Dicromato-de-Potasio INFORME.docx

FACULTAD DE INGENIERÍA QUÍMICA

PROCESOS INDUSTRIALES INORGÁNICOS CRISTALIZACIÓN DEL DICROMATO DE POTASIO Docente: Ing. Docente: Ing. Teresa Chu Esquerre Integrantes: -

Mego Monsalve Alex Iván Corcuera Valderrama Carlos Ruiz Alvarado Rogelio

Ciclo: VI Ciclo: VI Sección: A Sección: A

2016 TRUJILLO

Universidad Nacional De Trujillo

2016

ÍNDICE I.

INTRODUCCIÓN

2

II.

OBJETIVOS

3

III.

FUNDAMENTO TEÓRICO

4

3.1.

DEFINICIÓN DE CRISTALIZACIÓN

4

3.2.

PROCESO DE CRISTALIZACIÓN CRISTALIZACIÓN

5

3.3.

CRECIMIENTO DE LOS CRISTALES

6

3.4.

3.3.1. Formación de los núcleos

7

3.3.2. Nucleación Homogénea

8

3.3.3. Nucleación Heterogénea

8

SOLUBILIDAD Y SOBRESATURACIÓN

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3.4.1. Factores que influyen en la solubilidad

10

A. Efecto Calorífico

10

B. Efecto de las impurezas

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3.5.

VENTAJAS

11

3.6.

APLICACIÓN

12

MATERIALES Y EQUIPOS

13

4.1.

MATERIA PRIMA

13

4.2.

MATERIALES Y EQUIPOS

14

4.3.

PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL

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IV.

V.

RESULTADOS

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VI.

DISCUSIÓN DE RESULTADOS

21

VII.

CONCLUSIONES

21

VIII.

RECOMENDACIONES

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REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS BIBLIOGRÁFICAS

22

IX.

Procesos Industriales Orgánicos

1


I.

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INTRODUCCIÓN La cristalización se emplea en la industria química con bastante frecuencia para purificar una sustancia sólida que se presenta comercialmente en forma de polvos o cristales, ya sea la sacarosa (azúcar), cloruro de sodio (sal común) u otras sustancias. Se basa en el hecho de que la mayoría de los sólidos son más solubles en un disolvente en caliente que en frío debido a la dependencia del producto de solubilidad de la temperatura. El método consiste en disolver el sólido que se va purificar en el disolvente caliente para eliminar las impurezas insolubles y entonces se deja enfriar la disolución para que se produzca la cristalización. Así, las impurezas solubles quedan en las aguas madres. Por último los cristales se separan por filtración y se dejan secar. El proceso se repite hasta la sustancia cristalizada sea completamente pura, lo cual se comprobara determinando el punto de fusión.


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II.

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OBJETIVOS 2.1. Conocer los fundamentos de este proceso (cristalización). 2.2. Encontrar la optimización de las condiciones de trabajo y especificar las condiciones de operación. 2.3. Analizar la variación de la temperatura de enfriamiento sobre el proceso de cristalización.


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III.

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FUNDAMENTO TEÓRICO 2.1. DEFINICIÓN DE 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). Destaca sobre otros procesos de separación por su potencial para combinar purificación y producción de partículas en un solo proceso. Comparado con otras operaciones de separación la cristalización en disolución presenta varias ventajas, como por ejemplo: El factor de separación es elevado (producto casi sin impurezas). En bastantes ocasiones se puede recuperar un producto con una pureza mayor del 99% en una única etapa de cristalización, separación y lavado. Si se controlan las condiciones del proceso se obtiene un producto sólido constituido por partículas discretas de tamaño y forma adecuados. Y requiere de menos energía para la separación que la destilación u otros métodos empleados. Una observación muy importante y fundamental sobre el proceso de cristalización, es que este tipo de transformación no ocurre simultáneamente en la matriz donde se desarrolla. La cristalización se genera a partir de diferentes puntos (gérmenes) y entonces se va depositando el material sobre estos pequeños Procesos Industriales Orgánicos

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gérmenes o núcleos. Así pues se distinguen dos partes en el proceso de cristalización: nucleación y crecimiento cristalino.

