Obtención De Dióxido De Manganeso A Través Del Reciclaje De Pilas Alcalinas

Obtención de Dióxido de manganeso a través del reciclaje de Pilas Alcalinas

1. Antecedentes.Debido a la presente contaminación de nuestro medio ambiente nos vimos forzados a cuestionarnos que es lo que podríamos hacer para evitar que se produzca menos contaminación, de allí decidimos buscar experimentos para trabajar en el laboratorio sobre sustancias o materiales que causaban un gran impacto en nuestro medio ambiente, es la razón por la cual decidimos realizar nuestro experimento sobre la Obtención de Dióxido de manganeso a través de reciclaje de Pilas alcalinas. Según los especialistas del Cinvestav (Centro de Investigación y Estudios avanzados en Mexico) dio a conocer que una pila alcalina usada y arrojada a la basura puede contaminar hasta 100 mil litros de agua y originar cáncer, problemas en riñón, pulmón, dando como ejemplo que una sola pila podría degradarse y filtrarse en el subsuelo procediéndose a la contaminación de nuestro ambiente. Según un artículo Chileno publicado el año 2012 en Chile se consumen más de 90 millones de pilas entre ellas las de mayor cantidad las pilas alcalinas ya que por su uso en aparatos electrodomésticos, juguetes es más frecuente, causando asi fuertes desechos de pilas alcalinas y por lo tanto produciendo mayor degradación que se produce en el ambiente debido a que debe considerarse los factores climáticos que ayudan a una pila a degradarse facilmente.

2. Justificación.-

Las pilas de tipo alcalinas tienen un uso mayoritario, están compuestas básicamente por cinc metálico, óxido de cinc, hidróxido de potasio y bióxido de manganeso (dióxido de manganeso). Debido a que estas pilas se presentan en mayor cantidad en el mercado, mayor uso por las personas nos lleva a ver que la degradación de estas que por millones es muy perjudicial para nuestra salud, por lo que se hace necesario disminuir los efectos contaminantes generados por el desecho de las mismas. Para ello nuestro proceso de extracción del producto empieza con el desensamblaje o pelado de nuestras pilas recicladas, lo que posteriormente nos lleva a separar la estructura de nuestras pilas en nuestro caso el ánodo y el cátodo, una ves que logramos identificar estos dos, procedimos a una lixiviación para librarnos de las impurezas de nuestro cátodo y a la ves ayudándonos a oxidar y reducir nuestra reacción para formar el dióxido de manganeso, para lograr un óptimo rendimiento, se procede a filtrar y la solución obtenida se la mezcla con hipoclorito de sodio y de calcio para que se obtenga un precipitado de dióxido de manganeso, que finalmente se lo lleva al secado a una temperatura de 100o C durante un intervalo de 1 hora.

3. Objetivos.Recuperación de dióxido de manganeso a través de reciclaje de pilas. Ayudar a que se produzca menor contaminación con la obtención del dióxido de manganeso.

4. Fundamento Teórico ¿QUÉ SON Y CÓMO FUNCIONAN LAS PILAS? Las pilas son un producto doméstico común que permite el funcionamiento de dispositivos electrónicos y suple a la energía eléctrica, es un elemento o necesidad creada por la humanidad de uso diario en estos momentos son indispensable.

La evolución de las culturas, origino la evolución de las ciencias e investigación de la tecnología, de aquí surge la investigación de la energía y su evolución, en los primeros tiempos el descubrimiento del fuego fue la energía importante de la humanidad y fue esta fuente por muchos siglos la que regia el mundo, de aquí surgió la evolución de la energía que mediante el fuego producían calor y originaba evolución, en los últimos dos siglos la energía evoluciono vertiginosamente hasta el día de hoy donde son comunes estos dispositivos. Alessandro volta creo la llamada pila voltaica, ensamblar un circuito eléctrico utilizando dispositivos de discos de cobre y zinc, separados por un paño con solución salina. El primero que utilizo el termino de batería fue Benjamín franklin. En 1836 John Frederic Daniell desarrollo la celda conocida hasta el día de hoy llamada la celda de Daniell, en Francia 1860 el científico George Leclanche creo la celda zinccarbón que es utilizada en el mundo entero y fue sustituida en 1860 por la pila seca.

