UNIVERSIDAD NACIONAL DE TRUJILLO FACULTAD DE INGENIERÍA QUÍMICA
ESCUELA DE INGENIERÍA QUÍMICA “CRISTALIZACIÓN DEL SULFATO DE COBRE”
CURSO
:
PROCESOS INDUSTRIALES INORGÁNICOS
DOCENTE
:
CHU ESQUERRE TERESA
ALUMNOS
:
GARCÍA MIRANDA JOSEPH MARAVÍ ALVARADO MELISSA ANDRADE FOGNOLI DANNY
CICLO
:
VII
Trujillo – Perú 2017
INFORME DE LABORATORIO DE CRISTALIZACIÓN DEL SULFATO DE COBRE (CuSO4) OBJETIVOS: Obtención de cristales de sulfato de cobre bien formados para su posterior observación.
1. INTRODUCCIÓN Los cristales, debido a sus formas regulares, y en ocasiones también a su gran belleza, han atraído la atención del hombre desde los tiempos remotos. El conocimiento de los cristales se inició a través del estudio de su composición mineralógica y de su estructura cristalográfica. Así, las bases científicas de la cristalografía fueron establecidas por Bravais en el siglo XIX. Sin embargo, el proceso de formación del cristal se ignoró durante mucho más tiempo y, aunque los primeros conocimientos sobre el tema datan del siglo XIX, cuando científicos como Lowitz, Marc, Ostwald, Gibbs y otros realizaron trabajos pioneros, el auténtico desarrollo del conocimiento sobre esta materia no tuvo lugar hasta mediados del siglo XX, publicándose en la actualidad aproximadamente unos 2000 trabajos/año que tratan sobre todas las ramas de la cristalización. Este interés no es sorprendente, ya que la cristalización representa un proceso vital en muchas ramas de la industria contemporánea (química, farmacéutica, biotecnológica, electrónica) asi como en la ciencia (química, química analítica, bioquímica, química biomédica, etc). A pesar de este interés, la cristalización aún se considera en la actualidad como una ciencia y un arte. Esto es debido a la transición de fases liquido/solido que la cristalización supone. Este tipo de transición aún no se conoce totalmente, y la química física la describe insuficientemente, al contrario de lo que ocurre con las transiciones gas/liquido. La cristalización se puede dividir en muchos subgrupos, tales como preparación de cristales individuales (monocristales), cristalización en masa, producción de capas delgadas, cristalización de azucares, solidificación de metales, biomineralización, etc. Sin embargo, todos ellos están gobernados por los mismos principios y procesos (nucleación, crecimiento cristalino, cambios secundarios), que son básicamente idénticos. (1) Grases Freixedas F; Costa Bauza A; Söhnel . Cristalización en Disolución: Conceptos Básicos. Editorial Reverte. Año 2000.
El sulfato de cobre es la sal que se obtiene mediante la oxidación de metal de cobre con ácido sulfúrico. Cu (s) + H2SO4 (aq) -------> CuSO4 (aq.) + H2(g) CuSO4(s) --------------------> Cu2+ + SO4-2
El sulfato de cobre se emplea hidratado como sulfato de cobre (II) 5hidratos(pentahidratado), sobretodo en la agricultura, como fitosanitario. El sulfato de cobre, tiene una tonalidad azul clara característica que se volverá más oscura con la concentración. Al calentar esta sustancia por encima de 100º esta se volverá de color blanco, ya que pierde las moléculas de hidratación. El sulfato de cobre, forma unos cristales triclínicos característicos muy similares a los de un romboedro. (2) Extraído de: https://rinconciencia.wordpress.com/2011/02/27/cristales-de-sulfato-decobre/.(29/06/2017)
2. FUNDAMENTO TEORICO: 2.1 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 centros 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. (3) Extraído de:https://es.scribd.com/doc/147708206/Cristalizacion-Del-Sulfatode-Cobre. (28/06/2017)
2.2 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. 2.2.1 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 sí 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. 2.2.2 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. (4) Extraído de: https://es.scribd.com/doc/147708206/Cristalizacion-Del-Sulfato-de-Cobre. (28/06/17)
2.3 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. (5) Extraído de: https://es.scribd.com/doc/147708206/Cristalizacion-Del-Sulfato-de-Cobre. (28/06/17).
