UNIVERSIDADE FEDERAL DE SÃO CARLOSCENTRO DE CIÊNCIAS EXATAS E TECNOLOGIA

DEPARTAMENTO DE QUÍMICA

07.618-0 C - FÍSICO-QUÍMICA EXPERIMENTALProf. Nerilso Bocchi

EXPERIMENTO 9 – Eletrodeposição de Níquel em uma Chapa de Aço

Felipe Guedes Pucci 295450

1. Objetivos

Por meio da passagem de corrente eletrica sobre eletrodos de niquel e aço e eletrólitos, se deposita niquel em uma chapa de aço. Nosso objetivo é desenvolver os conceitos envolvidos nesse processo bem como obter experimentalmente os parametros de interesse.

2. Fundamentação Teórica

O funcionamento do sistema se assemelha ao de uma pilha operando de modo inverso, ou seja, se insere corrente no sistema. Tem-se uma solução contendo eletrólitos de níquel, e duas placas de níquel que funcionarão como ânodos para fornecerem ions de níquel à solução eletrolítica que na sequencia se deposita na superfície do cátodo de aço se reduzindo a níquel metálico. A ilustração abaixo ilustra o processo, no caso, deposição de cobre sobre um metal qualquer:

Os principais fundamentos teóricos que serão usados foram desenvolvidos por Michael Faraday que afirmara que a massa de metal depositada é proporcional à densidade de corrente aplicada e que aplicando uma mesma carga elétrica a massa de metal depositado será proporcional a massa molecular do mesmo. Isso resulta na seguinte expressão:

m=QMF z

Onde m é a massa de metal depositada, Q a carga elétrica apllicada, M a massa molecular do metal, F a constante de Faraday e z o número de elétrons de valência do íon.

Sabe-se que Q é o produto da corrente (carga por tempo) multiplicado pelo intervalo de tempo em questão, combinando com a equação anterior:

m= i t MF z

Existem alguns tipos de eletrodeposição no que se refere aos eletrólitos em solução e outras variáveis do processo como quantiadade de corrente. Nesse experimento será realizado o banho de Watts, que consiste em utilizar como eletrólitos sulfato de níquel cloreto de níquel e ácido bórico. Cada íon tem uma função específica, no caso, o sulfato oferece o íon de níquel para deposição, o cloreto facilita a corrosão anódica juntamente com a facilitação da passagem de corrente elétrica, enquanto o ácido bórico mantêm o pH tamponado para o correto funcionamento do processo.

3. Procedimento Experimental

O primeiro passo para a iniciação do experimento é a lixagem (120) da peça de aço, para a retirada do niquel que foi depositado pelo grupo da semana anterior. As duas soluções, com abrilhantador e sem abrilhantador já estavam prontas. Em seguida, montou-se o equipamento com

a solução, os suportes, e a fonte. Antes de imergir a placa de aço mediu-se a area da placa para o calculo da corrente que será gerada na fonte, além de medir a massa da placa. Depois de cerca de uma hora de banho com uma corrente impressa tal, de forma que a densidade de corrente estivesse entorno de 10 a 15 mA/cm², retirou-se a placa de aço e mediu-se a nova massa da placa para inferir a massa de níquel depositada. Repetiu-se o procedimento para a solução sem abrilhantador.

4. FLUXOGRAMA

Para a simplificação e melhor visualização dos procedimentos experimentais, foi feito o seguinte fluxograma:

Preparação das placas de aço:

Montagem da célula eletroquímica e eletrodeposição:

5. MANUSEIO E DESCARTE

Nesse experimento não houve a necessidade de descarte de nunhuma das substâncias, tanto a solução com abrilhantador quanto a sem abrilhantador são sempre reaproveitadas . A solução é sistematicamente reaproveitada por cada grupo que já realizou o experimento. O fato de não haver o descarte é a alta toxicidade das substâncias presentes na solução. Não foi necessário o uso nem de HCl

Lixar amostra com lixa 120

Lavar em água fria e secar material

Medir largura da amostra e altura que a

solução atinje na amostra

Pesar amostra metálica em balança

analítica

Colocar o béquer no agitador-aquecedor com a solução de eletrólitos

do banho de watts

Prender as duas barras de níquel de forma

simétrica de modo a placa de aço ficar no

meio

Ligar aquecedor e manter temperatura a 50°C

Ligar fonte na amperagem necessária

Esperar cerca de uma hora

Desligar gerador de corrente , retirar amostra de aço e medir a massa

da placa

nem de Acetona para limpeza das amostras de aço, apenas a lixagem, logo não havendo necessidade para descarte.

6. Resultados e Discussão

A reação que ocorre no ânodo é:

Ni0 Ni2+ + 2e-

Enquanto que no cátodo o níquel retorna a forma metálica para se depositar na placa de aço:

Ni2+ + 2e- Ni0

Para o cálculo da massa teórica depositada no processo usa-se a equação apresentada anteriormente:

m= i t MF z

Sendo que no primeiro depósito (com abrilhantador) utilizou-se uma corrente que variava de 0,16 a 0,17 Ampéres durante 1 h e 2 min. Sabe-se que a constante de Faraday no Sistema internacional é 96485,339 C/mol e o numero de elétrons de valência do níquel é 2, a massa molecular do níquel é 58,6934 g/mol. Com isso, supondo 100% de eficiência no processo, a massa teórica de níquel depositada é 0,1866 g.

Experimentalmente as massas obtidas foram:

MassasInicial 55,57 gFinal 55,75 g

Depositado 0,1798 g

O que demonstra que o processo de deposição foi satisfatório com um desvio pequeno da ordem de 3,64%.

A espessura de níquel depositada pode ser calculada pela seguinte equação:

e=mexperinentalρ¿ A

Onde a densidade do níquel é 8,908 g/cm³ e a área total estimada 32,16cm². A espesssura é 6,28 μm.

Agora para o segundo deposito (sem abrilhantador), usando a mesma corrente, a dimensão da placa de aço igual, só que dessa vez o tempo de eletrodeposição foi de 46 minutos, a massa teórica é 0,1385 g , enquanto que os valores experimentais foram:

MassasInicial 61,89 gFinal 62,03 g

Depositado 0,1400 g

Dessa vez o desvio foi ainda menor da ordem de 1,08 %. A espessura do depósito dessa vez foi de 4,89 μm.

7. Conclusão

Pode-se verificar que a equação de Faraday prevê de de forma bem precisa a massa de metal depositado sendo essa diretamente proporcional ao tempo em que é deixado as placas em banho, as possíveis maiores fontes de erro são a dificuldade em se calibrar o gerador de corrente e a medição da altura de imersão da placa que entra como medida de altura para se obter a area onde ocorre o depósito. Nota-se que o uso de abrilhantador não altera a cinética do processo, sendo que seu efeito se dá no âmbito da maneira com que os átomos de níquel se depositam na superfície do aço. A presença do abrilhantador faz com que seja necessária uma maior quantidade de energia para que os átomos de níquel se depositem nos locais pontiagudos, estes por sua vez tendem a se depositar nas depressões da superficie, criando uma superfície mais homogênea que visualmente nos dá a impressão de brilhante.

8. Bibliografia

ATKINS, P.W. – Physical Chemistry, 6a ed. New York: Oxford University Press, 1998.

http://en.wikipedia.org/wiki/Nickel

http://en.wikipedia.org/wiki/Faraday