Producción de nitrato potásico.docx

Introducción Antiguamente el nitrato de potasio era obtenido donde se mezclaba toda clase de desechos animales con escombros y cenizas vegetales y eran regados con agua de los estercoleros o con orina. De vez en cuando se raspaba la capa exterior y e lixiviaba el  producto con agua. agua. En India en cambio se ha observado observado que algunas plantas plantas de hojas filiformes contienen gran cantidad de esta sal. O!E"I#O$ Objetivos %enerales Obtener un nitrato de potasio mediante una s&ntesis para lo cual buscaremos el  procedimiento donde donde se obtenga el mayor aprovechamiento aprovechamiento de este. este. $abiendo que las reacciones para su obtenci'n pueden ser complejas o simples. Objetivo Espec&ficos (a aplicaci'n del nitrato de potasio en su uso industrial o agr&cola teniendo en cuenta su estado de pureza mediante los c)lculos de la reacci'n comprobando as& su efectividad. Determinar algunas de sus propiedades del nitrato de potasio obtenido en el laboratorio

Planteamiento del problema (a obtenci'n de nitrato de potasio en el laboratorio se puede dar de varias reacciones *  pero muchas no solo se obtiene obtiene solo est+ sino otros compuestos compuestos por ello su s&ntesis s&ntesis ser) m)s complicado aunque se puede buscar reacciones simples. "eniendo "eniendo siempre  presente que se quiere obtener obtener el mayor porcentaje de pureza. $u aplicaci'n del nitrato de potasio va de la mano con su obtenci'n pues esta ser) la materia prima en su uso como en fuegos pirot+cnico* agricultura. Donde se efectuara con cuidado en el uso p'lvora ya que es peligroso su manejo ,por ello se usara cantidades m&nimas- y en la agr&cola.

Aspecto Teórico Nitrato Potásico Propiedades El nitrato pot)sico ,/O0- es un producto cristalino* total y r)pidamente soluble en agua* a 1234 cristaliza en forma de cristales ortorr'mbicos sin color. Ocasionalmente se presenta en la naturaleza en estado puro en dep'sitos de sales* pero normalmente se encuentra en forma de sales dobles minerales* en combinaci'n con nitratos de calcio* magnesio y sodio. (a solubilidad del nitrato pot)sico se muestra en la tabla siguiente5 " 6 76 16 06 86 26 $olubilida d 70*0 16*< 07*9 82*; 90*< ;2*2

96

:6

;6

<6

766

776

70;

79<

161

189

"abla 1.9. $olubilidad del nitrato pot)sico en agua ,g /O 0=766 g >1O-

Algunas propiedades del nitrato pot)sico son5 Propiedad

Valor

?asa molecular @unto de fusi'n $istema cristalino y tipo ndices de refracci'n Densidad 4alor espec&fico* 4 @ Entalp&a formaci'n est)ndar* D> f 6  p> soluci'n acuosa neutra

767.7 008 64 Ortorr'mbico D1h79 naB 7.002* n bB 7.2629* n dB 7.2698 1.76< g=cm0 <9.09 ! C g 7 C  7 8<1.; !=mol :

"abla 1.:. @ropiedades del nitrato pot)sico

El t+cnico y la mayor&a del fertilizante se venden como producto cristalino fino con una densidad de 7.7 g=l $e pueden tratar con aminas grasas o esteroatos para evitar el apelmazamiento.

Especificaciones de calidad (as especificaciones de calidad del nitrato pot)sico dependen de su grado* que puede ser5

•

%rado agr&cola

•

%rado industrial

Nitrato potásico – Grado agrícola

Aproximadamente el :2 del nitrato pot)sico se manufactura con una pureza del <6  para su uso como fertilizante. (a ausencia de cloro es una ventaja para las plantaciones de frutas c&tricas y tabaco* tambi+n se usa en la producci'n de fertilizantes l&quidos y es un importante constituyente de los fertilizantes multinutrientes. El nitrato pot)sico es la fuente m)s usada de potasio en fertirrigaci'n* estando su consumo muy generalizado en todo tipo de cultivos* tanto anuales como permanentes. El producto al ser aplicado no deja ningFn residuo* aportando solo elementos Ftiles* pues es soluble en su totalidad. Al aportar el nitr'geno en forma n&trica* no retenida por el suelo* su reparto es muy homog+neo. Gorma de aplicaci'n5 $e prepara una soluci'n madre* a partir de la cual se incorpora en el agua de riego. El nitrato pot)sico Hsos m)s frecuentes5 El nitrato pot)sico es la fuente m)s usada de  potasio en fertirrigaci'n* estando su consumo muy generalizado en todo tipo de cultivos* tanto anuales como permanentes. El producto al ser aplicado no deja ningFn residuo* aportando solo elementos Ftiles* pues es soluble en su totalidad ,766 -* en la  proporci'n que ya se ha indicado. >ay que tener precauci'n ya que por su composici'n y caracter&sticas* cuando se aporta en el agua de riego sube sensiblemente su p>. Al aportar el nitr'geno en forma n&trica* no retenida por el suelo* su reparto en el bulbo es muy homog+neo. poca de aplicaci'n5 A lo largo del ciclo del cultivo* en aplicaciones lo m)s fraccionadas posibles* repartiendo la dosis total en funci'n de la curva de necesidades del cultivo. Gorma de aplicaci'n5 $e prepara una soluci'n madre* a partir de la cual se incorpora en el agua de riego. Dosificaci'n5 (a dosis total puede variar en funci'n de los cultivos* entre m)rgenes muy amplios* de acuerdo con sus necesidades y las producciones esperadas. $u concentraci'n m)s id'nea en el agua de riego debe oscilar entre 6*1 y 6*; g=litro en base a su incidencia en la calidad del agua* pudiendo llegar a 7 g=litro* siempre que las aguas sean de muy buena calidad. (as especificaciones de calidad del nitrato pot)sico de grado agr&cola son5 Clasificación