2.4 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. (6) Extraído de: https://es.scribd.com/doc/147708206/Cristalizacion-Del-Sulfato-de-Cobre. (28/06/17).
2.5 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 suspende el escogido en la disolución, con un hilo delgado.
se cristal atado
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”) (7) Extraído de: https://es.scribd.com/doc/147708206/Cristalizacion-Del-Sulfato-de-Cobre. (28/06/17).
2.6. 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). (8) Extraído de https://es.scribd.com/doc/147708206/Cristalizacion-Del-Sulfato-de-Cobre. (28/06/17)
2.7 TÉCNICAS DE CRISTALIZACIÓN: Las técnicas más utilizadas incluyen la evaporación del disolvente; Enfriamiento lento de la solución, difusión disolvente / no disolvente, difusión de vapor y sublimación y muchas variaciones sobre estos temas. La elección de la técnica puede ser dictada por la cantidad de muestra.
2.7.1 Evaporación del disolvente Esta es la técnica más simple para las muestras estables al aire. Se prepara una solución casi saturada en un disolvente adecuado. La muestra puede entonces dejarse en un vial de muestra que tiene una tapa perforada. El tamaño de las perforaciones es una variable experimental que depende en cierta medida de la volatilidad de la muestra. Es deseable inclinar el tubo de modo que algunos de los cristales crezcan en el lado del tubo. Esto facilita la eliminación más fácil de los cristales delicados sin daños. Otras variaciones de este método son transferir parte de la solución a un plato de cristalización y cubrir con papel aluminio perforado, o atrapar parte del disolvente entre los portaobjetos de microscopio. (9) Extraído de: http://web.mit.edu/xray/cystallize.html. (28/06/17).
2.7.2
Enfriamiento lento
Esto es bueno para sistemas solutodisolvente menos solubles en los que el punto de ebullición del disolvente está en el intervalo de 30 a 90ºC. Preparar una solución saturada donde el disolvente se calienta justo por debajo del punto de ebullición. Transferir la solución a un tubo taponado y este tubo a un Dewar que contiene agua a una temperatura también justo por debajo del punto de ebullición del disolvente (estar muy seguro de que esta temperatura está por debajo del punto de ebullición). El nivel de agua debe exceder el nivel de disolvente, pero estar por debajo del tapón. El Dewar debe ser tapado y dejado por varios días. Ambas técnicas anteriores PUEDEN ser mejoradas usando mezclas de disolventes. Pueden formarse mejores cristales o inducirse cuando no se formaron ninguno a partir de soluciones disolventes individuales. El método también se puede usar para adaptar la forma cristalina. Las agujas muy finas o las placas extremadamente delgadas proporcionan datos de difracción deficientes. La variación de la composición del disolvente puede inhibir o promover el crecimiento de caras cristalinas particulares y, por lo tanto, producir cristales de morfología adecuada. (10) Extraído de: http://web.mit.edu/x-ray/cystallize.html. (28/06/17).
2.7.3
Difusión
de disolventes
Este método es aplicable a cantidades de mg de muestra que son sensibles al aire y / o al solvente. Se coloca una solución en un tubo de muestra, después se derrama cuidadosamente un segundo disolvente menos denso por el lado del tubo usando una pipeta o una jeringa para formar una capa discreta. Una buena combinación de disolventes es CH2Cl2 / EtOH siempre que la muestra esté casi insoluble en el éter. Los cristales se forman en el límite donde los disolventes difunden lentamente. (11) Extraído de: http://web.mit.edu/x-ray/cystallize.html. (28/06/17).
2.7.4 Difusión
de vapor
Este método es similar al método anterior y también es aplicable a las cantidades de mg de muestra. En este caso, se coloca una solución de la muestra contenida en un tubo de muestra pequeño en un tubo más grande que contiene un segundo disolvente menos eficiente y este tubo se sella a continuación. El método funciona mejor si el disolvente de disolución es el menos volátil y por lo tanto predominantemente el segundo disolvente se difunde en la solución de muestra. (12) Extraído de: http://web.mit.edu/x-ray/cystallize.html.(28/06/17).