2.2. PROCESO DE CRISTALIZACIÓN En este proceso, una sustancia sólida con una cantidad muy pequeña de impurezas se disuelve en un volumen mínimo de disolvente (caliente si la solubilidad de la sustancia que se pretende purificar aumenta con la temperatura). A continuación la disolución se deja enfriar muy lentamente, de manera que los cristales que se separen sean de la sustancia pura, y se procede a su filtración. El filtrado, que contiene todas las impurezas, se suele desechar. Para que la cristalización fraccionada sea un método de separación apropiado, la sustancia que se va a purificar debe ser mucho más soluble que las impurezas en las condiciones de cristalización, y la cantidad de impurezas debe ser relativamente pequeña. Comúnmente las impurezas están presentes en concentraciones bajas y ellas regresan a la solución aun cuando la solución se enfría. Si se necesita una pureza extrema del compuesto, los cristales filtrados pueden ser sujetos a re-cristalización y, naturalmente, en cada cristalización resulta una pérdida del soluto deseado que se queda en el líquido madre junto con las impurezas. El solvente ideal para la cristalización de un compuesto particular es aquel que: 

No reacciona con el compuesto.


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Hierve a temperatura por debajo del punto de fusión del compuesto.



Disuelve gran cantidad del compuesto cuando está caliente.



Disuelve una pequeña cantidad de compuesto cuando esta frío.



Es moderadamente volátil y los cristales pueden ser secados rápidamente.

2.3. CRECIMIENTO DE LOS CRISTALES Sea AB (Fig. 1) la curva de saturación en función de la temperatura en el sistema binario formado por un disolvente y un soluto. Por encima de dicha curva existe una sola fase líquida. Sea P un punto de esta zona representativo de la composición y temperatura del sistema en un momento dado. Si, al partir de P, hacemos descender la temperatura, el sistema evolucionará a concentración constante, hasta alcanzar la saturación en el punto de temperatura t*. Si lo que hacemos es evaporar el disolvente a temperatura constante, la concentración irá aumentando, según la recta PC 1 , y se alcanzará la saturación en el punto C* 1.


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Fig1. Solubilidad y sobresaturación.

En ambos casos, o en los intermedios que pueden seguirse, la cristalización no se produce al llegar a la curva de saturación. Para que comience el fenómeno es preciso alcanzar una cierta sobresaturación, que suele medirse por la diferencia entre la concentración actual y la de equilibrio a la misma temperatura (en la Fig. 1, C 1-C*1). La necesidad de la sobresaturación se comprende porque cuando el sistema está simplemente saturado su tendencia a evolucionar es nula; es preciso disponer de una potencial o fuerza conducente que, venciendo la inercia del sistema, lo haga transformarse tendiendo a alcanzar el equilibrio; este potencial lo suministra la sobresaturación. La velocidad de evolución del sistema aumenta, dentro de ciertos límites, con la sobresaturación. Para estudiar esta velocidad, o sea la cinética de la cristalización, tenemos que distinguir dos procesos que se realizan con cierta independencia uno del otro: la formación de núcleos cristalinos y el crecimiento de los cristales.


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Ambos dependen de la sobresaturación, pero responden a mecanismos distintos. En el conjunto interviene el grado de agitación, que influye sobre el tamaño y la forma de los cristales obtenidos. 2.3.1. Formación de los núcleos Para producir la formación o la nucleación de los cristales es necesaria algún grado de sobresaturación. En la región metastable de las curvas de solubilidad, crecen los cristales, pero no se forman los núcleos. En el intervalo intermedio los cristales siguen creciendo y se forman núcleos con rapidez creciente. En la región lábil se produce el crecimiento y la nucleación rápida de los cristales.

2.3.2. Nucleación Homogénea.

Se llama así, a la formación de una fase sólida debida a la agregación de átomos de los componentes de la otra fase, sin que se produzcan cambios de composición y sin la influencia de agentes externos. Esto ocurre durante el movimiento general de los átomos dentro del líquido, para conducir a la creación de grupos ordenados de átomos en pequeñas zonas de mayor densidad que la del líquido. Estos embriones de cristales son efímeros e inestables, pero los que de manera simultánea alcanzan condiciones energéticas y tamaños críticos, se estabilizan y crecen. Procesos Industriales Orgánicos

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Un embrión es una partícula muy pequeña de una nueva fase que, de manera simultánea, no posee ni el tamaño crítico ni ha alcanzado la energía libre crítica; por lo tanto, tiende a disolverse.

2.3.3. Nucleación Heterogénea

Como la nucleación heterogénea es más fácil que la homogénea, tendrá mayor importancia. La heterogénea se origina en los límites de grano o en los planos de deslizamiento. Esto representa un retardo entre las respuestas al envejecimiento, en áreas que experimentan nucleación heterogéneas y las de nucleación homogénea. El sobre envejecimiento ocurre, con frecuencia, en los límites de grano mucho antes que en el centro de los granos. Una precipitación rápida produce un efecto característico. El efecto es que las partículas de precipítado pueden crecer en tamaño y agota el soluto de las áreas cercanas a los límites, como muestra la figura 2a. En el enfriamiento lento, la nucleación empieza en los límites de grano cuando la temperatura ha llegado a valores inferiores a la línea solvus. El precipitado, en los límites de grano, continúa creciendo mediante difusión del soluto desde la matriz al precipitado: figura 2b.