Tamao !mm"

%ranular

7.1 J 0.2

?edio Est)ndar

6.; J 1.6 6.1 J 6.;

Otros ,soluble* especial std*

K 6.1

Aplicación

?ezclas a granel con otros fert. granulados Gertilizantes de un nutriente Gertilizantes multinutriente granulado Gertilizantes en

fino especial-

suspensi'nGertilizantes l&quidos

"abla 1. ; @ropiedades f&sicas del cloruro am'nico. Nitrato potásico – Grado industrial

El 12 de la producci'n de nitrato pot)sico es de grado t+cnico* de una pureza m&nima del <<* del cual pr)cticamente el 26 es empleado en la metalurgia* principalmente en los baLos de transferencia de calor* entre el 76 y 16 es consumido en fabricaci'n de material pirot+cnico y explosivos* otra parte es consumida por la industria del vidrio y la cer)mica.

Almacena#e El almacenaje se hace en bolsas de pl)stico y de papel multicapa* hay que tener  precauciones en el almacenaje ya que el nitrato pot)sico es un poderoso oxidante. >a de almacenarse en recintos cerrados* bien ventilados y con ambiente seco* donde la temperatura no debe ser elevada. El producto debe mantenerse aislado* fuera de la luz solar* lejos de fuentes de calor. Envasado y palatizado* las pilas no ser)n superiores a 18 sacos ,0 alturas-* debi+ndose dejar pasillos de 7m entre ellas. Deben cumplirse en todos los casos el M.D. 782=7<;< ,.O.E. 70=1=;<- sobre Meglamento /acional de Admisi'n* ?anipulaci'n y Almacenamiento en @uertos y los Meales Decretos ;;9=;; ,.O.E. 2 de Agosto de 7<;;- y <;1=7<<; ,.O.E. 18 julio 7<<;- sobre prevenci'n de accidentes mayores en determinadas actividades industriales.

Producción de nitrato potásico Durante los siglos XVII-XIX en Europa se producía nitrato potásico por vía bacteriana para evitar su importación. Se mezclaban heces con orina en tierras permeables al aire  se a!adía cal  potasa" despu#s de unos a!os se lavaba la tierra con $ %&  se trataban las aguas madres con potasa para convertir el 'a()& *+%  ,g()&*+% en )&*  en carbonatos de calcio  magnesio" los cuales precipitaban debido a su baa solubilidad en el agua" depuse de la evaporación de las aguas madres se obtenía el )& *. E/cepto por la pe0ue!a salida de depósitos 0ue aun se trabaan en la India  la producción de )itro de 'hile (el cual contiene solamente %1 o *12 de nitrato potásico+" la 3nica 4uente de nitrato potásico durante los 3ltimos 511 a!os ha sido la producción sint#tica

Estas son las materias primas conocidas para la producción de nitrato potásico6 •

'loruro potásico  nitrato sódico.

•

'loruro potásico  nitrato amónico.

•

'loruro potásico  ácido nítrico" con producción de 'l %.

•

'loruro potásico  ácido nítrico" sin producción de 'l %.

•

'loruro potásico  nitrato cálcico.

