobre se oxida preferentemente para descargar los iones de cobre Cu2+. Cu(s)==> Cu(s)+ 2e– Oxidación de átomos por pérdida de electrones. En esta electrólisis se presenta un balance entre: o Átomos de cobre oxidados a los iones de cobre (II). o Iones de cobre (II) reducidos a átomos de cobre.
Por cada átomo de cobre que se oxida, se reduce un ion de cobre, por lo tanto, cuando se utilizan electrodos de cobre en la electrólisis de la solución de sulfato de cobre, la pérdida de masa de cobre del electrodo de ánodo positivo debe ser igual a la masa de cobre obtenida y depositada sobre el electrodo de cátodo negativo. Se puede mostrar esto pesando ambos electrodos al comienzo del experimento. Después de que la corriente haya pasado por algún tiempo, se extraen cuidadosamente los electrodos de la solución, se lavan, secan y se vuelven a pesar. La ganancia en masa del cátodo debe ser aproximadamente la misma que la pérdida de masa del ánodo.[ CITATION Bro11 \l 2058 ]
HIPÓTESIS
Para la separación óptima de sulfato de cobre usando la electrólisis con energía solar las variables más importantes son el material de los electrodos, la concentración de la solución de sulfato de cobre, y el tiempo de duración de la electrólisis. Se requiere que los electrodos sean de un material inerte como lo es el carbono (grafito) y de un tamaño relativamente grande, pues esto aumenta su área de contacto con la solución de sulfato de cobre. La cantidad de cobre recolectada dependerá de la concentración de la solución, y el tiempo al que sea sometida a la electrólisis, entre mayor sean estos dos valores, mayor será la recolección de cobre en el cátodo.
METODOLOGÍA
LUGAR Y TIEMPO
La realización de las electrólisis del sulfato de cobre será fuera de las instalaciones del Instituto Tecnológico de Chihuahua, sin embargo, se replicarán las condiciones que se pueden encontrar en los diferentes laboratorios en donde es usado el sulfato de cobre (laboratorio de química inorgánica, laboratorio de química inorgánica, laboratorio de química analítica y laboratorio de análisis instrumental) con fin de aplicar los resultados obtenidos. Se llevarán a cabo durante el periodo vacacional que comprende desde el día 15 al 26 de abril del 2019. TIPO DE ESTUDIO
Para el presente trabajo se requiere una investigación cuantitativa, y como técnica la experimentación, ya que se realizará la electrólisis cambiando valores en las diferentes variables independientes. Para poder aplicar esta investigación de la manera más adecuada se tiene respaldo de una investigación longitudinal, pues la electrólisis del sulfato de cobre es algo que ya se ha realizado, y el objetivo de esta investigación es encontrar las condiciones optimas de esta en un laboratorio escolar. DISEÑO DE LA INVESTIGACIÓN
Se realizará una experimentación en base a la electrólisis del sulfato de cobre con electrodos inertes como se describe en el marco teórico del presente trabajo (pág. 10).
Debido a que la técnica elegida es experimentación, se tienen que tomar diferentes variables en cuenta.
- VARIABLES INDEPENDIENTES Las variables independientes que se presentan en este experimento son: Concentración de la solución: Se varía la concentración de la solución a la cual se le realizará la electrólisis. Se demostrará si la concentración de la solución afecta los resultados.
Tiempo de la electrólisis: Se varía el tiempo durante el cual se lleva a cabo la electrólisis, con fin de ver si este es el aspecto más importante en cuanto a los resultados a obtener. Material del cátodo: Se varía el material del cátodo con fin de ver si esto tiene algún efecto en la electrólisis (ya sea positivo o negativo).
Para determinar si la electrólisis se lleva a cabo de manera correcta se debe observar acumulación de cobre en el cátodo, que es el electrodo conectado al lado negativo de la fuente de energía, esta acumulación puede observarse como una pequeña capa que recubre toda la superficie del electrodo que está sumergida en el sulfato de cobre. En el ánodo debe de observarse la formación constante de pequeñas burbujas. RECOLECCIÓN DE DATOS
Al realizar las electrólisis de las diferentes soluciones se rellenarán los datos de la tabla 1 para poder analizar su contenido y determinar las mejores condiciones para llevar a cabo la electrólisis del sulfato de cobre con energía solar.