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Fig 2. Nucleación heterogénea en límites de grano. (a) Una velocidad de enfriamiento moderada puede originar nucleación heterogénea en los límites de grano y nucleación homogénea en el centro de los granos. (b) en enfriamiento muy lento puede formar precipitado únicamente en límites de grano. 2.4. SOLUBILIDAD Y SOBRESATURACIÓN La solubilidad de una sustancia es la cantidad disuelta en un disolvente en equilibrio en condiciones dadas de temperatura y presión. La solubilidad puede ser afectada por la presencia de otros solutos, aunque estén en cantidad pequeña, también por el pH de la solución. Para que se produzca la cristalización es necesario que haya sobresaturación; esto es: que la solución contenga al menos momentáneamente más soluto que el valor de saturación para las condiciones dadas a temperatura, presión y composición 2.4.1. Factores que influyen en la solubilidad


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A. Efecto Calorífico En la producción de cristales por cualquier método, es necesario suministrar calor a la solución que cristaliza o quitárselo. El efecto calorífico que interviene puede ser calor sensible resultante de cambios reales en la temperatura de la solución, calor latente de evaporación del disolvente y calor de cristalización, que es la cantidad de calor desprendido a consecuencia de la precipitación de una cantidad de cristales de una solución saturada.

B. Efecto de las impurezas El ambiente químico, la presencia de relativamente bajas concentraciones de sustancias ajenas a las especies a cristalizar, ya sea impurezas, etc., juega un importante papel en la optimización de los sistemas de cristalización. Su papel es muy importante por diversas razones. La primera, todos los materiales son impuros o contienen trazas de impurezas añadidas durante su procesamiento. La variación aleatoria de las impurezas es un efecto indeseable. La segunda, y la más importante, es posible influenciar la salida y el control del sistema de cristalización, o cambiar las propiedades de los cristales mediante la adición de pequeñas cantidades de aditivos cuidadosamente elegidos. Esto, Procesos Industriales Orgánicos

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agregando ciertos tipos y cantidades de aditivos es posible controlar el tamaño de los cristales, la distribución de tamaño del cristal, el hábito del cristal y su pureza.

2.5. VENTAJAS El interés químico-técnico de la cristalización, como operación básica, radica principalmente en que solidos cristalinos se manejan y transportan con más facilidad que las disoluciones y ocupan menos espacio, por lo cual esta forma es preferida para la presentación comercial de muchos productos. Tienen también importancia como medio para purificar a muchas sustancias y como método de fraccionamiento de mezclas de sustancias disueltas. 2.6. APLICACIÓN Entre las aplicaciones industriales de la cristalización alcanza gran importancia la obtención y purificación de sales minerales diversas (sal común a partir del agua de mar, separación de sales potásicas, sulfato de cobre, carbonatos diversos, etc.), la preparación de productos químicos y químico-farmacéuticos, la de productos intermedios para la industria química-orgánica, etc. También en las industrias alimentarias tiene importancia en la obtención de azúcar, en la fabricación de mantequilla y margarinas, en la llamada fusión de sebos y manteca de cerdo, etc.


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Universidad Nacional De Trujillo IV.

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MATERIALES Y MÉTODOS 4.1. MATERIA PRIMA DICROMATO DE POTASIO (k2Cr2O7) es un sólido cristalino naranja-rojizo, soluble en agua. A diferencia del dicromato de sodio, no es higroscópico. Sus cristales son tricíclicos pinacoidales. Es utilizado en la producción de productos pirotécnicos, explosivos, colorantes, productos para impresión, curtido de pieles, para telas repelentes al agua, baterías eléctricas, como inhibidor d corrosión, etc. Se obtiene mediante cloruro de potasio y dicromato de sodio y por tostado de cromito y carbonato de potasio a una temperatura entre 900ºC y 1000ºC. El dicromato de potasio reacciona violentamente con el ácido sulfúrico y acetona. Con hidroxilamina, reacciona explosivamente y con etilenglicol a 100º C, la reacción es exotérmica. -

Para ésta práctica, la solución ya preparada de dicromato de potasio fue recogida del laboratorio. Propiedades 

