Diseño de un portaelectrodo con base en la minimización de los efectos de borde
Autor: Guerra del Río, César Fabián
Asesor: Aguilar Roldán, José Amado (Thesis advisor)
Fecha: 2009
Programa: Bogotá - Medicina -Fisioterapia
Facultad: Facultad de Medicina

Resumen: El objetivo principal de esta investigación fue lograr el diseño de un porta-electrodo, de buena relación área-perímetro, es decir de área reducida, lo que conlleva a presentar efectos de borde que afectan la distribución de corriente, debido a esto el trabajo fue enfocado en minimizar estos efectos para lograr así una distribución de corriente uniforme, ya que en la actualidad estas medidas son muy comunes en los procesos electro-químicos (tales como electro-deposición, estudios cinéticos y corrosión). Todo este desarrollo, se realiza con electrodos de gran área, dado que esta es la solución más simple a los problemas de borde. Logrando concebir este diseño se minimizan costos operativos tales como cantidad de reactivo y áreas de electrodo. El port electrode fue diseñado para operar en condiciones controladas, que permitan predecir, explicar y reproducir las variables eléctricas involucradas en las reacciones electroquímicas, por medio de modelos teóricos con ecuaciones matemáticas conocidas y serias condiciones de operación. / Abstract: The main objective of this investigation was to achieve the design of a carry-electrode, of good relationship area-perimeter, that is to say of reduced area, what bears to present border effects that they affect the current distribution, due to this the work was focused in minimizing these effects to achieve this way a distribution of uniform current, since at the present time these measures are very common in the electro-chemical (such as electro-deposition, kinetic studies and corrosion) processes. This whole development is carried out with electrodes of great area, since this it is the simplest solution to the border problems. Being able to conceive this design operative such costs is minimized as quantity of reagent and electrode areas. The port electrode was designed to operate under controlled conditions that allow to predict, to explain and to reproduce the electric variables involved in the electrochemical reactions, by means of theoretical models with equations well-known and serious mathematical operation conditions.

UNIVERSIDAD NACIONAL DE COLOMBIA
SEDE MEDELLÍN
DISEÑO DE UN
PORTAELECTRODO CON
BASE EN LA
MINIMIZACIÓN DE LOS
EFECTOS DE BORDE
EDILBERTO ALFONSO CELY
CESAR FABIAN GUERRA
PRIMER SEMESTE 2009DISEÑO DE UN PORTAELECTRODO CON BASE EN LA MINIMIZACIÓN DE LOS EFECTOS
DE BORDE
EDILBERTO ALFONSO CELY
CESAR FABIAN GUERRA
TESIS DE GRADO PARA OPTAR EL TÍTULO DE INGENIEROS QUÍMICOS
DIRECTOR
CARLOS IGNACIO SANCHEZ
PROFESOR ASOCIADO.
UNIVERSIDAD NACIONAL DE COLOMBIA
FACULTAD DE MINAS
SEDE MEDELLÍN
2009
2Quiero agradecer a todos aquellos que me brindaron su apoyo, ya
que sin este no fuese posible todo lo que he logrado, por supuesto
mi familia y mis amigos del alma, los cuales nunca me han
desamparado, no puedo dejar atrás todos los excelentes
compañeros y profesores que me ayudaron a formar académica y
personalmente, se les aprecia y nunca serán olvidados.
BETO.
Quiero dedicar este trabajo y titulo obtenido primeramente a
DIOS, a mis amigos Elkin, Angélica, Diego y a toda mi familia, pero
en especial y eterno agradecimiento a mi querida madre Marina,
porque con todo su apoyo y amor, pude encaminarme hacia la
realización de este gran sueño.
CESAR GUERRA.
