Contenido 1. Objetivo........................... Objetivo............................................... ........................................ ......................................... ..................... .................. ............... ... 2 1.1 Objetivo principal............................. principal................................................. ........................................ ...................................... .................. 2 1.2 Objetivo especifco............................. especifco................................................. ....................................... ................................... ................ 2 2. Introducción............................ Introducción................................................ ........................................ .................................................... ................................ 3 3. Fundamento teórico.................................. teórico...................................................... ..................................................... ................................. 4 3.1 cristalización.......................... cristalización.............................................. ........................................ ................................................ ............................ 4 3.3 Importancia del tamaño de los cristales.................................................... 3.4 !olubilidad " sobresaturación...................................... sobresaturación.................................................................... .............................. # 3. $eor%a de &iers....................................... &iers........................................................... ....................................... ................................ ............. ' 3.# Curva de solubilidad.......................... solubilidad.............................................. ......................................... ..................... .............. ( 3.' $ipos de Cristalización........................... Cristalización.............................................. ..................................... ................................ .............. ( 3.'.1 Cristalización a partir de una disolución concentrada.........................( 3.'.2 Cambio de disolvente.................................. disolvente..................................................................... ................................... ... 1) 3.'.3Cristalización 3.'.3Cristalización a partir de un vapor...................................................... vapor...................................................... 11 3.'.4 Cristalización a partir de un sólido sólido *undido............................ *undido....................................... ........... 12 3.( +efnición ,u%mica de cromato de potasio
[13]
.........................................14
3.- *ormas de obtención de cromato de potasio
[14]
...................................14
3.1) ropiedades ropiedades fsico,u%micas del cromato de potasio /10.......................1# 3.11 plicaciones del cromato de potasio......................................................1# potasio......................................................1# 4. materiales " reactivos........................... reactivos............................................... ........................................ .................................... ................ 1' 4.1 eactivos................................ eactivos.................................................... ........................................................... ....................................... ...... 1' 4.2 &ateriales " e,uipos.................................. e,uipos...................................................... .............................................. .......................... 1' . rocedimiento eperimental....................... eperimental........................................... ...................................... .............................. ............ 1' #. resultados.......................................... resultados.............................................................. ..................................................... ................................. ...... 1'. discusión de resultados................................ resultados.................................................... ........................................ ............................ ........ 2) (. Conclusión....................................................................................................2) -. recomendaciones..... recomendaciones......................... ....................................... ....................................... .............................................. .......................... 21 1). iblio5ra*%a.................... iblio5ra*%a....................................... ....................................... ........................................ ...................................... .................. 22 11. aneos...................... aneos.......................................... ........................................ ....................................... ....................................... ........................ .... 23
1
1. Objetivo 1.1 1. 1 Ob Obje jeti tivo vo pri princ ncip ipal al
+eterminar las condiciones óptimas ó ptimas para la cristalización del cromato de potasio
1.2 1. 2 Ob Obje jeti tivo vo espe especi cifc fco o
2
Obtener cristales del cromato de potasio 6color amarillo7 de una buena calidad " de cristales uni*ormes.
2 . Introducción La cristalización es importante como proceso industrial por los diferentes materiales que son y pueden ser comercializados en forma de cristales. Su empleo tan difundido se debe probablemente a la gran pureza y la forma atractiva del producto qumico sólido! que se puede obtener a partir de soluciones relativamente impuras en un solo paso de procesamiento. "dem#s se puede realizar a temperaturas relativamente ba$as y a una escala que vara desde unos cuantos gramos %asta miles de toneladas diarias. La mayor parte de las aplicaciones industriales de la operación incluyen la cristalización a partir de soluciones. &ste el caso del cromato de potasio que es un polvo cristalino color amarillo limón! muy estable y soluble en agua. &ste se utiliza en esmaltes! acabados para cuero! en metales ino'idables y para la identificación de la concentración de ión cloruro en una solución con nitrato de plata. &n base a esto! se plantea determinar condiciones adecuadas para la obtención de cromato de potasio
cristalizado.