CLASIFICACIÓN DE PILAS: 

La pila seca

La pila seca común es la pila de zinc-carbono. Estas baterías producen alrededor de 1,5 voltios de electricidad. En la electrónica que requieren grandes cantidades de energía eléctrica, un conjunto de baterías se puede conectar para formar una

pila para secar grande para alimentar el dispositivo. Aunque muchos productos electrónicos modernos están sellados con sus propias baterías y un cargador, algunos dispositivos, incluyendo linternas y equipos de música portátiles, incluso con una cámara de la batería para la inserción de las pilas secas. Los tipos más comunes de la batería seca comercialmente disponibles en el mercado incluyen las baterías para relojes, pilas de tipo D, de células C, de 9 voltios, AA y AAA. 

La pila alcalina

Las pilas alcalinas se caracterizan por la reacción química que sirve como su fuente de energía, específicamente la reacción que ocurre entre el el dióxido de manganeso y el zinc. Su nombre se deriva del electrolito alcalino que forma parte de la reacción, el cual contrasta con el electrolito ácido que se usaba en previos diseños de pilas. En este diseño de pila, el ánodo (negativo) está hecho de polvo de zinc, el cual ofrece una mayor superficie, aumentando así el flujo de electrones. El cátodo (positivo) se compone de dióxido de manganeso. La electricidad se genera por la reacción química entre las dos sustancias. La pila alcalina es un diseño común, entre las que se encuentran las de tipo no recargable AA, AAA y las de 9 voltios. La mayoría de las pilas alcalinas no son recargables, e intentar recargarlas podría ser peligroso ya que puede causar su ruptura. A diferencia de la mayoría de las pilas, las alcalinas pueden ser desechadas en la basura regular, sin embargo, esta práctica es perjudicial para el medio ambiente debido a las pequeñas cantidades de mercurio que se usan en su fabricación. Diferencia entre pila seca y alcalina: La pila alcalina contiene zinc, y por eso su duración es mayor a las secas y produce menores cantidades de sulfatos. En cambio, la pila seca producen mas sulfato en menos tiempo, lo que acorta su duración y hace que sean mas tóxicas cuando entran en contacto con la piel, o el medio ambiente.

CONSTRUCCIÓN DE LAS PILAS

Las pilas comunes de uso doméstico, están formadas por cuatro componentes principales: a) Ánodo: Electrodo negativo o polo negativo elabora de zinc que aumenta la velocidad de reacción y aumenta el flujo de electrones. b) Cátodo: Electrodo o polo positivo generalmente compuesto por dióxido de manganeso, las pilas alcalinas usan hidróxido de potasio (KOH) en vez de cloruro de

amonio

o

zinc

en

las

pilas

salinas.

c) Electrolito: Un conductor que transfiere la carga entre el ánodo y el cátodo dentro de la celda. d) Separador: Un material que proporciona una barrera entre el ánodo y el cátodo para evitar que se toquen entre sí, permitiendo al mismo tiempo la libre circulación de la carga. CÓMO FUNCIONA UNA PILA Desde los controles remotos hasta tus dispositivos portátiles y juguetes, es muy probable que la mayoría funcione gracias a energía de una pila. En su forma más simple, una pila es un dispositivo que convierte energía química en electricidad. Cuando se conecta a cualquiera de los aparatos que funcionan gracias a la energía de una pila, esta última completa el circuito y su energía alimentan al aparato. La mayoría de las pilas comunes de uso doméstico se componen de dos terminales: -

Positivo (+): Formado por algo llamado “cátodo“.

-

Negativo (-): Formado por algo llamado “ánodo“.

Cuando se conecta un dispositivo, los electrones fluyen del terminal negativo al positivo y se produce una corriente. Así la energía almacenada en la pila se utiliza para alimentar tu dispositivo.

