Cristalizacion Listo Op (1)
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UNIVERSIDAD NACIONAL MAYOR
DE SAN MARCOS
FACULTAD DE GEOLOGÍA, MINAS, METALURGIA Y CIENCIAS
GEOGRÁFICAS
DEPARTAMENTO ACADÉMICO DE INGENIERÍA METALÚRGICA
CRISTALIZACIÓN DE CU
Nombre:
Camac Roman JohanF.
Gil Medina Joel.
Pulcha Bazan Julio.
Pardo Nalvarte Luis.
Curso:
Operaciones y procesos metalúrgicos I.
Profesor Guía:
Ing. Daniel Lovera.
G
RESUMEN
La cristalización es el proceso por el cual liberamos una muestra altamente pura , a
partir de un compuesto original , para ello nosotros tenemos que tener nuestro
compuesto solido el cual va a pasar por el proceso de cristalización , lo siguiente es
ponerlo este solido en un solvente que no reaccione con el sólido , es muy preferente
ello ; lo siguiente que vamos a hacer es calentar la solución para poder separar la
impurezas de la muestra altamente pura , ello va suceder cuando estemos enfriando la
muestra , luego tenemos que filtrar ya que nuestra muestra pura va a estar diluida y
cuando filtremos la impurezas van a quedar atrapadas .
INTRODUCCIÓN
La cristalización es una técnica mediante la cual se obtienen sólidos cristalinos. Se
puede emplear para purificar sustancias, para separar mezclas, o bien para obtener
cristales grandes y bien formados.
El presente estudio abarca la cristalización del sulfato de cobre, mediante el método más
simple que existe, a través de la evaporación del mismo compuesto (en polvo) en
disolución acuosa.
Como se conoce el sulfato de cobre pentahidratado (CuSO4·5H2O) es una sal de color
azul, que en su forma anhidra (CuSO4) es blanca. Se conoce comercialmente con el
nombre de sulfato de cobre, vitriolo azul o piedra azul, y cristaliza en el sistema
triclínico. Se emplea, por su acción bactericida y alguicida, en el tratamiento del agua
para combatir las algas en depósitos y piscinas, en agricultura como desinfectante y para
la formulación de fungicidas e insecticidas, en la conservación de la madera, como
pigmento, en el tratamiento de textiles y cueros, en la preparación del reactivo de
Benedict y de Fehling para la detección de azúcares, etc.
Objetivos
Visualizar el fenómeno de crecimiento de los cristales de sulfato de cobre y
sulfato de níquel (CuSO4.5H2O, NiSO4.7H2O) respectivamente.
Medir los parámetros principales que involucran el fenómeno de cristalización,
tales como la temperatura, tiempo, potencial y agitación.
Modelar los resultados según la ecuación cinética de cristalización
PRINCIPIOS TEÓRICOS
CRISTALIZACIÓN
La cristalización es un proceso de separación de un sólido a partir de una disolución. Al
incrementarse la concentración del sólido por encima del punto de saturación, el exceso
de sólido se separa en forma de cristales. Este proceso se emplea en química con
frecuencia para purificar una sustancia sólida siendo una operación necesaria para
aquellos productos químicos salinos que se presentan comercialmente en forma de
polvos o cristales pequeños y que se desean obtener en forma de cristales mayores.
LOS SISTEMAS CRISTALINOS
Un sólido cristalino se construye a partir de la repetición en el espacio de una estructura
elemental paralelepipédica denominada celda unitaria. En función de los parámetros de
red, es decir, de las longitudes de los lados o ejes del paralelepípedo elemental y de los
ángulos que forman.
Existen 7 sistemas cristalinos y cada uno de ellos tiene sus propios elementos de
simetría.
Se describen los sistemas cristalinos por:
- Sus ejes cristalográficos.
- Los ángulos que respectivamente dos de los ejes cristalográficos rodean.
- Las longitudes de los ejes cristalográficos.
VELOCIDAD DE CRISTALIZACIÓN
Los fenómenos cinéticos asociados a la cristalización son la nucleación o formación de
cristales nuevos, y el crecimiento de éstos. La fuerza impulsora de ambos fenómenos es
la sobresaturación. A niveles elevados de sobresaturación ambos fenómenos compiten
por el soluto disponible.
La velocidad de nucleación afecta el tamaño que los cristales pueden alcanzar en un
cristalizador intermitente. Conforme mayor sea la velocidad de nucleación menor es el
tamaño de los cristales obtenidos.
En el caso de una cristalización continua el aumento de la velocidad de nucleación se
traduce en un mayor tiempo de residencia de los cristales. Existen dos mecanismos de
formación de cristales:
-Nucleación primaria. El cristal nuevo se origina espontáneamente a partir de la
solución sobresaturada o bien se origina a partir de un material insoluble, ya sean
impurezas o cristales del mismo material previamente sembrados.
-Nucleación secundaria. Es la formación de cristales nuevos como resultado de la
presencia de cristales ya crecidos de soluto, y puede originarse por medio de varios
mecanismos: Sembrado, contacto, esfuerzo cortante.