3. Fundamento teórico 3.1 cristalización
3
8La cristalización puede definirse como la precipitación de una materia
sólida en una solución. (iene como ob$eto llevar un cuerpo a la forma de sólido cristalino partiendo de la misma sustancia fundida o de su disolución en un disolvente apropiado. La cristalización de una sustancia pura )sistema de un solo componente* se consigue enfri#ndola por deba$o de su punto de fusión. &n el caso de una disolución! la cristalización se produce cuando alcanza una concentración superior a la de saturación! la cual depende de la temperatura y de la naturaleza del soluto y del disolvente. &n +l mayor parte de los casos! la solubilidad disminuye con la temperatura y la cristalización se puede conseguir por enfriamiento o por evaporación del disolvente! emple#ndose frecuentemente ambos medios combinados., [1] -&l mecanismo de este proceso es muy comple$o ya que envuelve los fenómenos de difusión! formación de ncleos y crecimiento de cristales. &n el momento presente no pueden %acerse c#lculos num+ricos e'actos de la rapidez con la que se produce cualquiera de estos fenómenos! de modo que como operación unitaria! la cristalización es todava muy emprica en sus m+todos., [/] -0na venta$a importante de la cristalización sobre otros procedimientos! como la evaporación total! es que pueden obtenerse cristales puros de una solución que contenga notable cantidad de impurezas! con tal que no se formen cristales mi'tos. "lgunos autores dicen que la cristalización lenta! 4
que produce cristales grandes! de$a las impurezas en una capa superficial de aguas madres ad%erentes! que pueden separarse por lavado y de$ar cristales puros. tros creen que los cristales peque2os son m#s puros! ya que en los cristales grandes quedan impurezas con las aguas madres ocluidas.,
[3]
3.2 Importancia de la cristalización -&l inter+s qumico t+cnico de la cristalización! como operación b#sica! radica principalmente en que los sólidos cristalinos se mane$an y transportan con m#s facilidad que las disoluciones y ocupan menos espacio! por lo cual esta forma es preferida para la presentación comercial de muc%os productos.,
[4]
-Su amplia utilidad se debe a dos razones un cristal formado a partir de una solución impura es esencialmente puro )e'cepto que se formen cristales mi'tos*! y la cristalización de soluciones proporciona un m+todo pr#ctico para la obtención de sustancias qumicas puras en una condición adecuada para su envasado y su almacenamiento., [5]
3.3
Importancia del tamaño de los cristales
6o cabe duda que una buena producción y una elevada pureza son dos ob$etivos importantes de la cristalización! pero el aspecto y el intervalo de tama2os de un producto cristalino tambi+n es importante. Si los cristales van a ser posteriormente procesados! por filtración! lavado! reacción con otros productos qumicos! transporte y almacenamiento! es deseable que el
tama2o sea adecuado y uniforme. Si los cristales se comercializan como producto acabado! la aceptación por los consumidores e'ige cristales individuales resistentes de tama2o uniforme! que no formen agregados y que no se aglomeren en el envase.,
3.4
[7]
!olubilidad " 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 muy afectada por la presencia de otros solutos! aunque est+n en cantidad peque2a y tambi+n por el p8 de la solución. 9ara
que
se
sobresaturación:
produzca esto
la
es
cristalización que
la
es
necesario
que
solución
contenga
al
%aya menos
moment#neamente m#s soluto que el valor de saturación para las condiciones
dadas
de
temperatura!
presión
y
composición.
La
sobresaturación puede producirse de tres maneras 1* ;ariando la temperatura de modo que disminuya la solubilidad. 9uesto que la solubilidad de casi todas las sustancias suele aumentar al elevarse la temperatura! esto implica %acer ba$ar la temperatura de la solución. /* &liminando el disolvente por evaporación. 3*
#
3. $eor%a de &iers -0na de las primeras e'plicaciones cualitativas de la cristalización postulada por >iers! propone la formación de ncleos y de cristales en una solución sin sembrar. &sta teora se ilustra en la figura 1! donde la lnea "? corresponde a la curva normal de solubilidad. iers radica en que postula que! cuanto mayor es el grado de sobresaturación m#s grande son las posibilidades de formación de ncleos.A [B]
'
Figura 3. Explicación cualitativa de Miers del proceso de cristalización: curva de solubilidad (AB) y curva de supersolubilidad (!).
