Índice 1. Resumen ............................................. ................................................................... ............................................ ................................ .......... 2 2. Introducción ........................................... ................................................................. ............................................ ............................ ...... 3 3. Calcantita.............................................................. ..................................................................................... .................................... ............. 4 4. Principios Teóricos .......................... ................................................ ............................................. .................................... ............. 5 5. Procedimiento experimental............................................ ................................................................... ......................... 7 a. Materiales..................................................... ........................................................................... ................................ .......... 7 b. Procedimiento ........................................... ................................................................. ................................... ............. 8 6. Resultados .......................................... ................................................................ ............................................ ................................ .......... 13 7. Conclusiones......................................................... ................................................................................ .................................... ............. 14 8. Bibliografía......................................................... ............................................................................... ....................................... ................. 15
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Cristalografía
Resumen
Esta experiencia tuvo como objetivo conocer el proceso de cristalización que se da en la naturaleza, trabajando con sustancias que son fáciles de c onseguir (carbonato de calcio, sulfato de cobre pentahidratado y alumbre) y cuya cristalización puede realizarse en casa. En el proceso dividimos el trabajo en tres partes, utilizando sustancias que varían en su solubilidad, para conocer de qué forma esto afecta al proceso de cristalización espontánea. Así decidimos trabajar con tres tipos de sustancias, mencionadas anteriormente y cuyas solubilidades varían considerablemente. En el caso del Carbonato de Calcio, su muy baja solubilidad en agua (alrededor de 0.0013g/100mL) nos dieron el primer panorama sobre la relación entre la solubilidad de la sustancia y el proceso de cristalización, ya que fue prácticamente imposible conseguir que la sustancia cristalic e. En un segundo experimento, se realizó la cristalización del Sulfato de Cobre Pentahidratado, cuya solubilidad intermedia en agua (alrededor de 20g/100mL), permitió realizar con mayor facilidad el experimento, consiguiendo un gran monocristal muy bien cristalizado de unos 4.5 cm, al cabo de 40 horas de inmersión. En un tercer experimento, se trabajó con Alumbre (Sulfato de Potasio y Aluminio), con una mayor solubilidad (70g/100mL), pero se logro conseguir un cristal de solo 1.5 cm aproximadamente, aún así este presenta la forma mucho más definida de un octaedro. El presente informe se centrará en la experiencia de la cristalización del Sulfato de Cobre Pentahidratado ya que fue con el que mejores resultados se pudieron obtener.
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Cristalografía
Introducción
Los cristales se forman a partir de disoluciones, fundidos y vapores. Los átomos de estos estados desordenados tienen una disposición al azar, pero al cambiar de temperatura, presión y concentración, pueden agruparse en una disposición ordenada característica del estado cristalino. Variando las condiciones de presión y temperatura de una disolución de la sal o compuesto que queremos cristalizar, podemos lograr variar los valores de solubilidad, y conseguir que se lleve a cabo la cristalización, de forma espontánea, ya que los cristales pueden formarse a partir de una solución por descenso de la temperatura o de la presión. Es por esto que para esta experiencia se deben de conocer muy bien los conceptos de solubilidad, saturación de una solución, sobresaturación, y también los principios termodinámicos y fisicoquímicos que intervienen en el proceso. Como ejemplo de cristalización a partir de una disolución, consideraremos al cloruro sódico (sal común), disuelto en agua. Si se deja que el agua se evapore, la disolución contiene cada vez más iones de sodio y cloro por unidad de volumen (concentración). Finalmente se llegará a un punto en el cual la cantidad de agua presente no podrá retener a toda la sal en solución y ell a empezará a precipitar. Si esta evaporación se realiza muy lentamente, los iones de sodio y cloro, conforme se vayan separando de la solución se irán agrupando y gradualmente formarán uno o unos pocos cristales con formas características y a menudo co n una orientación común. Se han aprovechado estos conceptos para lograr la cristalización de las sustancias elegidas para esta experiencia.
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Cristalografía
Calcantita (CuSO4·5H2O)
La calcantita es un Sulfato de Cobre muy soluble en agua. Se trata de un mineral secundario que se forma en climas muy secos o en zonas de rápida oxidación de yacimientos de cobre. Por lo general se trata de un mineral de formación de post-minería, que se forma en las paredes de las minas y por la acción de aguas superficiales ácidas sobre las venas de cobre. Es un mineral del grupo VI (sulfatos) según la clasificación de Strunz.
Propiedades físicas Lustre
:
Vítreo, Resinoso
Transparencia
:
Transparente, Traslucido
Color
:
Azul claro a oscuro; se decolora a azul pálido a la luz.
Raya
:
Blanca
Dureza (Mohs)
:
2½
Tenacidad
:
Quebradizo
Clivaje
:
Imperfecto
Fractura
:
Concoidea
Densidad
:
2.282 g/cm3
Propiedades Cristalográficas Sistema Cristalográfico: Triclínico Clase (H-M): 1 – Pinacoidal Grupo Espacial: P1 Morfología: Prismático, Tabular. Cristales desarrollados al natural son muy raros.
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Principios Teóricos
Solido Cristalino
Los sólidos pueden ser cristalinos o amorfos. En un sólido cristalino, los átomos, iones o moléculas están ordenados en disposiciones bien definidas. Estos sólidos suelen tener superficies planas o caras que forman ángulos definidos entre sí. Las filas ordenadas de partículas que producen estas caras también hacen que los sólidos tengan formas muy regulares.