3Contenido
1. INTRODUCCIÓN 5
2. OBJETIVOS 6
I. Objetivo general: 6
II. Objetivos específicos: 6
3. MARCO TEORICO 7
I. Tipos de Distribución de Corriente: 7
i. Distribución de corriente primaria: 7
ii. Distribución de corriente secundaria: 10
iii. Distribución de corriente terciaria: 11
II. Número de Wagner y su significado cinético (etapas controlante) 11
III. Efectos de borde y Posibles soluciones: 11
IV. Aspectos sobre el estudio de la cinética y de electrodepositación. 13
5. CONSTRUCCIÓN Y CARACTERIZACIÓN DE LOS PORTAELECTRODOS 14
6. METODOLOGÍA EXPERIMENTAL 15
7. ANÁLISIS DE RESULTADOS 17
8. CONCLUSIONES 27
9. REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS 29
41. INTRODUCCIÓN
El objetivo principal de esta investigación fue lograr el diseño de un porta-electrodo,
de buena relación área-perímetro, es decir de área reducida, lo que conlleva a
presentar efectos de borde que afectan la distribución de corriente, debido a esto el
trabajo fue enfocado en minimizar estos efectos para lograr así una distribución de
corriente uniforme, ya que en la actualidad estas medidas son muy comunes en los
procesos electro-químicos (tales como electro-deposición, estudios cinéticos y
corrosión). Todo este desarrollo, se realiza con electrodos de gran área, dado que esta
es la solución más simple a los problemas de borde. Logrando concebir este diseño se
minimizan costos operativos tales como cantidad de reactivo y áreas de electrodo. El
portaelectrodo fue diseñado para operar en condiciones controladas, que permitan
predecir, explicar y reproducir las variables eléctricas involucradas en las reacciones
electroquímicas, por medio de modelos teóricos con ecuaciones matemáticas
conocidas y serias condiciones de operación.
Principalmente para el desarrollo de este trabajo, se consideraron dos casos y se
resolvieron las siguientes inquietudes:
Inquietudes generales:
Determinar cual es la etapa controlante durante el análisis, ¿Será una sola o se deberá
considerar varias etapas?
¿Qué condiciones son las mejores para el diseño del portaelectrodo con base a la
forma de superficie que se requiere?
¿Qué tipo de espesor es el recomendable para dicho portaelectrodo?
Caso 1: Control por migración (distribución primaria): Electrodepositación, ya que en
estos procesos las velocidades de transferencia de carga generalmente son muy
grandes comparadas con la velocidad de migración.
Caso 2: Control por transferencia de carga (distribución secundaria): Estudio cinético
de reacciones electroquímicas, en los cuales se busco el intervalo de potencial
adecuado, para que existe este control.
Se tuvo en cuenta, que la geometría del electrodo desarrolla una importante relación,
entre la eficiencia del baño de recubrimiento y la magnitud de la densidad de corriente
aplicada sobre la aplicación electroquímica que se quiere llevar a cabo, en base a las
dificultades que se presentan, una disminución de la relación área-perímetro puede
provocar grandes inconvenientes en la distribución de la densidad de corriente.
Palabras clave:
Portaelectrodo, Área electrodica; Electrodeposición, Efectos de borde, Distribución de
corriente
52. OBJETIVOS
I. Objetivo general:
Diseñar un dispositivo que permita estudiar en forma confiable procesos
electroquímicos en electrodos de áreas reducidas.
II. Objetivos específicos:
Diseñar varias configuraciones de electrodo que minimicen los efectos de borde.
Validar o rechazar los diseños de portaelectrodo mediante los resultados obtenidos por
comparación con experimentos similares con electrodos convencionales.
63. MARCO TEORICO
I. Tipos de Distribución de Corriente:
La distribución de corriente en un electrodo esta ligada a la distribución de potencial
eléctrico. Esta es una distribución espacial que se da sobre la superficie electródica, que
esta sea uniforme, es decir de igual valor de densidad de corriente en el electrodo, es
particularmente importante en aplicaciones de tratamiento electrolítico de superficies
(recubrimiento, electrodeposición), en electrodos porosos, etc. En estudios, análisis e
investigación, se pretende encontrar la cinética electroquímica que se expresa como
densidad de corriente (por unidad de área), en este tipo de estudios los efectos de borde,
es decir comportamiento diferente del perímetro de los bordes de los electrodos
comparado con el área bajo estudio como consecuencia de distribuciones no uniforme
de corriente, puede llegar a enmascarar el comportamiento que se pretende conocer.
i. Distribución de corriente primaria:
Corresponde a la situación para la que todo sucede como si no existiese cambios de
potencial eléctrico entre el electrodo y la solución, además que toda la variación de
concentración en la solución electrolítica sea despreciable de tal forma que no se
generan cinéticas de reacción ni transporte de materia.
Sobre la base de lo anterior, solamente algunas geometrías, como es el caso de una
celda paralelepípeda cerrada que posee dos electrodos perfectamente planos y ocupando
todo el lateral, o bien dos cilindros coaxiales con los extremos cerrados, pueden
presentar una distribución de primaria uniforme, como es bien conocido de los
condensadores eléctricos planos y cilíndricos respectivamente.
