JUSTIFICACIÓN La realización de este trabajo se justifica en:
Adquirir un mayor conocimiento de cómo es que se forman los cristales, teniendo en claro que en nuestro proceder, obtendremos un cristal artificial y no natural. Saber más sobre Cristalogenia al realizar nuestro trabajo experimental. Experimentar el proceso de separación de un sólido a partir de una solución. Apreciar el proceso básico de purificación y recristalización del sulfato de cobre Verificar que al incrementarse la concentración del sólido por encima del punto de saturación, el exceso del sólido se separa en forma de cristales. La frecuencia con la que se emplea este proceso en química para purificar una sustancia sólida, siendo una operación necesaria para aquellos productos químicos que se desean obtener en forma de cristales mayores.
PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA: La cristalización es una operación de transferencia de materia en la que se produce la formación de cristales a partir de una disolución. La nucleación primaria es la primera etapa en la cristalización. La formación del cristal se realizará a partir de la sobresaturación de la disolución, obteniendo un núcleo, el cual posteriormente se sembrará en una disolución previamente preparada y filtrada. Para un proceso de nucleación secundaria, en donde ocurre el crecimiento de ese cristal primigenio. Cada sustancia cristaliza con una geometría característica; el sulfato de cobre(II) cristaliza en el sistema triclínico, sujeto a las condiciones que pueden ocasionar cambios en el hábito cristalino en el habito cristalino e imperfecciones. Estas imperfecciones pueden ser ocasionadas por el ambiente químico en el que se realiza el proceso. La presencia relativamente sustancias ajenas a las especies a cristalizar, ya sea impurezas, etc, juega un importante papel en la optimización optimización de los sistemas de cristalización. Su papel es muy importante por diversas razones. Así mismo recordemos que la solubilidad se define como la máxima cantidad de soluto que se puede disolver en una determinada cantidad de disolvente a una temperatura especifica. La temperatura temperatura afecta la solubilidad de la mayoría mayoría de las sustancias. El ambiente químico puede ser utilizado apropiadamente para variar y producir cristales muy puros de ciertos materiales en los cuales las impurezas sean inaceptables.
OBJETO DE ESTUDIO El crecimiento de cristales es un fenómeno muy común en la naturaleza, de ahí que sea relativamente fácil de observar. Para obtener un cristal a partir de una disolución es necesario que esta disolución esté sobresaturada de la sustancia en cuestión, esto es, que la concentración de la disolución sea mayor que la de equilibrio a cierta temperatura. Por tanto, se debe preparar una disolución saturada de CuSO4·5H2O en agua caliente, la cual tiene color azul debido a la presencia del complejo Cu(H2O)6+2. Se filtran las impurezas y los excesos de soluto, y unas horas después aparecerán pequeños cristales, uno de los cuales se dispondrá para favorecer su crecimiento. Como grupo estaremos observando detenidamente los procesos que llevaran a cabo la cristalización del sulfato de cobre, a su vez el medio y las cantidades usadas. La importancia de este primer taller radica en entender el proceso de cristalización del sulfato de cobre, las condiciones necesarias que requirió y las cantidades exactas, para luego ser expuesto en clase.
CUESTIONES A RESPONDER MEDIANTE LA INVESTIGACIÓN
En el transcurso del informe responderemos las siguientes preguntas:
1.- ¿A qué condiciones se realizo la cristalización del sulfato de cobre? 2.- ¿Cuánto fueron las cantidades que se usaron en dicha cristalización? 3.- ¿Qué pasos se tuvieron en cuenta? 4.- ¿Cuánto tiempo demoró en cristalizar? 5.- ¿A qué sistema cristalizó y a que se debe? 6.- ¿Qué instrumentos se usaron? 7.- ¿A que conclusiones se llegó?