2.7.5 Sublimación de vacío Un gran número de compuestos pueden sublimarse para formar excelentes cristales. Existen numerosas variaciones de este método utilizando vacío estático o dinámico. Una pequeña cantidad de muestra sellada al vacío en un tubo Pyrex puede someterse a un gradiente de temperatura de cualquier número de maneras. Un método simple que a menudo tiene éxito es poner el tubo en un horno caliente. El pequeño gradiente de temperatura puede ser suficiente para producir cristales en horas o posiblemente semanas dependiendo de la volatilidad de la muestra y la calidad del vacío. El vacío dinámico funciona mejor para muestras menos volátiles. La sublimación por vacío es ideal para compuestos muy sensibles al aire ya que los tubos pueden cargarse en cajas secas. (13) Extraído de: http://web.mit.edu/x-ray/cystallize.html.(28/06/17). 2.7.6 Convección Aunque la convección tanto exótica puede ser un buen método para hacer crecer cristales de alta calidad. La generación de un gradiente de temperatura en el recipiente de cristalización ya sea por parte de enfriamiento o calentamiento de la misma conduce a un flujo lento y constante dentro de la fase líquida. La idea es que más sustancia se disuelve en la parte más caliente del recipiente, se desplaza a la región más fría donde empieza a cristalizar. Los cristales se mueven con la corriente, trvelling a la zona de sirena, donde totlly o parcialmente disuelven. Los disuelven sólo parcialmente crecerán más grandes en su próximo viaje de caliente a fría y volver a cálido. Varios cientos de rondas puede hacer para una muy buena calidad de cristal de difracción. La velocidad de la embarcación es proporcional a la gradiend de calor, que no debe ser demasiado grande, demasiado rápida como la convección no dejar tiempo suficiente para la nucleación. Imitando la construcción de David Watkin (Watkin, DJ, . J. Appl Cryst (1972), 5 , 250.), Chuck Barnes le ocurrió la siguiente idea: "Corte la punta de una pipeta Pasteur aproximadamente un cm por encima del principio de la parte estrecha, y luego sellado térmico el extremo pequeño, se obtiene un buen vial gradiente térmico barato. Coloque una lechada de su material en un disolvente relativamente pobre en el vial y se centrifuga para empacar el material sin disolver en la punta. Después de centrifugar, se tener un pellet de sólido (~ 5 mm) en la punta, cubierto por limpio "pobre" disolvente. Sellar el vial con cinta de teflón y
Parafilm. hago el calentador desde el pequeño cilindro resistencias de cerámica en forma de que suelen estar disponibles en la tienda de electrónica. he encontrado algunos de los verdes de 100 ohmios que son un buen tamaño. Place sólo la punta del vial con el sedimento sólido en el calentador, con el vial a ~ 45 grados de la vertical. Aplique el voltaje para conseguir tal vez 50 C en la resistencia, y que tengas un buen gradiente térmico hasta el vial. Con suerte, se obtiene cristales g remar hasta el vial. Parece importante asegurarse de que otros y tiene un gradiente térmico agradable hasta el vial. Con suerte, se obtiene cristales crecer el vial. Parece importante asegurarse de que todo el material amorfo se embala abajo ... sin polvo donde desea que los cristales crezcan. "Chuck añade sobre este método," Esto me ha dado excelentes cristales a veces, y ha dado en ocasión cristales superiores (más pequeña propagación mosaico) incluso cuando estaban disponibles de evaporación cristales ". (14) Extraído de: http://web.mit.edu/x-ray/cystallize.html.(28/06/17).
2.8 IMPORTANCIA DE LA CRISTALIZACIÓN EN LA INDUSTRIA En muchos casos, el producto que sale para la venta de una planta, tiene que estar bajo la forma de cristales. Los cristales se han producido mediante diversos métodos de cristalización que van desde los más sencillos que consisten en dejar reposar recipientes que se llenan originalmente con soluciones calientes y concentradas, hasta procesos continuos rigurosamente controlados y otros con muchos pasos o etapas diseñados para proporcionar un producto que tenga uniformidad en la forma, tamaño de la partícula, contenido de humedad y pureza. Las demandas cada vez más crecientes de los clientes hacen que los cristalizadores sencillos por lotes se estén retirando del uso, ya que las especificaciones de los productos son cada vez más rígidas.