Para esta distribución la relación de la fuerza de flujo esta dada por
Donde es la conductividad eléctrica de la solución y es el potencial eléctrico,
resolviendo esta ecuación nos resulta la ecuación de Laplace:
La cual de manera ilustrativa se resolvió por el método de diferencias finitas,
despreciando la variación en el componente z, tomando como condiciones limite los
electrodos, variando el tamaño y la posición de estos, usando Excel como herramienta
de calculo, con la cual se obtuvieron las siguientes figuras:
Primero observemos la ecuación de recurrencia para resolver la ecuación de Laplace en
dos dimensiones:
73
2.5
2
U 1.5
1
0.5
0
y
x
Figura 1. Variación de potencial para Distribución primaria en dos dimensiones, con
electrodos de igual tamaño.
3
2.5
2
U
1.5
1
0.5
0
Y
X
Figura 2. Variación de potencial para Distribución primaria en dos dimensiones, con
electrodos de diferentes tamaños.
83
2.5
2
1.5
U
1
0.5
0
Y
X
Figura 3. Variación de potencial para Distribución primaria en dos dimensiones, con
electrodos de diferentes tamaños.
3
2.5
2
1.5
U
1
0.5
0
Y
X
Figura 4. Variación de potencial para Distribución primaria en dos dimensiones, con
electrodos de arreglados de forma perpendicular.
9Como se puede observar en las diferentes figuras, los bordes presentan una mayor
concentración de líneas de corriente y los efectos geométricos (forma y tamaño), juegan
un papel decisivo para este tipo de control.
ii. Distribución de corriente secundaria:
Esta corresponde a una situación en la cual se tiene en cuenta el sobre potencial que se
debe generar entre el metal (electrodo) y la solución, llamado sobre potencial de
activación, despreciando el efecto de la migración y difusión en el electrolito. El efecto
de la distribución secundaria esta incluido bajo el término de “polarización” el cual es el
efecto del paso de corriente que resulta incrementando la resistencia, por ejemplo: la
composición de la película en el cátodo es cambiada por la acción de la corriente,
reduciendo la concentración de iones conductores y causando un aumento en la
resistencia.
El sobre potencial de activación es función de la corriente y viceversa, esta relación se
puede expresar mediante la ecuación de Butler-Volmer
Donde i es la densidad de corriente de intercambio, α y β son los factores de simetría, n
0
es el numero de electrones intercambiados en el proceso, R y F son constantes
(universal de los gases y de Faraday respectivamente), i corriente y η es sobrepotencial.
Este fenómeno se da en la interface comprendida entre la matriz electródica y el
electrolito y su tamaño es del orden de micras así que procediendo de igual manera
como para distribución primaria:
3
2.5
2
1.5
1
0.5
0
Figura 5. Variación de potencial para Distribución secundaria en dos dimensiones.
Como se puede observar en la Figura 5, el cambio de potencial en el electrolito es
mucho mas tenue comparándolo con la distribución primaria Figura 1, y el salto de
potencial que se nota solo se da en la matriz metálica del electrodo así que esta
10distribución es mucho mas uniforme que la primaria y los efectos de borde son menos
significativos.
iii. Distribución de corriente terciaria:
En la situación cuando se trabaja a corriente limite (limitación difusional), el sobre
potencial de concentración es preponderante, entonces así el transporte de materia, es
decir de iones en la solución, es el que controla este caso la distribución terciaria. Este
tipo de control no se desarrolla en este trabajo, ya que esta distribución depende de la
distribución espacial de los coeficientes de transferencia de masa que depende de
muchos otros factores que no son hacen parte del interés de esta investigación.
II. Número de Wagner y su significado cinético (etapas controlante)
La uniformidad de la distribución secundaria de corriente, se cuantifica utilizando un
número adimensional conocido como número de Wagner (Wa), que se expresa por:
WA = (-ү/X) (da/di)
Donde X es una dimensión geométrica, que por lo general es la distancia
interelectródica, ү es la conductividad de el electrolito, y la relación de estas el primer
factor en la ecuación del número de Wagner es la resistencia óhmica de la solución, el
segundo factor es la resistencia de activación del electrodo (cambio en el potencial por
cambio de corriente).