Dióxido de manganeso Anhídrido manganoso (MnO2). Es el más importante de los óxidos de manganeso. Se prepara por la acción de una disolución ligeramente nítrica de permanganato de potasio sobre una sal manganosa, tal como el sulfato. Es un producto pardo o negruzco, insoluble en el agua, de densidad próxima a 5, que se presenta en masa o en polvo. El dióxido de manganeso (MnO2 ) es un compuesto inorgánico. Es un material entre negro y café que ocurre naturalmente como mineral de la pirolusita. Además de ser utilizado para el tratamiento del agua, el MnO 2 tiene varios usos, la fabricación de baterías, latas de bebidas, pesticidas agrícolas y fungicidas, y circuitos

electrónicos.

Las reacciones químicas y los procesos físicos de los medios de MnO 2 es un tema que todo especialista en el tratamiento del agua deberá comprender y en el que deberá ser competente para poder utilizarlo en las aplicaciones de agua subterránea

de

su

región.

La tecnología del dióxido de manganeso es una de las aplicaciones más comúnmente

utilizadas

y

menos

comprendidas

para

remover

el hierro, manganeso, sulfuro de hidrógeno, arsénico y radio. El MnO2 no es un polvo mágico, sino un catalizador utilizado para mejorar la calidad del agua en aplicaciones que varían desde pozos privados hasta grandes municipalidades. ESTRUCTURA En la pirolusita (MnO2) el manganeso tiene estado de oxidación IV y por lo tanto es un d3y es paramagnético. El dióxido de manganeso (MnO2) tiene estructura tipo rutilo (TiO2), es decir, que el dióxido de manganeso tiene estructura hexagonal compacta de los aniones en el que los cationes ocupan la mitad de los huecos octaédricos. Cada átomo de Mn está rodeado de seis átomos de oxígeno y cada átomo de oxígeno se rodea de tres átomos de Mn, de modo que esta estructura presenta una coordinación 6:3.

Composición y Química Los componentes químicamente activos son: Ánodo: Polvo de zinc de alta pureza Cátodo: Producido electrolíticamente dióxido de manganeso Electrolito: Concentrado de potasio solución de hidróxido El dióxido de manganeso se reduce y el zinc se oxida, Mientras que los iones se están transportando a través de conductores Electrolito alcalino. La reacción simplificada es: Zn + 2MnO2 - ZnO + Mn2O3 Ánodo El material del ánodo de la pila alcalina es un Zinc en polvo. Fabricación del polvo de zinc se controla cuidadosamente para asegurar la pureza química y tamaño de partícula el aumento de la superficie proporciona un mayor contacto de partícula a partícula Dentro del ánodo, reduciendo así la capacidad interna , generando mayor densidad de potencia. Cátodo El material catódico de la celda es un material en polvo Dióxido de manganeso (MnO _ {2}), producido sintética mente A través de un proceso electrolítico. Su pureza y oxígeno Disponibilidad son muy superiores al material natural. Esto Contribuye a aumentar la densidad de energía de la celda y actuación. Los aditivos se utilizan en las composiciones principales del cátodo. Mejorar la capacidad de rendimiento. Por ejemplo, grafito se mezcla con el dióxido de

manganeso para Mejorar la conductividad. Cuando se mezcla con el otro Ingredientes, el dióxido electrolítico de manganeso proporciona Un cátodo de excelente conductividad para asegurar una buena celda Rendimiento en una amplia gama de temperaturas y Las tasas de descarga. Electrolito El electrolito consiste en un concentrado Solución acuosa de hidróxido de potasio (KOH) a Que se añade óxido de zinc para retardar la corrosión del zinc. Esto inhibe la disolución del ánodo de zinc y Prolonga la vida útil. En algunos diseños celulares, un tipo de gel Electrolito se forma mediante la adición de un agente gelificante. Este electrolito es alcalino (básico) en contraste con El electrolito de las celdas regulares de zinc-carbono, que es ácido. La solución concentrada de hidróxido de potasio Ofrece alta movilidad iónica con un bajo punto de congelación.

