RECICLAJE DE PLATA (P 1)

Transcripción

1 RECICLAJE DE PLATA (P 1) Objetivos - Estudio descriptivo de la plata y de su metalurgia - Ejemplificación de un proceso industrial de reciclaje - Adquisición de conocimientos básicos sobre operaciones de calentamiento en el laboratorio - Realización de una síntesis a alta temperatura Metales Los metales poseen ciertas propiedades en común. Desde el punto de vista de sus propiedades físicas clasificamos como metálicas a las sustancias que tienen alta densidad, color y brillo característico, maleabilidad (capacidad de ser laminadas), ductilidad (capacidad de ser transformadas en hilos), y buena conductividad eléctrica y térmica. Muchos de los elementos de la Tabla Periódica tienen estas propiedades, e integran el conjunto de las sustancias metálicas. Los elementos metálicos poseen además dos características químicas definidas: al combinarse, lo hacen perdiendo electrones (es decir, forman cationes). en general, sus óxidos reaccionan con el agua para dar soluciones básicas. En la Tabla Periódica, los elementos metálicos constituyen el 75% del total. Son metales todos los elementos de los bloques s, d y f. Además, también son metálicos algunos elementos del bloque p. La plata (Z = 47) es un metal localizado en la interfase de los bloques d y p, en el grupo 11 de la Tabla Periódica. En el mismo grupo se encuentran el Cu (Z = 29) y el Au (Z = 79). La configuración electrónica de la plata es: [Kr] 4d 10 5s 1, lo que la ubica en el quinto período. Su estado de oxidación más estable es el +1. Estado natural y obtención de la plata Los elementos metálicos se encuentran en la corteza terrestre en abundancias variables. Las abundancias se expresan habitualmente en partes por millón (en masa), simbolizadas por ppm. Por ejemplo, las abundancias de los elementos del grupo 11 son: Cu, 50 ppm; Ag, 0.07 ppm; Au, ppm. Estas abundancias son promedios, y los valores de cada elemento oscilan en forma importante al variar la posición geográfica. En particular, en determinados minerales la concentración de un metal es suficientemente alta como para permitir su explotación comercial. Son estos minerales, denominados menas, los que se utilizan para extraer los metales de interés. Desde el punto de vista químico, los metales se encuentran en la naturaleza ya sea libres (muy pocos) o formando compuestos, principalmente sulfuros y óxidos. El principal mineral de la plata es la argentita (Ag 2 S), que frecuentemente se encuentra mezclada con sulfuros de otros elementos (antimonio, arsénico, cobre, plomo, cinc). La argentita también se encuentra muy frecuentemente integrando las menas de oro metálico. Menos importantes son la kerargirita (AgCl) y la plata elemental, encontrada frecuentemente junto con la galena (PbS). 1

2 Las menas de argentita se explotan actualmente por el procedimiento de cianuración, que consiste en tratar el mineral de plata (Ag 2 S) con solución acuosa de cianuro de sodio, de acuerdo con la reacción: Ag 2 S + 4 CN - 2 [Ag(CN) 2 ] - + S 2- La plata, como muchos otros metales, se usa principalmente en forma elemental (Ag). Por lo tanto, debe ser reducida. Una posibilidad es agregar polvo de cinc a la solución de [Ag(CN) 2 ] -. Este proceso se conoce como cementación: 2 [Ag(CN) 2 ] - + Zn [ Zn(CN) 4 ] Ag Una alternativa muy utilizada es la reducción electrolítica de la especie cianurada, la cual se reduce depositándose en el cátodo Ag, según: [Ag(CN) 2 ] - + 1e - Ag + 2 CN - El procedimiento electrolítico es muy útil también para refinar (purificar) la plata. Se electroliza una solución de la misma especie cianurada, utilizando como ánodo una barra de plata a purificar. En el cátodo se verifica la misma semirreacción anterior, depositándose plata pura (del orden de 99.99% de pureza). En el ánodo se produce la disolución de la plata impura, por la semirreacción: Ag Ag + + 1e - El catión plata liberado se combina con los aniones cianuro que se liberan en el cátodo. El proceso de purificación transcurre en forma continuada, hasta la disolución completa del ánodo. Propiedades de la plata La plata es un metal blanco, brillante, blando y maleable. Su punto de fusión es 961 C. Posee muy altas conductividades térmica y eléctrica. La reactividad química de los elementos del grupo 11 disminuye en el orden Cu>Ag>Au. Por ejemplo, los tres metales son resistentes al ataque del oxígeno, a temperatura ambiente. Pero el cobre forma Cu 2 O al ser calentado. Esta resistencia a la oxidación que presentan la plata y el oro es una de las características que llevan a considerarlos metales nobles. El sulfuro de hidrógeno, presente en pequeñas cantidades en el aire, reacciona lentamente con la plata para dar sulfuro de plata de color negro: 2 Ag + H 2 S Ag 2 S + H 2 Esta reacción es la responsable del progresivo ennegrecimiento de los objetos de plata cuando están expuestos al aire. El oro no es atacado por el H 2 S y permanece inalterado en esas condiciones. Es una de las manifestaciones de su mayor carácter noble respecto a la plata. 2