Entonces puede decirse: “cuanto mayor sea el valor del número de Wagner, más
uniforme será la distribución secundaria de corriente sobre el electrodo”. Entonces la
etapa más lenta en este proceso es la transferencia de carga y por lo tanto, es la que
controla, por otra parte en cuanto el valor del número de Wagner es más pequeño no
será importante esta etapa, y será a distribución primaria la que controle.
El cálculo de este número es de vital importancia en el desarrollo de este trabajo, ya que
el portaelectrodo fue evaluado utilizando este en los intervalos donde nos garantice una
distribución más uniforme, es decir, donde la distribución sea secundaria.
III. Efectos de borde y Posibles soluciones:
Es el efecto que se produce en los bordes de un electrodo, el cual consiste en el desvío
de las líneas de campo eléctrico, haciendo que estas no se comporten en forma
perpendicular en el borde. Su comportamiento en esta área de las placas es “arqueada”,
es decir, las líneas de campo eléctrico van de una placa a la otra en forma de arco y no
en forma lineal.
La habilidad para controlar la distribución de un electrodepositado sobre un objeto, es
determinado por la densidad de corriente que se da en cada punto, dicha densidad de
corriente, es determinada por la distribución de corriente primaria, como ha sido antes
mencionada esta densidad de corriente, es determinada por la geometría del electrodo.
Esto es independiente de la solución, ya que la distribución de corriente secundaria se
encarga de analizar, los cambios de las propiedades que se dan en la vecindad de la
interface electrodo-solución. La distribución de corriente primaria es un factor
controlante en la distribución metálica.
Esta distribución define la forma y la geometría de los electrodos, su conductividad y
estos casos cuando estos no son superficies equipotenciales, en tales casos para lograr
11una uniformidad, se utilizan dispositivos que logren eliminar o interrumpir flujos de
líneas equipotenciales, para lograr minimizar dichos efectos de borde, en tal caso se
puede utilizar electrodos fantasmas o material polimérico que cumpla la función de
lograr este propósito.
Ya que al aplicar múltiples diferencias de potencial, los efectos de borde solo se ven
afectados por el cambio de las geometrías de los electrodos y de la conductibilidad de la
solución, lo que implica tener en cuenta a la hora del diseño de los porta electrodos.
Para encontrar posibles soluciones al control de la distribución de corriente no uniforme
se pueden introducir esquinas filosas terminadas en punta para lograr que se genere una
buena distribución de corriente. Sin embargo es necesario considerar la forma de estas
esquinas ya que entre mas pequeñas sean, lograrán minimizar estos efectos en
comparación a tener esquinas un poco mas abiertas
En donde los limites de estas esquinas o cuñas tengan una aproximación cercana a un
flujo de corriente en línea recta, y así se pueda dar de una manera eficaz un
electrodepositado lo más uniforme posible.
En la distribución de corriente secundaria un paso de corriente entre la interface
electrodo-solución puede provocar cambios en la composición de la película del cátodo,
reduciendo la conducción de iones, y por ende incrementando la resistencia, lo que se
reflejaría en las líneas equipotenciales provocando aumento en los efectos de borde.
Un método para reducir el efecto de bordes sin alterar las relaciones geométricas,
consiste en emplear guardas o electrodos fantasmas. Consiste en rodear el electrodo de
trabajo con un anillo puesto al mismo potencial que dicho electrodo. Si el otro
electrodo se mantiene a un potencial conocido, las líneas de campo eléctrico en el centro
quedan limitadas a una zona bien definida.
Figura 6, Arreglo de electrodo e ilustración de las líneas de corriente, a) con efectos
de borde, b) Protegido de efectos de borde con electrodos guarda o fantasma.
La forma que tendrá el electrodo será circular, Debido a que generan efectos de borde
menores, para un área determinada comparando con otras formas que al tener esquinas
tiene en estos mayores problemas de borde.
12IV. Aspectos sobre el estudio de la cinética y de
electrodepositación.
En la cinética de reducción de hidrogeno, principalmente, se generan principalmente las
siguientes semireacciones, que son los constituyentes del potencial de la celda.
Cu+ + 2e Cu2+
2H+ +2e H
2
En condiciones de equilibrio electroquímico, y cuando no existe un campo eléctrico
exterior aplicado a la interfase. Los potenciales observados son los de Nerst, y están
determinados usualmente por las propiedades termodinámicas del sistema, la interfase
se encuentra en equilibrio dinámico, que implica el pasaje de cargas en uno y otro
sentido a igual velocidad, y por lo tanto, a igual densidad de corriente.