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 químico sólido, que se puede obtener a partir de soluciones relativamente impuras en un solo paso de procesamiento. En términos de los requerimientos de energía, la cristalización requiere mucho menos para la separación que lo que requiere la destilación y otros métodos de purificación utilizados comúnmente. Además, se puede realizar a temperaturas relativamente bajas y a una escala que varía desde unos cuantos gramos hasta miles de toneladas diarias. La cristalización se puede realizar a partir de un vapor, una fusión o una solución. La mayor parte de las aplicaciones industriales de la operación incluyen la cristalización a partir de soluciones. Sin embargo, la solidificación cristalina de los metales es básicamente un proceso de cristalización y se ha desarrollado gran cantidad de teoría en relación con la cristalización de los metales. La cristalización consiste en la formación de partículas sólidas en el seno de una fase homogénea. Las partículas se pueden formar en una fase gaseosa como en el caso de la nueve, mediante solidificación a partir de un líquido como en la congelación de agua para formar hielo o en la manufactura de monocristales, o bien por cristalización de soluciones líquidas. 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: 2.8.1 VENTAJAS: 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. Controlando las condiciones del proceso se obtiene un producto sólido constituido por partículas discretas de tamaño y forma adecuados para ser directamente empaquetado y vendido (el mercado actual reclama productos con propiedades específicas). Precisa menos energía para la separación que la destilación u otros métodos empleados habitualmente y puede realizarse a temperaturas relativamente bajas. 2.8.2 DESVENTAJAS: En general, ni se puede purificar más de un componente ni recuperar todo el soluto en una única etapa. Es necesario equipo adicional para retirar el soluto restante de las aguas madres. La operación implica el manejo de sólidos, con los inconvenientes tecnológicos que esto conlleva. En la práctica supone una secuencia de procesado de sólidos, que incluye equipos de cristalización junto con otros de separación sólido-líquido y de secado (ver esquema general). (15) Extraído de: http://procesosbio.wikispaces.com/Cristalizaci%C3%B3n. (29/06/17).
2.9 IMPORTANCIA DE LA CRISTALIZACIÓN ÚLTIMOS AVANCES
Dado que, en muchos casos, el producto que sale a la venta de una planta, tiene que estar bajo la forma de cristales, 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 químico sólido, que se puede obtener a partir de soluciones relativamente impuras en un solo paso de procesamiento. Los cristales se han producido mediante diversos métodos de cristalización que van desde los más sencillos que consisten en dejar reposar recipientes que se llenan originalmente con soluciones calientes y concentradas, hasta procesos continuos rigurosamente controlados y otros con muchos pasos o etapas diseñados para proporcionar un producto que tenga uniformidad en la forma, tamaño de la partícula, contenido de humedad y pureza. Las demandas cada vez más crecientes de los clientes hacen que los cristalizadores sencillos por lotes se estén retirando del uso, ya que las especificaciones de los productos son cada vez más rígidas. En términos de los requerimientos de energía, la cristalización requiere mucho menos para la separación que lo que requiere la destilación y otros métodos de purificación utilizados comúnmente. Además, se puede realizar a temperaturas relativamente bajas y a una escala que varía desde unos cuantos gramos hasta miles de toneladas diarias. La mayor parte de las aplicaciones industriales de la operación incluyen la cristalización a partir de soluciones.(16) Extraído de: http://proindusitriales.blogspot.pe/2013/05/cristalizacionlacristalizacion-es-un.html.(29/06/17).