3 Todos los metales del grupo, en solución ácida, tienen valores positivos de E 0 para la semirreacción: M + + 1e - M (Cu, +0.52V; Ag, +0.80V; Au, +1.69V) Esto significa que estos metales no reaccionan con el agua, ni liberan H 2 al reaccionar con soluciones de ácidos. La secuencia creciente de valores de E 0 muestra nuevamente la menor reactividad (mayor nobleza) del oro respecto a la plata y de ésta respecto al cobre. La plata no se disuelve en ácido clorhídrico concentrado ni en sulfúrico (salvo que este último sea concentrado y en caliente). El ácido nítrico, sin embargo, la disuelve: Uso 3 Ag + 4 HNO 3 3 AgNO 3 + NO + 2 H 2 O El principal uso actual de la plata elemental (sola o en aleaciones) es como conductor eléctrico, también forma parte de baterías eléctricas (Ag/Zn y Ag/Cd). Se usa en joyería, fabricación de espejos, procesos de electroplateado y en la confección de monedas. Un uso menor lo constituyen las amalgamas dentales (aleaciones con mercurio). De sus compuestos los más utilizados son AgBr y AgI, que por ser fotosensibles se utilizan en películas fotográficas La otra sal importante es el AgNO 3, que se utiliza como punto de partida para obtener otros compuestos de plata. Reciclaje de la plata La producción mundial de plata (por explotación directa de sus menas o como subproducto de las menas de cobre, cinc y oro) no es suficiente como para satisfacer la demanda que sus usos requieren. Aproximadamente la mitad de la demanda se abastece en base al reciclaje del metal. Es decir recuperando plata a partir de desechos que la contengan, por ejemplo, películas fotográficas ya utilizadas, placas radiográficas, placas de circuitos integrados, etc. En general la plata contenida en los desechos sólidos es llevada a solución por tratamiento con ácido nítrico. Los desechos también contienen otros metales, que se disuelven por acción del ácido. De la solución resultante la plata puede ser selectivamente recuperada por reducción electrolítica. Un procedimiento alternativo es separarla de la solución por adición de ácido clorhídrico, obteniéndose un precipitado blanco de AgCl. Éste puede luego, por reducción química, dar lugar a la plata. Este último procedimiento es el que se llevará a cabo en nuestro trabajo práctico. Se realizará la reducción de plata, a alta temperatura, con una mezcla de carbonato y nitrato de sodio. En una primera etapa el cloruro de plata se transforma en óxido de plata. Este se descompone luego para dar Ag, desprendiéndose oxígeno. El proceso es complejo porque involucra varias reacciones simultaneas. Esquemáticamente, lo podemos representar por la siguiente secuencia: AgCl Ag 2 O Ag + O 2 3

4 Reacciones entre sólidos Los compuestos inorgánicos son generalmente sólidos a temperatura y presión normales. Hacer reaccionar sólidos entre sí presenta dificultades prácticas: es difícil lograr la homogeneidad de la mezcla reaccionante. el contacto entre las sustancias reaccionantes es poco efectivo, y por lo tanto las reacciones son lentas. la temperatura no se mantiene constante dentro de la masa reaccionante, dificultando mantener las condiciones deseadas. Es por ello que la mayoría de las reacciones se llevan a cabo disolviendo primero los reactivos en un solvente adecuado (en lo posible agua). El solvente provee de un medio de reacción homogéneo y las condiciones de reacción se fijan con facilidad (concentración de los reactivos, temperatura). Pero ciertas reacciones sólo son termodinámicamente factibles en ausencia de solventes, por lo que deben ponerse en contacto directo los sólidos reaccionantes. En estos casos, es frecuente el uso de altas temperaturas para llevar a cabo la síntesis. Las altas temperaturas permiten, además de acelerar la reacción, conseguir que los reactivos se fundan logrando un mejor contacto entre ellos. Para trabajar a altas temperaturas debemos utilizar un medio adecuado de calentamiento. Dentro de los equipos de calentamiento usuales en el laboratorio diferenciamos entre: aquellos que producen temperaturas relativamente bajas como estufas 1, planchas calefactoras, mantas térmicas, etc. Se utilizan hasta temperaturas del orden de ºC. equipos que producen altas temperaturas como mecheros y muflas. Se utilizan para temperaturas de hasta ºC. Salvo los mecheros, todos estos equipos utilizan energía eléctrica para generar calor. La ventaja de una mufla sobre un mechero, al trabajar a altas temperaturas, radica en un calentamiento más homogéneo de la mezcla de reacción, resultando un mejor control de la temperatura. Una mufla puede mantener la temperatura en un rango del orden de ±25 ºC, respecto a la media prefijada. Es muy importante la elección del material de construcción del recipiente de reacción, teniéndose especialmente en cuenta la temperatura máxima que soporta. Las siguientes son temperaturas máximas de trabajo para algunos materiales: material del recipiente temperatura máxima ( C) vidrio de borosilicato 490 sílice 96% 1110 platino 1500 óxido de aluminio 99,8% las estufas alcanzan una temperatura máxima de 250 C y se utilizan principalmente para el secado de sólidos. 4