La densidad de corriente en condiciones de equilibrio electroquímico, se denomina,
densidad de corriente de intercambio
J neta= Oxidación +Reducción = 0
Para poder desarrollar este cinética de reducción de hidrogeno, se debe de alejar esta
reacción del potencial de equilibrio, para que se genere la transferencia de carga.
(Y por lo tanto el pasaje de la corriente). Este fenómeno se llama polarización.
La medida de la polarización, se fundamenta en la magnitud que indica cuan alejado se
encuentra el sistema del equilibrio, el cual recibe el nombre de sobrepotencial, y se
determina como la diferencia entre el potencial del electrodo cuando circula corriente y
el potencial cuando no hay circulación de la corriente.
Para tener una mejor descripción de esta cinética de reducción de hidrogeno, se
fundamentará en los sobrepotenciales, que son etapas propias de control en
electroquímica.
La aparición de un sobrepotencial, implica un apartamiento del estado de equilibrio.
Para que se produzca la reacción electroquímica deben de darse una serie de fenómenos
que pueden agruparse en principio en tres categorías.
Transferencia de carga
Transferencia de masa
Fenómenos de superficie
Cada una de estas etapas puede dar lugar a un sobrepotencial, originado por la
irreversibilidad de la etapa en consideración.
Para nuestra reacción de interés a estudiar, en esta se tendrá la consideración de un
fenómeno exclusivamente de transferencia de carga, es decir, al paso neto de cargas en
un sentido en la interfase conductor electrónico / conductor iónico, el proceso se
encuentra controlado por este fenómeno y se conoce como sobrepotencial de
transferencia de carga o activación.
13Para esta etapa de control, la fundamentación matemática se sostiene mediante la
ecuación de Tafel.
Esta ecuación deriva de la ecuación de Butler-volmer, conocida como ecuación
fundamental de la electródica. La misma vincula la densidad de corriente que tiene lugar
en una reacción electroquímica en función del sobrepotencial.
Cu0 Cu 2 2e
2H 2e H
2
Figura 7. Curva de polarización de la cinética de reducción de Hidrogeno en Cobre
Mediante este modelo gráfico, se analizará el comportamiento cinético de la reacción de
hidrogeno en cobre, que representa el control por transferencia de carga, y en donde los
análisis experimentales que se tomaran mediante el empleo de técnicas electroquímicas
(Voltametría de barrido lineal), determinará la confiabilidad a la que se ejecutarán la
experimentación.
4. CONSTRUCCIÓN Y CARACTERIZACIÓN DEL
PORTAELECTRODO
En base a la fundamentacion antes puesta, se diseño un porta electrodo, de tal forma
que su tamaño fue lo mas pequeñamente posible, y además de su diseño se pretende
realizar un recubrimiento para que aumente la uniformidad de las líneas de
corriente, y así se logre dar una excelente depositación y datos confiables de
parámetros cinéticos.
14Figura 8. Modelamiento en 3D del portaelectrodo y sus respectivos planos en 2D, con
las medidas claves para su construcción.
5. METODOLOGÍA EXPERIMENTAL
1. Revisión bibliográfica: Se realizará una profunda revisión bibliográfica en los
medios de divulgación científica sobre el tema.
2. Desarrollar una configuración de porta electrodo con fundamento teórico.
3. La forma que tendrá el electrodo será circular.
4. Construir el porta-electrodo.
Mediante el uso de un paquete de software de dibujo (Autocad). se
pretende construir y modelar el porta electrodo
construcción del porta electrodo en taller metal mecánico, en
desarrollo de pruebas de maquinado y metalurgia física.
5. Realizar los ensayos de laboratorio.
Cinética de reducción de hidrogeno.
156 alambres de cobre calibre 8 (4.104 cm de diámetro)
Acido sulfúrico 0.5 M
1 electrodo de plata-cloruro plata (electrodo de referencia)
1 electrodo de platino (contraelectrodo)
Las mediciones electroquímicas fueron ejecutadas en el software
BAS100W.
(Ver anexo desarrollo experimental).
6. Pruebas de electrodeposición:
Se va a depositar cobre en una celda electrolítica, el metal sobre el que se va
depositar el cobre se coloca como cátodo, en este caso el porta electrodo, el
electrolito es una disolución de sulfato de cobre que aporta los iones Cu2+ por
ultimo el ánodo es un electrodo de cobre.