Fórmula molecular: k2Cr2O7



Masa molar: 294.1 g / mol



Apariencia: Sólido cristalino naranja-rojizo



Densidad: 2.7 g / cm 3



Punto de fusión: 236° C


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4.2. MATERIALES Y EQUIPOS -

Material de vidrio: Descripción

Vasos de precipitación de 600 ml Matraz Ermeleyer de 250 ml Embudo de vidrio Lunas de reloj Varilla de vidrio Probeta graduada de 50 ml Matraz de Kitasato 250mL Termómetro de 360 °C Balón de destilación (tipo bola)250 mL

-

Cantidad

2 2 1 2 1 2 1 2 1

Material (otros) Descripción

Soporte universal Pinzas Sujetadores (accesorio del soporte universal) Papel filtro Hornillas Piseta Recipiente de plástico Núcleos de ebullición Refrigerante (de destilación simple) Refrigerante (hielo) Tampones de goma Manguera de goma (látex) Rejilla


Cantidad

2 2 2 4 2 1 1 2 1 1 2 2 2

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Universidad Nacional De Trujillo Equipos

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cantidad

Equipo de destilación Simple

1

Bomba al vacío

1

Balanza analítica

1

4.3. PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL

-

Cristalización por Destilación Simple 

Medir 100mL de solución de dicromato de potasio.



Armar el equipo de destilación simple y calentar la solución en una cocina eléctrica para concentrar la solución.


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Registrar la temperatura a intervalos de tiempo regulares para corroborar que la temperatura no pase el punto de ebullición del agua y ocasione la perdida de muestra arrastrada con el vapor de agua.



Retirar de la cocina cuando se observe una gran resistencia al burbujeo, un color totalmente naranja intenso. En lado derecho, se aprecia el agua evaporada


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Dejar que solución contenida en el balón de destilación baje de temperatura; para luego vaciarla en un matraz.



Luego se filtró la solución al vacío obteniendo precipitación y cristales muy finos. Finalmente se deja secar el papel filtro con los cristales y pesarlos en una balanza analítica.


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-

Cristalización por Evaporación y Enfriamiento Natural 











-

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Antes de empezar lavamos los instrumentos a usar Medimos 100 ml de solución y lo colocamos en un vaso de precipitación de 250 ml Luego calentamos la solución de dicromato de potasio en una hornilla hasta ver un indicio de precipitación (el calentamiento duró de 11:18 am – 11:43 am) Después lo enfriamos y lo filtramos y se obtuvo muy poco de precipitado Al ver este resultado, volvimos a calentar la solución filtrada y se dejó enfriar nuevamente pero no se obtuvo precipitado Calentamos la solución por tercera vez a ebullición durante un tiempo, luego lo dejamos enfriar.

Cristalización por Evaporación total del disolvente y Enfriamiento Forzado Experimento 2: calentamiento por ebullición total de disolvente -

-

-

Volumen de inicio: 100 ml Volumen final: 25 ml Hora de inicio: 10:49 am 1. Se procedió a la medición de los 100 ml de solución a operar. A los 7 minutos aproximadamente, la solución toma un color anaranjado-rojizo cuando empezó a evaporarse parte del solvente. 2. A los 11 minutos de calentamiento, se ha llegado a los 100ºC de temperatura, donde se van observando la presencia de residuos. 3. A partir de los 10 minutos se empieza a observar a parte de los residuos, pequeñas partículas que se presumen ser cristales de la materia prima.


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-

-

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4. Se puede observar que a los 17 minutos, la temperatura continúa a los 100 ºC lo cual quiere decir que la solución está bien diluida. 5. A los 20 minutos las partículas han aumentado de tamaño y la temperatura solo ha aumentado a 103 ºC. 6. A los 32 minutos se ha parado el proceso de calentamiento, para luego filtrarse y separar lo que pudieran ser residuos. 7. Al filtrar, en el fluido sobrante se observaron partículas, cristales de materia prima que no se llegaron a separar, y para esto procedimos a eliminar más líquido solvente por medio de calentamiento 8. El siguiente calentamiento empezó a las 11:30 y termina a las 12:30, donde se evaporó todo el disolvente y quedaron los cristales dentro del matraz.

Experimento 3: Ebullición post enfriamiento -

Se procedió a realizar los pasos 1 al 6 del método anterior, para luego enfriar con hielo la solución.


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Universidad Nacional De Trujillo V.