3.# Curva de solubilidad -La curva de solubilidad representa el equilibrio entre el soluto y el disolvente en presencia de un e'ceso del primero y suele dibu$arse transportando la concentración en función de la temperatura. &l efecto de la presión e'terna sobre la solubilidad de los sólidos es insignificante. Los datos de solubilidad pueden utilizarse para dos fines predecir el rendimiento de cristales producido por un cambio dado en las condiciones y determinar las condiciones necesarias para producir un rendimiento especificado. &n las condiciones originales iniciales y finales pueden determinarse las cantidades de soluto disueltas en la solución. La diferencia de estos dos valores da la cantidad de soluto cristalizado si la misma fase sólida esta en equilibrio con la solución en ambos casos.,
[C]
3.' $ipos de Cristalización 3.'.1 Cristalización a partir de una disolución concentrada
La mayora de los sólidos son m#s solubles a altas temperaturas que a temperaturas ba$as. Si se prepara una disolución concentrada a altas temperaturas y se enfra se forma una disolución sobresaturada! que es aquella que tiene! moment#neamente! m#s soluto disuelto que el admisible por la disolución a esa temperatura en condiciones de equilibrio. 9osteriormente! se puede conseguir! por un enfriamiento controlado que cristalice! esencialmente! el compuesto principal! enriqueci+ndose las aguas (
madre de las impurezas presentes en la mezcla inicial al no alcanzar su lmite de solubilidad. 9ara que se pueda emplear este m+todo de purificación debe %aber una variación importante de la solubilidad con la temperatura. ientras la solución no est+ sobresaturada! puede enfriarse a la velocidad que permita su superficie de enfriamiento. &n algunos casos la solución alimentadora debe ligeramente sobrecalentada por encima de la temperatura de sobresaturación! siendo necesario que le enfriamiento se verifique uniformemente durante el intervalo de temperatura en que tiene la formación de ncleos. tra manera de cristalizar una disolución es mediante evaporación. &vaporando el disolvente de una disolución se puede conseguir que empiecen a cristalizar los sólidos que estaban disueltos cuando se alcanzan los lmites de sus solubilidades. Se evapora una parte del disolvente! %asta que la cantidad de sustancia disuelta en la solución restante supere la concentración de
-
saturación. >ediante este m+todo se cambia la composición de la solución %asta llegar a la sobresaturación. &ste m+todo se emplea en los casos en que la solubilidad depende poco de la temperatura. Se puede cristalizar evaporando a temperatura ambiente pero el proceso tarda m#s tiempo. ->ientras se da la evaporación de la disolución! se llegar# a un punto en la que la cantidad del lquido presente en dic%a disolución no podr# retener toda la sustancia a cristalizar y esta empezar# a precipitar. Si se preparan las condiciones de tal forma que la evaporación del disolvente se realice muy lentamente! los iones conforme se vayan separando de la solución! se ir#n agrupando! y gradualmente formar#n uno o pocos cristales con formas caractersticas y a menudo con una orientación comn. Si la evaporación es r#pida! aparecen muc%os centros de cristalización y los cristales resultantes ser#n peque2os y orientados al azar. Los cristales pueden formarse tambi+n a partir de una disolución por descenso de temperatura o de la presión. &l descenso de la presión de una solución saturada! se producir# una sobresaturación y consecuentemente se formar#n cristales., [1E]
3.'.2 Cambio de disolvente 9reparando una disolución concentrada de una sustancia en un buen disolvente y a2adiendo un disolvente peor que es miscible con el primero el componente principal del sólido disuelto empieza a precipitar! enriqueci+ndose
1)
relativamente las aguas madres en las impurezas. 9or lo general la adición del disolvente es lenta. Las propiedades que deben tener los disolventes de cristalización son
"lta solubilidad a temperaturas elevadas y poca solubilidad a ba$as temperaturas del compuesto que se va a cristalizar.