OBJETIVOS
Los objetivos de nuestro trabajo son los siguientes:
Obtener, de forma artificial, un cristal de aproximadamente 3cm de diámetro. Hacer crecer gérmenes de tal cristal. Poder apreciar las formas que tiene nuestro cristal obtenido El sistema obtenido del cristal de Sulfato de Cobre (II) será en el sistema TRICLÍNICO, siendo la forma básica, un prisma oblicuo con base rectangular.
Mostrar el proceso general de cristalización y observar cómo la cristalización marcha de diferente manera si esta se produce en un hilo de algodón que está empapado de la disolución de sulfato de cobre o si se produce en el propio seno de la disolución. Muestra la forma de conseguir un cristal de tamaño apreciable a partir de una disolución sobresaturada de sulfato de cobre (II).
MARCO TEORICO CRISTALIZACIÓN La cristalización es una operación de transferencia de materia en la que se produce la formación de un sólido (cristal o precipitado) a partir de una fase homogénea (soluto en disolución o en un fundido). Uno de los tipos básicos de cristalización a partir de las disoluciones es la cristalización por enfriamiento, en la que se alcanza la sobresaturación reduciendo la temperatura. La condición de sobresaturación por sí sola no es suficiente causa para que un sistema empiece a cristalizar. Antes de que los cristales empiecen a desarrollarse, deban existir en la disolución una cantidad de pequeñas partículas sólidas, embriones o núcleos, que serán los centro de cristalización. La formación de estos núcleos puede ocurrir espontáneamente. La nucleación primaria es la primera etapa en la cristalización, no hay cristales de por medio y su formación se va a realizar a partir de la sobresaturación de la disolución. Este tipo de primera formación cristalina en el medio líquido en ausencia de cristales y de cualquier otra partícula se denominan nucleación homogénea. Los átomos o moléculas se combinan para producir agregados ordenados o embriones. Algunos de ellos superan un tamaño crítico, convirtiéndose en núcleos; el resto se vuelve a disolver.
NUCLEACIÓN Entendemos por nucleación a la transformación de líquido a sólido ocurre en dos etapas. La primera, es la nucleación de la fase sólida en la fase líquida, donde se genera una superficie sólido-líquida que tiene una energía de superficie (energía por unidad de superficie) y, la segunda, se refiere al crecimiento de estos núcleos a medida que descienden la temperatura. Por lo tanto , durante la solidificación coexisten ambas fases, sólida y líquida. La relación entre velocidades de nucleación y crecimiento determinará la forma y el tamaño de los granos del sólido resultante.
NUCLEACIÓN HOMOGÉNEA Se considera en primer lugar la nucleación homogénea, porque es el caso más simple de la nucleación. La nucleación homogénea se da en el líquido fundido cuando el metal proporciona por si mismo los átomos para formar el núcleo. Cuando se enfría un metal puro por debajo de su temperatura de equilibrio de solidificación en un grado suficiente, se crean numerosos núcleos homogéneos por movimiento lento de átomos que se mantienen juntos. La nucleación homogénea requiere habitualmente un elevado frado de subenfriamiento. Para que un núcleo estable pueda transformarse en un cristal debe alcanzar un tamaño crítico.
NUCLEACIÓN HETEROGÉNEA Es la nucleación que tiene lugar en un líquido sobre la superficie del recipiente que lo contiene, impurezas insolubles, u otros materiales estructurales que disminuyan la energía libre requerida para formar un núcleo estable. Esta nucleación es la que ocurre en operaciones de fundición industrial, normalmente varía entre 0.1 y 10 °C el subenfriamiento. Para que esta se produzca, el agente de nucleación sólido debe ser mojado por el metal líquido, además el líquido debiera poder solidificar fácilmente sobre el agente de nucleación. La nucleación heterogénea tiene lugar sobre el agente de nucleación por la energía superficial para formar un núcleo estable sobre este material es más baja que si el núcleo se formara sobre el propio líquido puro, al ser menos, el cambio de energía libre total para la formación de un núcleo estable deberá ser también menor y el tamaño del radio crítico del núcleo estable deberá ser también menor y el tamaño del radio crítico del núcleo menor, y es por esto que se requiere de u menor subenfriamiento para producir un núcleo estable por nucleación heterogénea.