Comparaciones esquemáticas de a) SiO2 cristalino (cuarzo) y b) SiO2 amorfo (vidrio volcánico). Fuente: Theodore L. Brown, Química La Ciencia Central, Figura 11.30
Cristalización
Los cristales surgen de los cambios de estado, es decir cuando un cuerpo pasa de un estado a otro. También se le conoce como cambio de fase. Se pueden indicar las siguientes mutaciones fundamentales que originan a la sustancia cristalina: a) Cristalización por Fusión o disolución: Se trata del paso del estado líquido al solido. b) Cristalización por Sublimación: Paso del estado gaseoso al solido. c)
Recristalización: Paso de un estado sólido a otro.
Los tres casos indicados de formación de la sustancia cristalina no están, ni mucho menos, igualmente difundidos; el primer caso se observa con mucha más frecuencia que el segundo y el tercero.
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Cristalografía
Solución Saturada y Sobresaturada
Una solución saturada es la que contiene la mayor concentración de soluto posible en un volumen de disolvente dado y para cierta temperatura. Una solución sobresaturada contiene más soluto del que puede ser disuelto en el disolvente a esa temperatura; normalmente se consigue al bajar la temperatura o por evaporación del disolvente en una solución saturada. En este caso, la adición de cristales de soluto puede provocar su precipitado.
Núcleo de Cristalización o Germen Cristalino
Se denomina al cristal microscópico que se haya en equilibrio con la solución sobresaturada, esto quiere decir que este pequeño cristal no va a disolverse, ya que el solvente no acepta más cantidad de soluto, y por el contrario, va a comenzar a crecer recibiendo a los iones para que la solución mantenga su sobresaturación más o menos constante. Utilizamos un germen cristalino para poder conseguir cristales más grandes basándonos en los conceptos descritos anteriormente.
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4. Procedimiento Experimental 4.1.
Materiales
Recipiente de Vidrio Templado
100g de Sulfato de Cobre Pentahidratado (CuSO 4.5H2O)
Cantidad suficiente de agua destilada
Papel filtro
Embudo
Cristal pequeño de Sulfato de Cobre
Un asidero
Un hilo de algodón.
Vaso de Precipitado de 400mL
Agua destilada suficiente
100g de Sulfato de Cobre Pentahidratado
Papel Filtro
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4.2.
Procedimiento
1. Considerando el valor de solubilidad para el Sulfato de Cobre Pentahidratado de 20g/100mL, se prepara una solución sobresaturada, primero disolviendo la sustancia a temperatura ambiente.
2. La solución tiene parte de la sustancia que no se ha disuelto, así es que se lleva esta a ebullición, y a los 80ºC aproximadamente todo el sulfato queda disuelto.
3. Utilizando el papel filtro y un embudo, en un recipiente aparte, se filtra la solución para eliminar las impurezas. Se puede observar la suciedad que se logró filtrar.
4. Se amarra un pequeño cristal de Calcantita a un hilo.
5. Se suspende el cristal en la solución.
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Cristal luego de 6 horas de inmersión
Se retiró el cristal para disolver nuevamente los cristales que se forman al fondo del recipiente.
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Cristal luego de 18 horas de inmersión
Se retira el cristal y la solución se vuelve a llevar a ebullición para disolver los cristales que se forman al fondo, para regresar así al estado de sobresaturación.
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Cristal luego de 24 horas de inmersión
Se retira el cristal y la solución se vuelve a llevar a ebullición para disolver los cristales que se forman al fondo, para regresar así al estado de sobresaturación.
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Cristalografía
Cristal luego de 36 horas de inmersión.
El ritmo del crecimiento del cristal disminuye considerablemente, habiendo crecido muy poco en 12 horas de inmersión, por lo que se da por terminado el experimento. El tiempo de inmersión total fue de unas 40 horas.
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Resultados
Para la cristalización del sulfato de cobre pentahidratado se logro conseguir un gran m onocristal muy bien cristalizado de unos 4.5 cm aproximadamente. Se puede visualizar a simple vista el sistema de cristalización de la Calcantita, el cual pertenece al sistema Triclínico .
Cristal obtenido tras 40 horas de inmersión
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6. Conclusiones La principal conclusión generada a partir de la realización de esta experiencia es que la solubilidad juega un papel importante en la cristalización. Se logra determinar una relación en la que, a menor solubilidad, es más difícil conseguir cristalización. También se puede ver como esto determina el tamaño de los cristales que se van a formar. En el caso del carbonato de calcio, no se consiguió formar un germen cristalino lo suficientemente grande como para poder extraerlo de la solución, con lo que el primer experimento quedó descartado. Por otro lado, se puede relacionar la temperatura con la solubilidad como influyentes en la cristalización, ya que para poder obtener cristales grandes se necesita de una sustancia que varíe considerablemente su solubilidad con el cambio de temperatura. También se puede concluir que para poder obtener un buen resultado es conveniente filtrar con cuidado la solución utilizando un papel filtro. Si el filtrado no es bueno, pequeñas partículas de suciedad pueden interferir con el crecimiento del cristal, lo cu al no es conveniente. También es importante mantener la saturación de la solución constantemente, para lo que se debe de disolver constantemente los cristales que se formen al fondo del recipiente.
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8. Bibliografía
Theodore L. Brown; Química: La Ciencia Central 9na Edición. Editorial Pearson Educación, 2004
Cornelis Klein, Cornelius S. Hurlbut; Manual de Mineralogía, Basado en la obra de J. Dana 4ta Edición. Editorial Reverté, 1998 E. Flint; Principios de Cristalografía Editorial MIR, Moscú, 1966
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