Fnercia con respecto al compuesto que va a cristalizarse.
"lta solubilidad de las impurezas! incluso a temperaturas ba$as! o insolubilidad para permitir la filtración.
Los disolventes m#s usados y naturales son el agua! alco%ol etlico y #cido ac+tico de vinagre de vino.
3.'.3Cristalización a partir de un vapor
"lgunas sustancias sólidas tienen la propiedad de alcanzar directamente! por calentamiento! el estado gaseoso sin paso previo por el estado lquido. "l enfriar los vapores se condensan en forma de cristales muy puros! ya que las impurezas! al no sublimar! quedan perfectamente separadas de la sustancia pura. &n algunos compuestos la presión de vapor de un sólido puede llegar a ser lo bastante elevada como para evaporar cantidades notables de este compuesto sin alcanzar su punto de fusión )sublimación*. Los vapores formados condensan en zonas m#s fras ofrecidas! pasando %abitualmente 11
directamente del estado gaseoso al sólido! )sublimación regresiva* separ#ndose! de esta manera! de las posibles impurezas. -"unque la cristalización a partir de un vapor es menos corriente que de una disolución o de una fusión! los principios b#sicos son muy parecidos para ambos. " medida que el vapor se enfra! los #tomos o mol+culas separadas se van apro'imando entre s! %asta eventualmente %asta formar un sólido cristalino. Los e$emplos m#s familiares de este tipo de cristalización son la formación de los copos de nieve a partir de aire saturado de vapor de agua y la formación de cristales de azufre en la base de las fumarolas o en el cuello de los volcanes.,
[11]
3.'.4 Cristalización a partir de un sólido *undido
12
-&n este tipo de cristalización! la sustancia fundida esta inicialmente en! o sobre! el punto de fusión! y el calor se toma en una cierta dirección. &n la figura /! la lnea ""G representa una frontera del material de fusión. Las condiciones ideales incluyen un flu$o de calor especfico por unidad de #rea
de la frontera a una temperatura fi$a por aba$o del punto de fusión del material: en cualquiera de los casos! se forma una capa de material cristalino y crece desde la frontera a una rapidez determinada por el flu$o de calor. &l gradiente de temperaturas en tales condiciones es! monotónico )sin m#'imo ni mnimo*! por arriba del punto de fusión en la masa del lquido cercano a la interfase )??G* y por deba$o de +ste en la fase cristalina.,
13
[1/]
Figura ". ristalización por #usión. $a l%nea A&A' es una #rontera original del aterial #undido a trav*s de la cual se +a incluido un #lu,o de calor. !espu*s de cierto tiepo B&B' corresponde a la inter#ase cristal aterial #undido.
9ara purificar un sólido cristalino este puede fundirse. @el lquido obtenido cristaliza! en primer lugar! el sólido puro! enriqueci+ndose! la fase lquida! de las impurezas presentes en el sólido original. La venta$a de este proceso es que controlando adecuadamente la temperatura y la velocidad que se desplaza! se puede obtener un material que es un monocristal que presenta las caras de la red cristalina orientadas en la manera deseada. Las venta$as de la cristalización por fusión de una solución est#n en la demanda de energa relativamente ba$a del proceso y en la alta selectividad de cristalización. Sin embargo! la alta selectividad del proceso de cristalización depende fuertemente de cómo la cristalización se lleva a cabo. La cristalización de una solución fundida puede llevarse a cabo por un proceso de capa! donde el material cristalino que se separó forma sobre una superficie enfriada! o por cristalización a partir suspensión. La cristalización de una masa fundida se enfra por deba$o de su temperatura de fusión cristalina. &sta cristalización proporciona un producto puro que no est# contaminado con disolvente.
3.( +efnición ,u%mica de cromato de potasio
[13]
Sal pot#sica derivada del #cido crómico. &l cromato pot#sico )H /
14
aire! e isomorfos con el sulfato pot#sico! cuyo peso especfico es de /!=E. Iunde por la acción del calor a la temperatura de C=5 J
3.- *ormas de obtención de cromato de potasio
[14]
&l cromato de potasio puede prepararse en el laboratorio fundiendo una mezcla de ó'ido de cromo )FFF* y carbonato de potasio en el aire.