Corte de las muestras de metal depositado, el cual será llevado a cabo en un
laboratorio de material con un procedimiento el cual protege los perfiles de
depositación.
Evaluación de la depositación al microscopio.
Desarrollar los respectivos análisis y conclusiones de los resultados obtenidos
comparándolos a su vez, con resultados de otro grupo adscrito también a la línea
de profundización.
Estudio de cinética electroquímica:
Se evaluaran parámetros cinéticos para el hidrogeno sobre electrodo de platino.
Se comparan resultados con los teóricos.
Redacción del informe final.
167. ANÁLISIS DE RESULTADOS
Alambres de cobre recubiertos con aislante (a nivel del aislante)
V inicial= -560 mV
V final = -220 mV
Velocidad de barrido = 10ma/s
Sensibilidad=1ma/V
Gráfica 1. Cinética de hidrogeno sobre cobre, para un alambre de cobre calibre 8,
con protector paralelo al alambre a igual nivel.
17V inicial= -220 mv
V final=-560 mv
Velocidad de barrido= 10 mv/s
Sensibilidad= 100 uA/V
Gráfica 2. Cinética de hidrogeno sobre cobre, para un alambre de cobre calibre 8,
con protector paralelo al alambre a igual nivel
18Alambres de cobre recubiertos con aislante (hundido con respecto al aislante)
V inicial= -220 mv
V final=-560 mv
Velocidad de barrido= 10 mv/s
Sensibilidad= 100 uA/V
Gráfica 3. Cinética de hidrogeno sobre cobre, para un alambre de cobre calibre 8,
con protector paralelo al alambre a diferente nivel de profundidad
19V inicial= -220 mv
V final=-560 mv
Velocidad de barrido= 10 mv/s
Sensibilidad= 100 uA/V
Gráfica 4. Cinética de hidrogeno sobre cobre, para un alambre de cobre calibre 8,
con protector paralelo al alambre a diferente nivel de profundidad
20V inicial= -560 mv
V final=-220 mv
Velocidad de barrido= 10 mv/s
Sensibilidad= 100 uA/V
Gráfica 5. Cinética de hidrogeno sobre cobre, para un alambre de cobre calibre 8,
con protector paralelo al alambre a diferente nivel de profundidad
21V inicial= -220 mv
V final=-560 mv
Velocidad de barrido= 10 mv/s
Sensibilidad= 100 uA/V
Gráfica 6. Cinética de hidrogeno sobre cobre, para un alambre de cobre calibre 8,
con protector paralelo al alambre a diferente nivel de profundidad
22V inicial= -220 mv
V final=-560 mv
Velocidad de barrido= 10 mv/s
Sensibilidad= 100 uA/V
Gráfica 7. Cinética de hidrogeno sobre cobre, para un alambre de cobre calibre 8,
con protector paralelo al alambre a diferente nivel de profundidad
De todos los voltagramas obtenidos, se observó un comportamiento similar a una
distribución de corriente secundaria, la cual es debido al control por transferencia de
carga.
Para corroborar esto, se aplicará la ecuación de Tafel, en donde se analizará que tan
cerca o tan lejos se encuentra del control por transferencia de carga.
23Análisis grafico de los voltagramas de barrido lineal para la cinética de
reducción de hidrogeno.
Gráfica 8. Comportamiento lineal del voltagrama de barrido lineal
obtenido de la grafica 1
0
-0.6 -0.4 -0.2 0 0.2
-0.5
) e -1
t n y = -5.43x -3.576
e
ir R² = 0.992 -1.5
r
o
c -2
e
d
d -2.5
a
d
is -3
n
e
d -3.5
(
g
o -4
l
potencial electrico
Gráfica 9. Ajuste lineal de la recta Tafel de la gráfica 1.
240
-0.6 -0.5 -0.4 -0.3 -0.2 -0.1 0 0.1
-0.5
) e -1
t
n
e ir y = -5,058x -3,468
r -1.5
o R² = 0,940
c
e
d -2
d
a
d
is -2.5
n
e
d
(
g -3
o
l
-3.5
-4
potencial
Gráfica 10. Ajuste lineal de la recta Tafel de la gráfica 2
ecuación de tafel
0
-0.8 -0.6 -0.4 -0.2 0 0.2 y = -5.120x -3,564
-0.5
R² = 0,990
-1
-1.5 ecuacion de tafel
-2
Lineal (ecuacion de
-2.5 tafel)
-3
-3.5
-4
Gráfica 9. Ajuste lineal de la recta Tafel de la gráfica 3
La primera gráfica se comporta como una etapa de control por transferencia
de carga, de tal forma que aplicando la ecuación de tafel
n= a +b log (j)
n = potencial
j = densidad de corriente
a = 2.303RTlog (j ) /BcnF
0
b = -2.303RT/BnF
Donde j es la densidad de corriente de intercambio o llamada también,
o
La corriente en equilibrio electroquímico.