PROCESO DE CRISTALIZACIÓN
En los metales y aleaciones líquidas, calentados considerablemente por encima de su
punto de fusión, los átomos se agrupan a azar, de modo irregular y son portadores de
elevada energía y movimiento. A medida que el líquido se enfría y se acerca al punto de
solidificación, la energía de algunos átomos puede haber disminuido y con ello su
movilidad dentro de la masa, de tal forma que pueden ocupar, respecto a los otros, una
posición más orientada, lo que se asemeja a su disposición en el metal sólido.
Una vez alcanzada la temperatura de solidificación, estos grupos aislados de átomos
pueden haber quedado ya orientados y enlazados como el cristal elemental, adquiriendo
una estructura rígida de orientación los unos respecto a los otros. Los átomos vecinos
pueden, una vez perdida la energía térmica necesaria, irse agregando al cristal elemental
formado, formando nuevos cristales elementales unidos y comenzar dentro de la masa
líquida a formar redes cristalinas en crecimiento. Estos cristales en crecimiento, cuando
alcanzan cierto tamaño se convierten en núcleos de cristalización, y a su alrededor
comienza a tejerse la red cristalina, a medida que más y más átomos van perdiendo
energía con el enfriamiento.
Como la formación de los núcleos de cristalización puede comenzar indistintamente en
cualquier parte de la masa líquida, los cristales pueden comenzar a crecer en múltiples
lugares simultáneamente.
En el proceso de cristalización, mientras que el líquido circunde al cristal ya formado y
creciente, este va manteniendo una forma relativamente correcta, los átomos vecinos se
van enlazando en la posición adecuada y la red cristalina se incrementa manteniendo su
geometría. Sin embargo, debido a que la transferencia de calor del material fundido
puede ser diferente en diferentes direcciones; por ejemplo, mayor hacia las paredes de
molde o recipiente, la red cristalina pueden ir creciendo en unas direcciónes mas que en
otras por lo que los cristales van adquiriendo una forma alargada y se constituyen en los
llamados ejes de cristalización.
A partir de los primeros ejes, en direcciones perpendiculares tiene lugar el crecimiento
de nuevos ejes. A partir de estos nuevos ejes, también en direcciones perpendiculares,
crecen otros ejes, que por su parte dan lugar a otros etc. Las ramas formadas van
creciendo en dirección de su engrosamiento y multiplicación progresivos, lo que
conduce a la interpenetración y formación del cuerpo sólido.
Este tipo de cristalización, que recuerda a un cuerpo ramificado, se conoce como
dendrítico, y el cristal formado dendrita.
En el transcurso de su crecimiento dentro de la masa líquida, los cristales empiezan a
entrar en contacto, lo que impide la formación de cristales geométricamente correctos,
por consiguiente, después de la solidificación completa, la forma exterior de los cristales
formados adquiere un carácter casual. Tales cristales se denominan granos y los cuerpos
metálicos, compuestos de un gran número de granos, se denominan policristalinos.
Los tamaños de los granos dependen de la velocidad con que se forman y crecen los
núcleos.
Tanto la velocidad de formación de los núcleos como la velocidad de su crecimiento
dependen en gran grado de la velocidad de enfriamiento y de la temperatura de
sobrefusión.
A mayor sobrefusión, mayor posibilidad de que se produzcan las condiciones, en
diferentes zonas del líquido, para el surgimiento de los núcleos de cristalización.
Un enfriamiento rápido conduce a la formación de muchos núcleos y con ello a un
tamaño del grano menor que con lento enfriamiento.
De esta característica se desprende que si se pudiera lograr un enfriamiento lo
suficientemente lento, la masa del metal pudiera estar formada por un pequeño grupo de
granos casi geométricamente perfectos. Estas condiciones fueron posibles
probablemente en el lento enfriamiento de las rocas en la corteza terrestre, y por tal
motivo, en ocasiones, pueden encontrarse en la naturaleza grandes cristales de exacta
geometría entre las rocas.
DEFECTOS DE CRISTALIZACIÓN.
La estructura de los cristales reales se diferencia de los citados anteriormente. En los
metales se encuentran impurezas que influyen sobre el proceso de cristalización y que
deforman la red espacial del cristal.
Defectos puntiformes.
En algunos nudos de la red cristalina debido al contacto entre los cristales en
crecimiento que impide el enlace correcto, los átomos pueden faltar, y en consecuencia
el cristal elemental queda deformado. Esos nudos no ocupados por los átomos se llaman
vacancias.
Al contrario, a veces en el cristal elemental puede encontrarse un átomo sobrante que
queda atrapado en la solidificación, en este caso tampoco puede formarse el cristal
elemental de manera correcta. Tales átomos se llaman átomos intersticiales.
Tanto las vacancias como los átomos intersticiales y los átomos ajenos se conocen como
defectos puntiformes.
Defectos lineales o dislocaciones.