2.10 EFECTO DE LAS IMPUREZAS La presencia de bajas concentraciones de sustancias ajenas a los cristales e impurezas juega un importante papel en la optimización de los sistemas de cristalización, tales como: Todos los materiales son impuros o contienen trazas de impurezas añadidas durante su procesamiento. Es posible influenciar la salida y el control del sistema de cristalización Cambiar las propiedades de los cristales mediante la adición de pequeñas cantidades de aditivos cuidadosamente elegidos. 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. (17) Extraído de: http://procesosbio.wikispaces.com/Cristalizaci%C3%B3n .(29/06/17)
3. MATERIAL Y MÉTODO 3.1 Materia prima: Sulfato de cobre: El Sulfato de Cobre (II), también llamado Sulfato cúprico (CuSO4), vitriolo azul, piedra azul, caparrosa azul, vitriolo romano o calcantita es un compuesto químico derivado del cobre que forma cristales azules, solubles en agua y metanol y ligeramente solubles
en alcohol y glicerina. Su forma anhídrica (CuSO4) es un polvo verde o gris-blanco pálido, mientras que la forma hidratada (CuSO4·5H2O) es azul brillante. Estado Natural El sulfato de cobre II es un compuesto químico derivado del cobre que forma cristales azules, solubles en agua y metanol y ligeramente solubles en alcohol y glicerina. Su forma anhídrica (CuSO4) es un polvo verde o gris-blanco pálido, mientras que la forma hidratada (CuSO4·5H2O) es azul brillante. 3.1.1Propiedades Físicas ApAriencia Cristales triclínicos azules trasparentes Olor: Sin Olor Gravedad Específica 15 ºC 2,28 Solubilidad en agua a 0 ºC 31,6g/100 ml de agua Punto de ebullición C a 760 mmHg 150 se descompone pH Solución 0,2 M: 4.0 3.1.2 Propiedades Químicas Reacciona violentamente con hidroxilamina, causando peligro de incendio. Reacciona con magnesio, formando gas inflamable/explosivo (hidrógeno Ataca el hierro y el zinc en presencia de agua. . La sustancia es muy tóxica para los organismos acuáticos. En la cadena alimentaria referida a los seres humanos tiene lugar bioacumulación, por ejemplo, en peces. Se aconseja firmemente impedir que el producto químico se incorpore al ambiente. 3.1.3 Vías de exposición La sustancia se puede absorber por inhalación del aerosol y por ingestión. Riesgo de inhalación La evaporación a 20°C es despreciable; sin embargo, se puede alcanzar rápidamente una concentración nociva de partículas dispersadas en el aire, especialmente en estado de polvo. Exposición de corta duración El aerosol irrita severamente los ojos y la piel, e irrita el tracto respiratorio. Corrosivo por ingestión. Si se ingiere, la sustancia puede causar efectos en sangre, riñón e hígado, dando lugar a anemia hemolítica, y a alteración en riñones e hígado. Exposición prolongada Los pulmones pueden resultar afectados por la exposición prolongada o repetida del aerosol. La sustancia puede afectar al hígado al ser ingerida. (18) Extraído de: https://www.ecured.cu/Sulfato_de_Cobre_(II).( 29/06/17)
3.2 REACTIVOS
Solución de Sulfato de cobre (procedencia: Laboratorio de procesos industriales) Agua destilada
3.3 MATERIALES DE VIDRIO Vaso de precipitado pirex de 250 ml Vaso de precipitado pirex de 100 ml
Matraz Erlenmeyer pirex de 250 ml Embudo sin vástago pirex Termómetro -10 a 360 ºC Varilla de vidrio
3.4 OTROS MATERIALES
Cocina eléctrica Balanza Papel filtro Espátula Pinzas Rejilla Pizeta Frascos pequeños de vidrio
3.5 PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL MÉTODO DE EVAPORACIÓN
Se filtra la solución propuesta para eliminar las impurezas como el sulfato de fierro (de color verde opaco). La solución tendrá un color celeste y verdoso si está muy diluida y contaminada. Luego se repartirá en pequeños volúmenes de forma ascendente (50, 75, 100, 125, 150 ml). Se verte en un vaso de precipitado la muestra medida adicionando pepitas de ebullición y se lleva al punto de ebullición del agua, eliminado así las partes del agua de la muestra (se notará en el fondo del vaso un color verde opaco que se verifica como el contaminante de la muestra). Se filtra la muestra del paso anterior y se verte en un vaso más pequeño para seguir calentándolo en una cocina eléctrica eliminando así parte del agua sobrante. Como último paso verterá la lo obtenido en un frasco a parte y lo dejamos que se enfríe a la temperatura del medio, formándose los cristales del sulfato de cobre (de color azul intenso) y de forma de sal.
MÉTODO DE ENFRIAMIENTO
Se filtra la solución para eliminar las impurezas de la materia prima, Para ayudar a q sea más rápido el método de enfriamiento en cual consiste dejar la muestra en el hielo hasta su cristalización. Evaporaremos parte del agua de la muestra por medio de un calentamiento a temperatura de ebullición del agua Filtramos la muestra del paso anterior y se procede a calentar para retirar más agua. Luego vertemos en un frasco aparte que debe estar sumergido en una olla con hielo. Y se deja hasta que forme los cristales de sulfato de cobre dando una coloración azul intenso y de forma de iceberg.