7 continuación se describen brevemente los distintos procesos de 4abricación del nitrato potásico a partir de las materias primas mencionadas anteriormente. Cloruro potásico y nitrato sódico Desde mediados del siglo XIX hasta los a!os 81" la conversión de nitro de chile con cloruro potásico era el proceso de producción más importante para la obtención de nitrato potásico. El cloruro potásico era suministrado en grandes cantidades por la industria alemana a partir de 59:1. ;a reacción por la 0ue se obtenía el nitrato potásico es la 0ue se muestra a continuación6 NaNO3 + KCl

KNO3 + NaCl

El proceso de separación de los productos de reacción se basa en el pe0ue!o incremento de la solubilidad del )a'l con la temperatura. El nitrato sódico  el cloruro potásico no reaccionan en 4río"  son mas 4ácilmente solubles 0ue el nitrato potásico< pero en cuanto se calientan hasta ebullición se 4orma nitrato potásico  cloruro sódico" poni#ndose entonces de mani=esto la di4erencia de solubilidad 0ue a esa temperatura e/iste entre las dos sales. ;a solubilidad del nitro crece a medida 0ue aumenta la temperatura. Se separa por lo tanto" por evaporación" mientras 0ue de las aguas madres clari=cadas cristaliza el nitrato potásico por en4riamiento. El nitro de chile 0ue se empleaba tiene" por termino medio" una ri0ueza del >:2  de 5 a 5"82 de cloruro sódico< el resto lo constitue la humedad. ;a ri0ueza del cloruro sódico es del >1 a >%2" pues el producto mas re=nado (del >92+ es demasiado caro para este proceso de 4abricación. Cloruro potásico y nitrato amónico El nitrato potásico se obtiene del nitrato amónico  del cloruro potásico por una doble descomposición en disolución acuosa.

;a reacción" 0ue tiene lugar a una temperatura ligeramente superior a :1?'" es la siguiente6 NH4NO3 + KCl

KNO3 + NH4Cl

El cloruro amónico obtenido como subproducto en la reacción de 4ormación del nitrato potasio es 4ácilmente separable" mediante cristalización por en4riamiento a *1?'  centri4ugación posterior. El proceso utiliza dos reactores  las materias primas son a!adidas en etapas alternativas. El cloruro amónico precipita a una temperatura maor  a partir de una concentración maor 0ue el nitrato potásico. @or lo tanto la evaporación realiza antes 0ue la cristalización del cloruro amonio" siendo el condensado cristalizado antes de producirse la cristalización del nitrato potásico. El producto obtenido mediante este proceso tiene un porcentae del >82 en pesote nitrato potasio  un 82 de nitrato amónico. Cloruro potásico y ácido nítrico sin formación de Cl 2 ;a reacción de4ormación del nitrato potásico tiene lugar en una disolución acuosa con un 812 de ácido nítrico. ;a reacción 0ue tiene lugar es6 HNO3 + KCl

KNO3 + HCl

;a reacción tiene lugar sin la o/idación del ión cloruro a cloro si la reacción ocurre por debao de A1B'" o bien por debao de C1B' con un porcentae en ácido nítrico del A12. E/isten di4erentes opciones de dise!o 0ue son 3tiles para llevar a cabo este proceso6 •

Eliminación del $'l por absorción.

•

,ediante intercambio de cationes.

•

Disminución de la solubilidad del nitrato potásico por la adición de un alcohol.

Solo la 3ltima opción ha sido desarrollada a gran escala" mediante el proceso I,I (Israel ,ining Industr+" el cual se describe a continuación6 El cloruro potásico sólido reacciona con el ácido nítrico a una temperatura comprendida entre 8-51 '" en presencia de un disolvente orgánico (nbutanol o isopentanol+. Se separan las 4ases en un decantador  de la 4ase orgánica se e/trae el cloruro de hidrógeno" el nitrato potásico se precipita cuantitativamente desde la 4ase acuosa posteriormente es centri4ugado  lavado con agua. ;a ventaa de la digestión a baa temperatura es 0ue el cloruro de hidrógeno es e/traído del disolvente orgánico de 4orma pre4erente respecto al ácido

nítrico. ;a 4ase orgánica se lleva a una columna de e/tracción li0uidoli0uido" introduciendo agua pura por cabezas. En la 4ase acuosa obtenida el cloruro de hidrógeno se separa del alcohol en un evaporador multietapa dando una disolución acuosa al %%2 de $'l. Despu#s de la e/tracción" el alcohol" 0ue contiene ácido nítrico" se recircula al reactor de conversión. ;a pureza del producto (>82+ es su=ciente para el uso como 4ertilizante< la recristalización es necesaria para alcanzar el grado t#cnico. Cloruro potásico y ácido nítrico con formación de Cl 2 5- El cloruro potásico reacciona con ácido nítrico al :82 en un reactor de autoclave a C8 '  %11 @a obteniendo nitrato potásico cloro  )&'l. 4HNO3 + 3KCl

3KNO3 + Cl2 + NOCl + 2H 2O

%- El )&'l se o/ida con ácido nítrico al 912 para obtener 'l %  dió/ido de hidrógeno. NOCl + 2HNO3