5 También es importante la naturaleza química del recipiente pues no debe ser atacado por la mezcla de reacción. Procedimiento Experimental Se parte de una solución de concentración conocida de plata(i). Esta proviene del ataque con ácido nítrico de desechos metálicos que contienen plata. La precipitación del AgCl se realiza por adición de ácido clorhídrico. Para conseguir un buen rendimiento en el proceso del reciclaje, se debe conseguir que precipite la mayor cantidad de plata que sea posible. Por ello se agrega ácido gota a gota, hasta que no se observe formación de nuevo precipitado en el lugar donde cae la gota sobre la solución (precipitación total). El cloruro de plata obtenido se debe secar antes de la siguiente operación. El cloruro de plata se reduce posteriormente, a alta temperatura, con una mezcla de carbonato y nitrato de sodio. A la temperatura de reacción (960º C) tanto reactivos como productos se encuentran en estado líquido. Esto permite que: el contacto entre los reactivos sea mejor. la plata resultante de la reacción, muy densa, quede como una gota (régulo) en el fondo del recipiente. Como recipiente de reacción se utilizará un crisol de cerámica arcillosa, no vidriado. Su superficie porosa le permite absorber una parte de la mezcla resultante de la reacción, permitiendo una mejor separación del régulo de plata. Técnica 2 1) Se toman 30 ml de solución de Ag +, de concentración 5% m/v en AgNO 3, y se vierten en un vaso de Bohemia de 50 ml. 2) Se agrega HCl 6 M gota a gota hasta precipitación total del AgCl. Se filtra a vacío con embudo Buchner. 3) El precipitado se lava en el Buchner con agua a 60-70ºC (dos lavados de 5mL c/u) y un último lavado con 5 ml de acetona. Se mantiene el vacío hasta dejar el precipitado lo más seco que sea posible. 4) El precipitado se transfiere a un vidrio-reloj y se deja en la estufa a 110º C por minutos. 5) Se pesa el sólido obtenido. 6) Se mezclan en mortero 1 parte (en peso) de AgCl con 0,5 partes de Na 2 CO 3 y 0,15 partes de NaNO 3. La mezcla se pasa a un crisol. 7) El crisol se calienta en mufla durante 35 minutos a 1100 C. Transcurrido ese lapso se apaga la mufla dejándola enfriar. Cuando se alcanza la temperatura ambiente se saca el crisol. 8) Se retira el régulo de plata del crisol. 9) El régulo se sumerge por 2-3 minutos en ácido sulfúrico diluido (1:2) 3 en ebullición. Se retira y se lava con agua. 10) Se seca el régulo y se pesa. 2 Todo el material debe lavarse inmediatamente después de utilizarse para evitar la deposición de Ag. 3 La indicación 1:2 significa que debe utilizarse una dilución de 1 parte en volumen de ácido sulfúrico concentrado en 2 partes en volumen de agua. 5

6 Gestión de residuos Residuos ácidos de HNO 3, HCl y H 2 SO 4 Diluir con abundante agua y descartar por la pileta Lavado con acetona Descartar en recipiente rotulado ACETONA PARA RECUPERAR Plata obtenida en clase Descartar en recipiente rotulado PLATA OBTENIDA EN CLASE 6

7 ASIGNATURA: FECHA INFORME 1 RECICLAJE DE PLATA GRUPO INTEGRANTES DATOS Y CÁLCULOS moles de Ag + iniciales masa de Ag teórica a obtener g La ecuación de precipitación de ión plata con HCl es: masa de AgCl obtenida masa de Ag obtenida rendimiento del reciclaje de plata g g % Observaciones 7