VELOCIDAD DE CRISTALIZACIÓN La velocidad de crecimiento de un cristal es conocida como velocidad de cristalización. La cristalización puede ocurrir solamente desde soluciones sobresaturadas. El crecimiento ocurre primero con la formación del núcleo, y luego con su crecimiento gradual. En concentraciones arriba de la sobresaturación, la nucleación es concebida como espontánea, y rápida. En la región metaestable, la nucleación es causada por un golpe mecánico, o por fricción y una nucleación secundaria puede resultar del rompimiento de cristales ya formados. Ha sido observado que la velocidad de cristalización se ajusta a la siguiente ecuación:
Los valores del exponente m se encuentran en el rango de 2 a 9, pero no ha sido correlacionada como un valor cuantitativo que se pueda estimar. Esta velocidad es media contando el número de cristales formados en periodos determinados de tiempo.
Esta velocidad depende de su superficie instantánea y de la velocidad lineal de la solución, que pasa a la solución así como también de la sobresaturación. Y estas son representadas mediante la ecuación:
Los valores de el exponente n se sitúan en el orden de 1.5, pero de nuevo no existe una correlación en el diseño de los cristalizadores que pueda estimarlo. El crecimiento del cristal es un proceso capa por capa y, ya que sólo puede ocurrir en la cara del cristal, es necesario transportar material a la cara, desde la solución. Por consiguiente, debe considerarse la resistencia de difusión al desplazamiento de las moléculas (o iones) hacia la cara creciente del cristal y la resistencia a la integración de estas moléculas a la cara. Caras diferentes pueden tener velocidades de crecimiento distintas y estas se pueden tener velocidades de crecimiento distintas y éstas se pueden alterar en forma selectiva mediante la adición o eliminación de impurezas. Si L es la dimensión característica de un cristal de material y forma seleccionado, la velocidad de crecimiento de una cara de cristal perpendicular a L es por definición:
Donde G es la velocidad de crecimiento en el tiempo interno t. Se acostumbra medir G en las unidades prácticas de milímetros por hora.
LA DISOLUCIÓN Una disolución es una mezcla homogénea de dos o más componentes. La sustancia disuelta se denomina soluto y generalmente está presente en menor cantidad en comparación con la sustancia donde se disuelve denominada solvente. El agua es casi exclusivamente el solvente utilizado en la cristalización de sustancias inorgánicas. Una disolución saturada es aquella que tiene la máxima cantidad de soluto que puede disolverse en una cantidad determinada de solvente puro a una temperatura específica. La concentración de la disolución saturada se denomina solubilidad del soluto en el solvente dado. La solubilidad varía con la temperatura, y se denomina curva de solubilidad, a la representación gráfica de la solubilidad en
función de la temperatura. En la mayoría de los casos la solubilidad de un soluto en un solvente se incrementa con la temperatura, pero hay algunas excepciones.
En la formación de disoluciones iónicas, los extremos negativos de los dipolos de agua apuntan hacia los iones positivos y los extremos positivos de los dipolos de agua hacia los iones negativos. Si estas fuerzas de atracción ión-dipolo son suficientemente intensas para vencer las fuerzas de atracción interiónicas en el compuesto, tendrá lugar la disolución. Por otra parte, estas fuerzas ión-dipolo continúan actuando en la disolución. Un ion rodeado por un agregado de moléculas de agua se dice que está hidratado. La energía se desprende cuando los iones se hidratan. Cuanto mayor es la energía de hidratación comparada con la energía necesaria para separar los iones a partir del compuesto, será más probable que el sólido se disuelva en agua.