/
(ambi+n se produce %aciendo reaccionar carbonato de potasio con dicromato de potasio -"3 (s) / - "r "0 (s) 1 " - "r2 (s) / " (g)
&n gran escala se obtiene tostando una mezcla de crómita! finamente dividida! carbonato de potasio y caliza. La caliza se a2ade para %acer la masa porosa y accesible al o'geno del aire
Fe(r" )" (s) / - "3 (s) /0 " 1 " Fe "3 (s) / - "r2 (s) / " (g)
1
Las cenizas formadas por la tostación se tratan con disolución muy caliente de sulfato de potasio para convertir en sulfato de calcio insoluble todo el cromato de calcio que %aya podido formarse ar2 (s) / -"42 (ac) 1 -"r2 (ac) / a42 (s)
La masa se li'ivia luego con agua para disolver el cromato de potasio! nico componente soluble en la mezcla. La sal se recupera en forma de cristales rómbicos de color amarillo p#lido.
3.1) ropiedades fsico,u%micas del cromato de potasio /10
9stado *%sico a 2):C; !ólido Color; cristalino< amarillo limón Olor; Inodoro p=; (<( unto de *usión /:C0; >2'1<-)2 :C unto de ebullición /:C0; >2'1<('' :C resión de vapor< 2):C; ?. . +ensidad relativa al a5ua; ?.+ !olubilidad #3' 5@l a 2) :C en a5ua 1#
A%mites de eplosión > In*erior /B0 ; ?.. A%mites de eplosión > !uperior /B0; ?.. eso &olecular; 1-4.21 5@mol 3.11 plicaciones del cromato de potasio
9n la industria del cuero utilizado como a5entes curtientes. !e utiliza como un componente de un desen5rase ,u%mico especial electrolito. 9n un a5ente de blan,ueo para la cera " el aceite. 9n la s%ntesis or5nica como un oidante< tal como la producción de colorantes. 9n la medicina< ,ue se utiliza como un remedio Domeoptico.
4. materiales " reactivos 4.1 eactivos
Solución de cromato de potasio
4.2 &ateriales " e,uipos
;asos de precipitación de /5E ml pyre' 9ipeta de 1E ml pyre' 9robeta de 1E ml pyre' (ermómetro de mercurio [E35E] M<
. rocedimiento eperimental 1'
Se empleó agua destilada para disolver el cromato de potasio. Se colocó un cierto volumen de la solución de cromato de potasio a
cristalizar en un vaso de precipitación. Se calentó la mezcla anterior %asta
la ebullición del disolvente!
utilizando para ello una cocina el+ctrica.
disolución completa del sólidos. Se eliminó las impurezas insolubles filtrando la disolución en caliente
por gravedad utilizando un embudo cónico y un filtro de pliegues. &l filtrado se recogió en un deposito se de$ó que la disolución se enfri+
lentamente %asta alcanze
la temperatura ambiente y se formen los
cristales. (ambi+n se enfrió la disolución en un ba2o de %ielo.
1(
voluen de solución uestra
k 2 Cr O4
tiepo de
teperatura de
calentaiento(in)
calentaiento(5)
*todo (l)
evaporación del 6
4E
/5
75
disolvente enfriamiento lento evaporación del
"
3E
34
7/
disolvente enfriamiento lento evaporación del
3
15
3B
=E
disolvente enfriamiento lento evaporación del
2
4E
3=
75
disolvente N enfriamiento lento evaporación del
7
4E
4E
=E
disolvente N enfriamiento brusco evaporación de
8
=E
/E
CE
disolvente enfriamiento lento evaporación de
0
5E
4E
7E
disolvente N enfriamiento lento evaporación del
BE
3B
C/
disolvente N enfriamiento lento evaporación del
9
5E
3C
BE
disolvente enfriamiento lento evaporación del
6
1EE
3E
BC
disolvente N enfriamiento lento
#. resultados
1-
'. discusión de resultados
la presión a la cual se llevó a cabo el proceso de cristalización fue a 1
atm. 9ara las 1E muestras se llevó acabo la cristalización por el m+todo de evaporación del disolvente lo cual fue sencillo
en el
laboratorio para. &n general para la 1E muestras la agitación tuvo muc%o que ver en proceso
de realizarlo
de cristalización
ya que
fue importante
para disolver
completos la partculas de solido la temperatura influyo en los cristales de cromato de potasio
por
obtenidos
en las muestras ya que no fueron muy definidos.