Aplicaciones de la pirolusita. El dióxido de manganeso se emplea en pinturas y barnices para pintar cristales y cerámica. Y en la obtención de cloro y yodo. Un tipo de pilas seria las de litio y dióxido de manganeso, que están compuestas mayormente por MnO2, Fe y K, tienen un peso entre 3-50 gramos y se emplean en aparatos ligeros. También se lo utiliza como fuente de manganeso y todos sus compuestos, se utiliza también como oxidante en baterías alcalinas, en pinturas y barniz, para pintar cristales, cerámica, porcelana, en electrotécnicas, pigmentos, textiles, etc. Y en la obtención de cloro, yodo y como despolarizador en pilas secas Propiedades La

sustancia

es

un

oxidante

fuerte

y

reacciona

violentamente

materiales combustibles, reductores y aluminio en presencia de calor intenso. Propiedades físicas

con



Fórmula semidesarrollada: MnO2



Densidad: 5.026 g/cm3 (sólido)



Masa molecular UMA Unidad de Masa Atómica: 86.9368 g/mol



Punto de fusión temperatura del momento en el cual una sustancia pasa del estado sólido al estado líquido: 535 °C (descompone)



Apariencia: Sólido negro. === Propiedades químicas===



Solubilidad en agua: Insoluble.

Obtención Se encuentra en la naturaleza como mineral pirolusita o puede ser producido artificialmente. El manganeso en exceso es tóxico. Exposiciones prolongadas a compuestos de manganeso, de forma inhalada u oral, pueden provocar efectos adversos en el sistema nervioso, respiratorio, y otros. El permanganato potásico, KMnO4, es corrosivo. Producción Los

países

con

mayores

yacimientos

de

minerales

de

manganeso

son Sudáfrica, Ucrania y China. El metal se obtiene por reducción de los óxidos con aluminio, y el ferromanganeso se obtiene también reduciendo los óxidos de hierro y manganeso con carbono. También puede obtenerse por electrólisis del sulfato de manganeso: MnSO4 + H2O → Mn + H2SO4 + ½ O2

Hoja de seguridad

5. Metodología experimental TRATAMIENTO DEL CATODO El cátodo es una mezcla de bióxido de manganeso y grafito de color negro y compacto, por lo que se lo debe pulverizar en forma mecánica a través de molino a rodillo (diseñado y construido totalmente a dicho efecto). DISOLUCION DEL OXIDO DE MANGANESO III Una vez finalmente dividido se lo trata con solución de acido sulfúrico a los efectos de lixiviar el oxido de manganeso III, inestable en medio acido, el que se dimutara en bióxido de manganeso que precipita en el medio, e ion manganoso que será de tratamiento posterior. FILTRACION Se separa el bióxido de manganeso producido de la dismutacion del ion de manganeso III para un mejor tratamiento del ion manganeso. La operación se realiza bajo vacio y se continua el proceso con el liquido filtrado. ALCALINIZACION Y OXIDACION DEL ION MANGANOSO El ion manganoso se oxida fácilmente a bióxido de manganeso con solución de hipoclorito en medio alcalino. Previo a la oxidación aparece el pH neutro un precipitado blanco de hidróxido de manganeso II, que por el agregado de hipoclorito de sodio (lavandina) se transforma en el oxido de manganeso IV, precipitado de color negro. Establecidos los potenciales de reducción del hipoclorito de sodio, y de oxidación del manganeso desde su forma de hidróxido de manganeso II precipitado a bióxido de manganeso se define como pH optimo para la reacción el de 9, estableciendo una diferencia de potenciales considerable como para que la reacción ocurra rápidamente. FILTRACION Ya precipitado totalmente el manganeso en forma de bióxido color negro se lo separa por filtración bajo idénticas condiciones según las anteriores condiciones SECADO El secado se realiza en estufa a una temperatura de 120 °C con u n tiempo mínimo de una hora. Luego se retira el material con características pulvurulentas.

Flujograma. Inicio

Desarmar las pilas y sacar el C+ MnO2, desechar el grafito

Lavar el C+ MnO2 con sol de H2SO4

15mlH2SO4 85 ml H2O

Separa el MnO2 por filtración al vacio

Neutralizar el líquido filtrado con suficiente NaOCl

NO ¿Precipito el manganeso totalmente ?