 0.5Cl2 + NO2 + H2O

*- El dió/ido de nitrógeno se o/ida con o/ígeno  se absorbe agua para obtener ácido nítrico al :82" el cual es recircula a la etapa de conversión de cloruro potásico. 4NO2 + O2 + H2O

HNO3

A- ;a disolución de nitrato potásico  ácido nítrico se concentra a mas del 912 de ácido nítrico por cristalización de nitrato potásico en un cristalizador a vacío. El ácido nítrico puede obtenerse en una concentración del C8 al 912 por0ue la concentración del azeotropo en el sistema $)& *$%& a 91 @a aumenta al 9%2 de ácido nítrico si la 4ase li0uida contiene el A12 de nitrato potásico  al 9C2 de ácido nítrico en 812 de nitrato potásico. 8- El nitrato potásico es centri4ugado" secado" 4undido a *A1-*81 '  sometido a un proceso de prilling. Cloruro potásico y nitrato cálcico Este proceso no ha sido llevado a cabo industrialmente" pero e/iste una patente de una instalación piloto para la obtención del nitrato potásico partiendo de nitrato potásico" el cual es obtenido como subproducto del proceso &dda" en el cual se lleva a cabo la obtención de ácido 4os4orito a partir de la digestión de la roca 4os4órica con ácido nítrico. El nitrato cálcico reacciona con el cloruro potásico dando el producto deseado  cloruro cálcico como subproducto. @ara separar el nitrato potásico del resto de la disolución se le va a someter a un proceso de cristalización mediante en4riamiento. Debido al rendimiento por paso de cristalización" es necesario recuperar los iones  F  )&*- 0ue no han cristalizado  han 0uedado en la disolución. @ara

ello se a!adirá hidró/ido de calcio a las aguas madres" provocando la precipitación en 4orma de cristales de una sal denominada o/icloruro de calcio.. ;os cristales de o/icloruro de calcio son separados de sus aguas madres" las cuales 4orman las corrientes principales de recirculación del proceso. @or 3ltimo se procede a la descomposición de los cristales de o/icloruro de calcio" con el =n de recuperar el hidró/ido cálcico empleado en la 4ormación del o/icloruro" el hidró/ido es recirculado al proceso.

 Gambi#n se pude obtener por6 ;a reacción de hidró/ido de potasio por ácido nítrico el cual se obtendrá el nitrato de potasio  agua 0ue se puede evaporar para tener solo nitrato de potasio siendo el m#todo más simple 0ue los anteriores .7un0ue tal vez el más adecuado para su e4ectividad de su aplicación.  Reacción

O> N >/O0B /O0 N>1O

Aplicación del nitrato de potasio Pólvora (a p'lvora es una sustancia de flagrante utilizada principalmente como propulsor de  proyectiles en las armas de fuego y con fines acFsticos en los fuegos pirot+cnicos. (a p'lvora fabricada es la denominada p'lvora negra* que est) compuesta de determinadas proporciones de carb'n* azufre y nitrato de potasio. (a m)s popular tiene :2  de nitrato de potasio* 72  de carbono y 76  de azufre ,porcentajes en masa=masa-. Actualmente se utiliza en pirotecnia y como @ropelente de proyectiles en armas antiguas. (as modernas p'lvoras ,sin humo- est)n basadas en materiales energ+ticos* principalmente nitrocelulosa ,monob)sicas- y nitrocelulosa m)s nitroglicerina ,bib)sicas-. u&micamente* el carb'n y el azufre arden gracias al nitrato pot)sico* que es el comburente* pues suministra el ox&geno para la combusti'n

$sos de la pól%ora Desde la invenci'n de la p'lvora* esta se utiliza hoy en d&a como se utilizaba en 4hina* en la creaci'n de fuegos artificiales pero adem)s de eso tambi+n tiene diferentes usos como5

•

4reaci'n de armas de fuego5 las primeras armas como los caLones eran bastante simples consist&an en un caL'n con un extremo cerrado y otro abierto en la cual se encontraba la p'lvora y la bala* atraves de una mecha al final del caL'n se encend&a una chispa que en reacci'n con la p'lvora crea un efecto de expansi'n que hace que la bala salga a gran velocidad por el extremo abierto.

(as p'lvoras modernas se basan en explosivos como el "/" que con diversos elementos* que con distintas sustancias reduce la velocidad de combusti'n a fin de lograr un efecto de propelente de proyectil en armas antiguas. •

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Explosivos en minas5 en las minas la p'lvora es muy Ftil ya que con ella es  posible hacer explotar las rocas mediante artefactos llamados barreros que son agujeros rellenos de p'lvora. Gines acFsticos o lFdicos5 tambi+n llamados pirotecnia estos dispositivos tienen efectos visuales y sonoros* adem)s de contener explosiones controladas generalmente se utiliza en fechas importantes como festividades* cumpleaLos etc.