-

RESULTADOS CONDICIONES DE OPERACIÓN Cristalización por Destilación Simple



-

Tiempo (min) 21 26 1 36 41 46 51 56 61 66 71 76 81 86 91 96 101 106 111

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-

Presión

:

1 atm

-

Temperatura

:

95-100 °C

-

Tiempo

:

3-3.5 horas

Datos experimentales:

volumen de agua evaporada (mL) 0.3 4 9 13 17.5 22 26.5 33 36.5 42 46 51 55.6 60 65.5 69 74 79 84

Temperatura (°C)

Tiempo (min)

100 100 100 100 100 100 100 100 100 100 100 100 100 100 100 100 100 100 100

116 121 126 131 136 141 146 150 155 160 165 170 175 180 185 190 195 200 205


volumen Temperatura de agua (°C) evaporada (mL) 89 100 94 100 98.5 100 104 100 108 100 112 100 116.5 100 120 100 126 100 132 100 138 100 143 100 148 100 154 100 159 100 164 100 170 100 174.5 100 181 100

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Tiempo vs Volumen de agua evaporada

Muestra final

-

Reporte de muestras realizadas

Muestra Trabajada

Temperatura de Temperatura de vaporización enfriamiento (°C) (°C)

Volumen empleado de disolución de dicromato de potasio (mL)

Peso de cristales de dicromato de potasio obtenidos (g)

1

100

5 - 10

100

0.0612

2

95

0-5

100

0.0409

3

97

5 - 10

100

0.0504


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VI.

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DISCUSIÓN DE RESULTADOS





Para que comience el fenómeno es preciso alcanzar una cierta sobresaturación, que suele medirse por la diferencia entre la concentración actual y la de equilibrio a la misma temperatura. A medida que se calienta la solución y aumenta la concentración del dicromato de potasio, se excede el límite de solubilidad del material en solución, por ende comienza la formación de cristales. Se observó que para el método de enfriamiento, los cristales se formaron de manera más acelerada, que en el método de enfriamiento al aire libre, el rendimiento es mayor debido a que existe mayor solubilidad del dicromato de potasio en agua, lo que facilita la formación de los cristales, se presenta una absorción de calor llamada “calor de disolución”.







VII.

Al calentar en el Equipo de destilación se debe tener en cuenta en dejar de (4 - 6) ml aprox. de líquido junto con los cristales para poder filtrarlo, sino se perdería todo el cristal. Al destilar la muestra 2 se observa que al dejar poca líquido para la filtración, el cristal se descompone por lo que se torna de un color anaranjado quemado. Al terminar de separar el agua del dicromato de potasio, quedan solo el cristal, pero hay pequeñas partes o porciones que se observa que son higroscópicas o sea que todavía contienen un poco de agua.

CONCLUSIONES


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Se logró conocer los fundamentos de este proceso (cristalización), asimismo se llegó a determinar

las condiciones de trabajo y las

condiciones de operación: Cristalización por Destilación Simple



-

Presión

:

1 atm

-

Temperatura

:

95-100 °C

-

Tiempo

:

3-3.5 horas

Cristalización por



-

VIII.

Dicromato de Potasio: 100 ml Temperatura: (99 – 100) °C Presión: 1 atm Tiempo de Reacción: 37 minutos

RECOMENDACIONES



Tener cuidado con la temperatura con la que se trabaja, puesto que la solución puede alcanzar el punto de ebullición del agua, y al evaporarse puede arrastrar parte de dicromato de potasio.







Al calentar en el Equipo de destilación se debe tener en cuenta en dejar de (4 - 6) ml aprox. de líquido junto con los cristales para poder filtrarlo, sino se perdería todo el cristal. En la filtración se debe verter lentamente al embudo Buhner, ya que sino los cristales se esparciría y se perdería ver (muestra 3). Cuando se termine el calentamiento de la disolución para la formación de cristales, tener en cuenta que se debe dejar cierto tiempo de espera para que la temperatura del recipiente baje, de


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lo contrario si enfriamos inmediatamente con hielo, dicho recipiente puede romperse por el cambio brusco de temperatura.

IX.

REFERENCIAS BIBLIOGRAFÍA (1). VIAN OCÓN, A. Elementos de Ingeniería Química. Segunda edición. Madrid. Editorial Aguilar Tolle Lege, 1952. 695 - 705 pg. (2). GRASES F. Cristalización en disolución. 2000. Editorial Reverté. España. (3). OLAF A. HOUGEN. Principios de los procesos químicos. 1982. Editorial Reverté. España. (4). CHRISTIE JOHN GEANKOPLIS. Procesos de transporte y principios de procesos de separación. Cuarta edición. 2006. Editorial Continental. México (5). R.C. NÉSTOR. Fundamentos de química analítica básica. 2007. Editorial Universidad de Caldas. Colombia.


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