Separa el manganeso por filtración al vacio

Secar a 120 °C por minimo 1 hora

Retirar el material pulverizado

Fin

6. Datos, Cálculos y Resultados Calculos: Pilas Alcalinas: 15% H2SO4 85% H2O En una solución de 100 ml Masa de MnO2 y C =30 g Masa del vidrio reloj=34.6g Masa del papel filtro=0.362g Masa del Ca(ClO)2=16.204 g con 200 ml de agua destilada Peso del papel 1.090 g masa obtenida después de la filtración=18.554 g n=(mf/mo )x100%=(18.554/30)x100%=61.85% ÁnodoZinc pulverizado CátodoMnO2 +C Electrolito alcalino Con H2SO4 y H2O: H2SO4 + MnO2+ C + H2O Oxidación : Zn + 2OH- --> ZnO + H2O +2eReduccion: 2MnO2 + H2O +2e-  Mn2O3 + 2OH2Mn3+ + 2H2O Mn2+ + MnO2 + 4H+

Mn3+ Mn2+

Mn4+ Mn3+

Con Ca(ClO)2: Mn2++Ca(ClO)2 + H2O Mn2+ +2 (OH)- Mn(OH)2 Ahora con NaClO: Mn(OH)2 + NaClO +H2O Oxidación Mn(OH)2 +2 OH-  MnO2 + 2e- + 2H2O Reducción ClO- +H2O +2e-  Cl- + 2OHReacción total: Mn(OH)2 + ClO-  MnO2 + H2O + Cl-

7. Discusión de Resultados Como producto final a través de dos procedimientos realizados y en comparación con proyectos de la Facultad de Química e Ingeniería de la universidad Pontificia Universidad Católica Argentina podemos observar que nuestros resultados en nuestra primera etapa fueron incongruentes debido a que nuestro dióxido de manganeso presento una coloración marrón claro no característico del dióxido de manganeso pero al realizar pruebas cualitativas confirmatorias de la presencia de dióxido de manganeso nos llevo a realizar una segunda prueba cambiando la concentración de ácido sulfúrico y tiempo de secado, esta segunda prueba nos dio un resultado positivo de la presencia de dióxido de manganeso realizando pruebas cualitativas, además de verificar la coloración negra presentada en agrupaciones en diferentes sectores de la muestra.

8. Conclusiones

Podemos concluir que nuestro proyecto de laboratorio tuvo resultados óptimos debido a que se demostró la obtención de dióxido de manganeso realizando pruebas cualitativas, la del peróxido de hidrógeno y la verificación del color de nuestra obtención, notamos que nuestra obtención de dióxido de manganeso presenta impurezas lo cual nos lleva a recomendar que para un mejor rendimiento se lleve a cabo métodos de purificación: uno de los cuales es el da la ozonolisis (Mn+2 + O3 + H2O= MnO2 + 2H+ + O2) pero realizar esta purificación presenta un costo elevado, el segundo método de purificación es mediante la electroquímica (mediante la oxidación de un electro debido a que este proceso es mas selectivo dando un resultado con mayor pureza).

9. Bibliografía 

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http://www.lixiviacion.com/pagina/lixiviacion-definicion

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https://www.duracell.com/en-us/techlibrary/technical-bulletins

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https://d2ei442zrkqy2u.cloudfront.net/wpcontent/uploads/2016/03/Alkaline-Technical-Bulletin.pdf

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https://www.google.com.bo/url?sa=t&source=web&rct=j&url=http://www. agualatinoamerica.com/docs/PDF/March_Wirth.pdf&ved=0ahUKEwieme aGh9LQAhXEQiYKHa0GB0QQFghsMAY&usg=AFQjCNHBj8pJ0f5pipmj 0r7iAmutCp_iOg&sig2=Z1kv5ehUkeurYq36OCHteg

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http://dioxidodemanganeso.blogspot.com/?m=1

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https://brainly.lat/tarea/201495

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https://www.google.com.bo/url?sa=t&source=web&rct=j&url=http://portal es.puj.edu.co/doc-quimica/fds-labqcadianahermith/MnO2.pdf&ved=0ahUKEwiZnP_9qNLQAhWC6SYKHdVIB aUQFggYMAA&usg=AFQjCNGGh82FwujK5W5b653HBHnf7lWcA&sig2=Wyb8Afu37q5zDKs8zKOxdQ