La hidratación de la sal anhidra CuSO4 es muy exotérmica, lo cual viene a corroborar la estabilidad de la sal hidratada. Para realizarla basta con añadir unas gotas de agua a una pequeña cantidad de CuSO4 de color blanco. Al cabo de unos segundos la sal anhidra adquiere de nuevo la coloración azul dela sal hidratada, desprendiéndose una gran cantidad de energía en forma de calor. De hecho, es necesario tomar en consideración dos factores para determinar si un proceso tendrá lugar espontáneamente. La variación de entalpía es solamente uno de ellos. El otro factor se denomina entropía, y se refiere a la tendencia natural de las partículas submicroscópicas, átomos, iones o moléculas a dispersarse en el espacio disponible. En resumen, si el hipotético proceso de tres etapas para la formación de la disolución es exotérmico se espera que tenga lugar la disolución; pero también se espera que se forme una disolución para un proceso de disolución endotérmico, siempre que ΔHsol no sea demasiado grande. Si al preparar una disolución se parte de menos soluto del que estaría presente en una disolución saturada, el soluto se disuelve completamente, y la disolución es no saturada. Por otra parte, supongamos que se prepara una disolución saturada a una temperatura y después cambiamos la temperatura hasta un valor para el que la solubilidad es menor (generalmente esto significa una temperatura menor). Normalmente el exceso de soluto cristaliza desde la disolución, pero ocasionalmente todo el soluto puede permanecer en la disolución. Como la cantidad de soluto es mayor que en una disolución saturada, se dice que es una disolución sobresaturada. Una disolución sobre saturada es inestable, y si se
agregan unos pocos cristales de soluto para servir como partículas sobre las que puede tener lugar la cristalización, el exceso de soluto cristalización.
CRECIMIENTO CRISTALINO La nucleación secundaria ocurre en proceso con siembra de cristales, en donde se toma uno de los cristales producidos en la etapa de nucleación primaria; se calienta de nuevo la disolución añadiendo la cantidad de sulfato de cobre (II) que se ha “perdido” al formar el cristal, se filtra, se deja enfriar y luego se suspende el
cristal escogido en la disolución, atado con un hilo delgado. Los cristales crecen en el seno de una disolución sobresaturada a través de dos etapas en la serie: 1) difusión en la fase líquida de las unidades de soluto hasta alcanzar la superficie del cristal (teoría de difusión). 2) integración del soluto y organización dentro de la red (teoría de adsorción o “reacción”)
4. CRISTALES DE SULFATO DE COBRE (II) Un sólido cristalino se construye a partir de la repetición en el espacio de una estructura elemental denominada celda unitaria. En función de los parámetros de red, es decir, de las longitudes de los lados o ejes del paralelepípedo elemental y delos ángulos que forman, se distinguen siete sistemas cristalinos: cúbico, tetragonal, ortorrómbico, hexagonal, trigonal, monoclínico y triclínico. Cada sustancia tiene una única forma cristalina correspondiente a alguno de los 7 sistemas cristalográficos. El aspecto único de un compuesto es que los ángulos entre caras adyacentes son constantes. Los ángulos no cambian (son característicos de cada sustancia), lo que puede cambiar es el tamaño de las caras. El sulfato de cobre (II) cristaliza en la red triclínica, la menos simétrica de las 14 redes de Bravais tridimensionales, con parámetros de red: a = 6,12 Å, b = 10,7 Å, c = 5,97 Å, α=82,27º, β = 107,43º y γ = 102,67º (Beevers y Lipson). Gráfica 2: Red cristalina triclínica Dado el tamaño de los cristales de sulfato de cobre (II), resulta sorprendente comprobar como el orden microscópico del cristal puede contemplarse fácilmente a simple vista, simplemente observando la forma de los cristales. Esto se debe a que, a nivel microscópico, la celdilla unidad de sulfato de cobre (II) se repite del orden de un número de Avogadro de veces (~1023) para dar lugar a un cristal macroscópico. Con ángulos constantes y caras de diferente tamaño la forma de un cristal puede variar mucho. La modificación del hábito cristalino depende de numerosos factores ligados a las condiciones en las que tiene lugar el crecimiento del cristal: sobresaturación, enfriamiento brusco, siembra, agitación, presencia de impurezas, tipo de disolvente, etc. Las imperfecciones en el crecimiento cristalino son variadas y frecuentes, no dejando discernir en la mayoría de los casos cuál es el sistema cristalino en el cual ha sucedido la cristalización. Por una rápida cristalización a partir de disoluciones sobresaturadas se producen dendritas, además pueden formarse también cristales compuestos (agregados)