4.RESULTADOS Tabla N° 1 DETERMINACIÓN DE LA DENSIDAD, CONCENTRACIÓN Y ERROR APROXIMADO EN LA CRISTALIZACIÓN DEL SULFATO DE COBRE DE UNA SOLUCIÓN DE 500 ml POR METODO DE EVAPORACION. VOLUMEN DE LA SOLUCIÓN,
W, gr
WCALCULADO,
gr
ERROR APROXIMAD O
50 75
0.55 0.67
0.534 0.939
2.996254682 28.64749734
0.05 0.075
100 125 150 500
1.63 1.92 1.95 6.72
1.344 1.749 2.154 7.824
21.2797619 9.777015437 9.470752089 14.11042945
0.1 0.125 0.15 0.5
ml
CONCENTRACIÓN, PF(gr/mol)
mol/L 0.044056392 0.035779131
249.68
0.065283563 0.061518744 0.052066645 0.053828901
DENSIDAD , gr/ml
0.011 0.008933 333 0.0163 0.01536 0.013 0.01344
FIG 1. PESO DEL SULFATO OBTENIDO FRENTE AL VOLUMEN TRABAJADO 2.5 2
f(x) = 0.02x - 0.28 R² = 0.88
1.5
W, gr
suma
VOLUME DE LA SOLUCIÓN ,L
1 0.5 0 40
60
80
100
ml
Fuente: tabla N° 1
120
140
160
VOLUMEN DE LA SOLUCIÓN, ml 50
suma
W, gr
100
0.46 1.04
150
1.5
WCALC, gr 0.46
VOLUME DE LA SOLUCION, L 0.05
PF(gr/mol)
1.04
0.1
249.68
1.5
0.15
concentración , mol/L 0.036847164
densidad, gr/ml 0.0092
0.041653316
0.0104
0.040051266
0.01
Tabla n° 2 DETERMINACIÓN DE LA DENSIDAD, CONCENTRACIÓN Y ERROR APROXIMADO EN LA CRISTALIZACIÓN DEL SULFATO DE COBRE DE UNA SOLUCIÓN DE 500 ml POR METODO DE ENFRIAMIENTO
FIG 2. PESO DEL SULFATO OBTENIDO FRENTE AL VOLUMEN TRABAJADO 1.2 1
f(x) = 0.01x - 0.12 R² = 1
W, gr
0.8 0.6 0.4 0.2 0 40
50
60
70
80 ml
Fuente: tabla N° 2
90
100
5. DISCUSIÓN DE RESULTADOS: Elaboramos una gráfica W del CuSO4 vs el volumen trabajado, y hallamos la ecuación de nuestra gráfica, el cual asumimos que es una ecuación lineal, para así obtener el W calculado que nos debería salir, y hallamos los porcentajes de error para cada toma de volúmenes: 1. MÉTODO DE EVAPORACIÓN 1.1 50ml El error nos sale del 2.99%, este resultado es confiable, obtuvimos una buena cantidad de cristales de CuSO4, en este proceso no hubo problemas. 1.2. 75ml El error nos salió de 28.65%, este resultado nos muestra que hubo problemas al desarrollar la práctica, quizás hubo pérdidas de cristales, o la ecuación de la gráfica no es de tendencia lineal. 1.3. 100ml El error es de 21.28%, salió un poco mejor que el de 75 ml, pero aun así es un porcentaje muy elevado, aquí también no obtuvimos la cantidad de cristales deseados, hubo problemas para la obtención de estos cristales. 1.4. 125ml El error es de 9.78%, este porcentaje está mucho mejor que el de los volúmenes de 75 y 100ml, pero nos damos cuenta que hubo un pequeño déficit en la cantidad que hemos sacado de cristales, esto puede ser resultado que nuestra ecuación no es del todo lineal, y va haber un margen de error por ese detalle, también pudo haber perdidas en la muestra. 1.5. 150ml El error es del 9.47%, como en el caso anterior, quizás el error provenga de nuestra ecuación de la gráfica, o hubo pérdidas de muestra en el proceso de calentamiento o al momento de pesar. 1.6 500ml Sumando las muestras de cada volumen, y luego comparando con lo que debió salir según nuestra gráfica, hubo un error del 14.11%, hubo dificultades en obtener nuestras muestras, y por consecuencia la línea de tendencia de la gráfica no va a salir exacto.