25a y b son parámetros de la ecuación de tafel.
Bc es el factor de simetría catódico, que relaciona el cambio en la energía de
activación, que se debe de dar para que se genere una reacción de oxidación
ó reducción de la cinética en estudio, y a su vez la energía eléctrica que se
debe suministrar al sistema para romper esa energía de activación.
Para determinar experimentalmente los parámetros de tafel j y Bc es
o
recomendable desarrollar una representación gráfica, en la que la densidad
de corriente, este en una escala logarítmica, ya que así, se pone en
correlación el sobrepotencial y el log J.
De tal forma, que dicho sistema electroquímico presenta una región lineal, lo
suficientemente extensa, que se acomoda al modelo de tafel, de tal forma se
puede determinar que dicho sistema electroquímico posee una etapa de
control en la interfase electrodo- solución, propia del control por
transferencia de carga.
Esta densidad de corriente de intercambio se pretende comparar con datos
teóricos de la literatura, y así poder analizar sobre que condiciones se ejecuta
el diseño experimental, con la teoría de cinética de reducción de hidrogeno.
La densidad de corriente de intercambio a nivel experimental da alrededor de
4,5 miliamperios/cm2 lo cual presenta un grado de aproximación verdadera
del dato teórico de la corriente de intercambio del cobre en acido sulfúrico
que es de 4, 5 miliamperios/cm2.
268. CONCLUSIONES
Se puede afirmar que el portaelectrodo diseñado minimiza los efectos de borde
para las aplicaciones realizadas de manera exitosa.
La distribución primaria con el dispositivo elaborado es más uniforme que la
distribución secundaria con este.
Los experimentos elaborados en aéreas grandes, con mayores consumos (de
reactivos, energía eléctrica, electrolito y metales) pueden ser reemplazados con
estudios en pequeñas aéreas, tomando las precauciones adecuadas.
Los estudios elaborados sin la protección adecuada, tienen desviaciones en los
datos de corriente ya que los bordes afectan en gran proporción estos datos.
Para la búsqueda de los coeficientes de Tafel (modelo cinético de control por
transferencia de carga), dieron de forma acorde con lo que se esperaba, de tal
manera, El desarrollo del trabajo experimental se logró a cabalidad.
27ANEXO DESARROLLO EXPERIMENTAL
Se cortan 8 alambres de cobre de calibre #8
La superficie expuesta de cobre se aplica un pulimiento superficial
mediante un sistema de lijado de lijas # 100, #200 y #2400
De los 8 tipos de alambres que se utilizaron la cinética de reducción
de hidrogeno (3 de estos alambres recubiertos con aislante (se
encuentran a nivel del aislante). Los otros 4 alambres restantes
recubiertos con aislante, se encuentran hundidos con respecto al
aislante.
289. REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS
1. Coeuret F, Costa López J, Capitulo 9 elementos sobre la distribución de
potencial y de corriente. En Introducción a la ingeniería electroquímica.
Editorial reverte, p. 205-210.
2. Pinkerton H. L., Capitulo 15 Current and Metal distribution. En Electroplating
Engineering Handbook, Editorial Van Nastrand Reinbold, 4 ed. P. 461-472.
3. Millet Pierre, Electric Potential Distribution in an Electrochemical Cell. En
Journal of Chemical Education, v 73, No 10, October 1996. P 956-958.
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Tribollet Bernard, Vivier Vincent, Local electrochemical impedance
spectroscopy: Considerations about the cell geometry, En
www.sciencedirect.com, Electrochemical Act 53 (2008) 7386–7395.
5. Vaezi M.R., Sadrnezhaad S.K., Nikzad L., Electrodeposition of Ni–SiC nano-
composite coatings and evaluation of wear and corrosion resistance and
electroplating characteristics, En www.sciencedirect.com, Colloids and Surfaces
A: Physicochemical. Eng. Aspects 315 (2008) 176–182.
29