(. Conclusión Las condiciones óptimas determinadas a escala de laboratorio fueron
9resión 1atm ;olumen de solución de cromato de potasio BEml (iempo de calentamiento 3B min (emperatura de cristalización C/M< >+todo de cristalización evaporación del disolvente enfriamiento lento Iormas del cristal no bien definido
2)
-. recomendaciones
Las sustancias que tengan una gran cantidad de impurezas a menudo no cristalizan. &n ese caso es necesario emplear alguna t+cnica de purificación
preliminar. La elección del disolvente no es un proceso siempre f#cil! pero en general se suele seguir la regla de que Aseme$ante disuelve a seme$anteA. 9or ello! para la cristalización de una sustancia poco polar podramos intentar la cristalización con un disolvente poco polar! como %e'ano o tolueno. Se puede intentar cristalizar compuestos polares con disolventes polares!
como el etanol o el agua.
1). iblio5ra*%a [1] A. VIAN, J. OCON, “Elementos de Ingeniería Química, !rimera Edici"n, Editorial 21
Aguilar, 1#$%, &. '#$ [%] (I)( )., “Enciclo&edia de *ecnología Química, !rimera Edici"n, *omo III, Editorial +is&anoamericana, 1##-, &. /[] I0id 12, &. /3 [3] A. VIAN, J. OCON, “Elementos de Ingeniería Química, !rimera Edici"n, Editorial Aguilar, 1#$%, &. '#$ [$] 4c CA5E 64I*+ +A))IO*, “O&eraciones 7nitarias en Ingeniería Química, Cuarta Edici"n, Editorial 4c 8ra9 +ill, 1#--, &. #/ ['] I0id 1'2, &. #/3 [/] (I)( )., “Enciclo&edia de *ecnología Química, !rimera Edici"n, *omo III, Editorial +is&anoamericana, 1##-, &. #%/ [-] 8EAN(O!:I6 C., “!rocesos de *rans&orte ; O&eraciones 7nitarias, *ercera Edici"n, Editorial Continental, 1##-, &. -%% [#] (I)( )., “Enciclo&edia de *ecnología Química, !rimera Edici"n, *omo III, Editorial +is&anoamericana, 1##-, &. #3 [1<] CO)NE:I6 (., CO)NE:I76 +, “4anual de 4ineralogía, Cuarta Edici"n, Editorial )e=ert>, 1##', &.1# [11] I0id %/2, &. 1# [1%] (NI8+* C+., “Cristali?aci"n de :í@uidos 6o0reenriados !rimera Edici"n, Editorial )e=ert>, 1#'#, &.#< [1]Btt&DD999.laBistoriaconma&as.comDBistoriaDBistoria%Ddenicion decromatode&otasioo&otasicoD [13] Btt&DD999.ecured.cuDCromatoFdeF&otasio [1$]Btt&DD&ortales.&uG.edu.coDdoc@uimicaDdsla0@ca
dianaBermitBD(%CrO3.&d 22
11. aneos
Fi5ura 3; cromato de potasio
Fi5ura 4; !olución de cromato de potasio
23
HIA8)A4A HE 5:OQ7E6 HE: !)OCE6O HE C)I6*A:IACION HE: C)O4A*O HE !O*A6IO E2CrO4 E2CrO4
&9GCA+O
9O+O
=2O
CI!$AIG CIO?
FIA$+O +9 AO!
9?FI+O
FIA$CIO ?
A+O
!9C+O
24
2
1
2
1