2. POR METODO DE ENFRIAMIENTO: Por este método solo hicimos dos obtenciones de cristales, de 50 y 100 ml, por el cual no obtenemos el error porcentual de cada muestra, pero obtuvimos sus propiedades como la concentración y la densidad de las soluciones.
6. CONCLUSIONES: 6.1. METODO DE EVAPORACIÓN: 6.1.1 En la primera muestra madre de 500 ml obtuvimos sus propiedades: concentración y densidad: 1.CONCENTRACIÓN: 0.054 2. DENSIDAD: 0.01344
mol L
gr L
6.1.2 Haciendo la gráfica (W (CuSO4) vs V(ml) nuestra ecuación resulta y = 0.0162 x 0.276, asumimos una tendencia lineal de la ecuación. 6.2 METODO DE ENFRIAMIENTO: 6.2.1 En esta segunda muestra solo usamos 150 ml, el cual también hallamos la concentración y la densidad es esta solución. 1.CONCENTRACION: 0.04 2. DENSIDAD: 0.01
mol L
gr mol
6.2.2 Haciendo la gráfica (W (CuSO4) vs V(ml) nuestra ecuación resulta y = 0.0116 x 0.12, ya que solo tenemos dos datos, muestra ecuación será lineal.
7. RECOMENDACIONES 1. Cambiar el vaso de precipitado por uno limpio cuando se empiece a formar el sulfato de fierro en la base del vaso y filtrarlo para retirar algo de impurezas. 2. Corroborar la temperatura de ebullición del agua en cada cristalización realizada. 3. Vaciar la muestra en un frasco limpio y evitar raspar las superficies del vaso de precipitado ya que está cubierta de pequeñas impurezas que podrían estropear el peso final del sulfato de cobre. 4. Cuando la solución este salpicando retirarlo de la cocina eléctrica para evitar quemar la resistencia e inutilizarla.
5. Almacenar las muestras en un lugar fresco para eliminar la poca agua que está en los cristales y rotular los frascos de manera que no se confundan las muestras.
8. REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS (1) Grases Freixedas F; Costa Bauza A; Söhnel . Cristalización en Disolución: Conceptos Básicos. Editorial Reverte. Año 2000. (2) Extraído de: https://rinconciencia.wordpress.com/2011/02/27/cristales-de-sulfatode-cobre/.(29/06/2017). (3) Extraído de:https://es.scribd.com/doc/147708206/Cristalizacion-Del-Sulfato-deCobre. (28/06/2017). (4) Extraído de: https://es.scribd.com/doc/147708206/Cristalizacion-Del-Sulfato-deCobre. (28/06/17). (5) Extraído de: https://es.scribd.com/doc/147708206/Cristalizacion-Del-Sulfato-deCobre. (28/06/17). (6) Extraído de: https://es.scribd.com/doc/147708206/Cristalizacion-Del-Sulfato-deCobre. (28/06/17). (7) Extraído de: https://es.scribd.com/doc/147708206/Cristalizacion-Del-Sulfato-deCobre. (28/06/17). (8) Extraído de https://es.scribd.com/doc/147708206/Cristalizacion-Del-Sulfato-deCobre. (28/06/17). (9) Extraído de: http://web.mit.edu/x-ray/cystallize.html. (28/06/17). (10) Extraído de: http://web.mit.edu/x-ray/cystallize.html. (28/06/17). (11) Extraído de: http://web.mit.edu/x-ray/cystallize.html. (28/06/17). (12) Extraído de: http://web.mit.edu/x-ray/cystallize.html.(28/06/17). (13) Extraído de: http://web.mit.edu/x-ray/cystallize.html.(28/06/17). (14) Extraído de: http://web.mit.edu/x-ray/cystallize.html.(28/06/17). (15) Extraído de: http://procesosbio.wikispaces.com/Cristalizaci%C3%B3n. (29/06/17). (16) Extraído de: http://proindusitriales.blogspot.pe/2013/05/cristalizacionlacristalizacion-es-un.html.(29/06/17). (17) Extraído de: http://procesosbio.wikispaces.com/Cristalizaci%C3%B3n.(29/06/17). (18) Extraído de: https://www.ecured.cu/Sulfato_de_Cobre_(II).( 29/06/17).