METODOLOGÍA DE LA INVESTIGACIÓN Desarrollo de Cristales de sulfato de cobre .5 H2O Con el propósito de obtener monocristales para el estudio y análisis de sus formas .Se realizara un conjunto de procedimientos los cuales nos permitirán comprender las propiedades macroscópicas de los cristales estudiados y de las sustancias que nos rodean. Los Cristales se producen mediante diversos métodos de cristalización que van desde los más sencillos ,que consisten en dejar reposar disoluciones concentradas y calientes tal es el caso de la cristalización de monocristales de sulfato de cobre que en un principio se hacen germinar pequeños cristales base para un posterior crecimiento , el procedimiento será detallado más adelante. Otros métodos usados son más rigurosos con muchas etapas y procesos diseñados para proporcionar un producto que tenga uniformidad en la forma y en el tamaño. El Procedimiento de nuestro trabajo consta de dos partes bien marcadas:
a) Cultivo del germen o la semilla: En esta fase se prepara una disolución saturada de sulfato de cobre pentahidratado
b) Preparación de una nueva disolución saturada: Esta servirá como alimento de crecimiento del cristal.
PRESENTACION Y DISCUSIÓN DEL PROBLEMA
Nuestro primer intento para obtener gérmenes cristalinos consistió en añadir en 200 ml de agua de agua 50gr de
sulfato de cobre. El color que tomo la solución fue de tono azulino.
Unos 100ml de esta solución fueron vertidos en un recipiente largo para que con el transcurso de las horas puedan aparecer los primeros cristales. Sin embargo, tuvo que pasar alrededor de una semana para poder observar unos cuantos. El detalle es que los núcleos cristalinos estuvieron conformados por cinco de cristales de más de un centímetro y el resto eran pequeñísimos restos unidos unos a otros.
Al percatarnos de que nuestra primera solución no daba nuestras de cristalización a los pocos días tomamos la decisión de volver a hacer una nueva solución.
En esta segunda ocasión: Primero calentamos 200ml de agua y pesamos 100gr de sulfato.
Cuando estuvo el agua lo suficientemente caliente echamos de a pocos el sulfato de cobre y Con ayuda del agitador lo fuimos disolviendo. El fin era que nuestra solución este lo suficientemente saturada; por ello, vertimos 20gr mas de sulfato.
Después de habernos asegurarnos de que quedaran restos solidos sin disolver en el fondo del recipiente (hecho que confirma que esta saturada) proseguimos a echar cierta parte de la solución en un recipiente plano y largo.
En esta oportunidad luego de un par de horas se pudo ver los primeros gérmenes. Fueron muchos y tenían forma definida
Separamos los que podrían servirnos y volvimos a disolver con agua hirviendo el remanente. Los núcleos cristalinos más grandes median alrededor de los 5mm como se puede observar en la imagen.
Escogimos el que tenia mejor forma y lo aislamos. Para ello cogimos un trozo de hilo. Y atamos, en un extremo, el cristal; y en el otro, un alambre que nos sirva de soporte para que el aquel quede colgando en medio del recipiente. Vertimos la solución y colocamos nuestro germen elegido dentro.
Nuestro germen, en un inicio, media 5 milímetros, y llego a crecer hasta alcanzar dos centímetros pero pronto aparecieron pequeños cristales adheridos a él (maclas); por lo cual, pronto fue descartado.
MACLA
Debido al uso de hilo se produjo que nuestros cristal en crecimiento se maclará.
Nuestro segundo germen fue atado con un hilo de pescar y reemplazo el anterior dentro del recipiente.
CONCLUSIONES