Cuando se forma un cristal ideal de determinado metal, la estructura cristalina; por
ejemplo centrada en las caras, resulta ser la configuración espacial mas estable a esa
temperatura y por ello, las fuerzas de cohesión entre los átomos del cristal son las
mayores posibles, el metal puede haber alcanzado su mayor resistencia mecánica.
En la práctica, a la hora de elaborar una pieza metálica desde el material fundido, las
condiciones reales de cristalización se apartan en mucho de las ideales, en este caso:
En el metal siempre hay impurezas.
Las temperaturas de fusión son altas.
Las velocidades de enfriamiento relativamente altas.
La transferencia de calor de la masa fundida al medio es diferente en diferentes
direcciones.
Las partes más cercanas a las paredes del molde se enfrían a una velocidad mucho
mayor que las mas interiores.
Cada una de estas condiciones perturbadoras produce cambios a la red cristalina y dan
lugar a la formación de los granos (cristales imperfectos). En los planos de unión de los
granos, las fuerzas de cohesión del material se ven notablemente disminuidas, allí el
enlace atómico es más débil ya que no puede alcanzarse la forma más estable de unión
atómica.
Hay que agregar a esto, el hecho de que una parte considerable de las impurezas se
segregan en el material hacia esas zonas limítrofes de los granos lo que reduce aun mas
su estabilidad.
De esta forma dentro del metal solidificado se producen zonas de resistencia y
estabilidad reducida, que comúnmente bordean los granos del material. Estas zonas se
conocen como dislocaciones.
La presencia de las dislocaciones en la estructura cristalográfica de los metales está
directamente relacionada con la capacidad de estos de resistir deformaciones plásticas
sin romperse. Estas dislocaciones se convierten el planos de deslizamiento en las zonas
límites de los cristales.
Si se obtuviera un cristal metálico libre de dislocaciones, entonces la deformación
plástica de tal cristal se dificultaría, puesto que tendría que deformarse la estructura
atómica muy estable del cristal que tiene la máxima resistencia. Probablemente se
produciría la rotura del material al deformarlo una cantidad significativa como sucede
con materiales altamente cristalinos como el diamante.
SULFATO DE COBRE
El sulfato de cobre (II), también llamado vitriolo azul, sulfato cúprico, piedra azul o
caparrosa azul, es un compuesto químico derivado del cobre que forma cristales azules,
solubles en agua (su solubilidad, a 20 ºC, es de 20'7 g/100 ml de agua). Su forma
anhidra (CuSO4), que se puede obtener calentando suavemente el hidrato, es blanca.
Industrialmente se obtiene a partir de minerales de cobre o por la acción del ácido
sulfúrico concentrado sobre el cobre puro. Por su acción bactericida y alguicida se
emplea en el tratamiento de aguas. Así, en proporciones mínimas (1 a 2 partes por
millón) se agrega al agua potable para destruir algas que se desarrollan en los depósitos.
También se usa extensamente en la agricultura como fungicida y en formulaciones
insecticidas. Su utilización como pigmento de la madera, o en tratamientos de textiles y
cueros son otros usos de esta sustancia.
El sulfato de cobre cristaliza en el sistema triclínico, siendo la forma básica un prisma
oblicuo con base rectangular.
IMPORTANCIA Y CAMPO DE APLICACIÓN
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 des
La cristalización consiste en la formación de partículas sólidas en el seno de una fase
homogénea.
APLICACION
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 mas 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.
EXPERIMENTACION
1) Primero pesamos nuestra muestra (sulfato de cobre), 0.5 gramos , hay que recordar que el sulfato de cobre es de color turqueza , también pudimos haber trabajado sulfato de níquel , lo diluimos con 10 mililitros de agua .
2) Esta solución vamos a calentarlos a 50 grados en promedio , y vamos a medir cada 5 minutos el volumen , la diferencia de potencial y también la temperatura .
3) Al final vamos a notar que nuestra solución se va a evaporizar, y al final vamos a lograr una dilución altamente pura de sulfato de cobre .
4) Cuando se enfríe a temperatura ambiente se va solidificar , es ahí donde nosotros vamos a notar los cristales.
Datos Experimentales
Tabla 1. Datos experimentales tomados en laboratorio para la evaporación de una
solución de CuSO4
Temperatura(°C)
Volumen(ml)
Tiempo(min)
Voltaje(mV)
27 10 0 040 9.8 5 -8.950 9.6 10 -12.149 9 15 -16.547 8.8 20 -20.759 8.5 25 -23.761 8.2 30 -25.162 7.8 35 -26.658 7 40 -2858 6.2 45 -32.259 5.2 50 -3560 4 55 -38.3
Cálculos
Gráfico 1. Evaporación del CuSO4 en función de la disminución de su volumen con
respecto al tiempo
0 10 20 30 40 50 600
2
4
6
8
10
12
f(x) = − 0.00176923076923077 x² − 0.00374125874125875 x + 9.80961538461539R² = 0.989022692682694
Volumen - tiempo
Series2Power (Series2)Polynomial (Series2)
tiempo (min)
Volu
men
(ml)
Gráfico 2. Relación del potencial de la solución en función del tiempo transcurrido
0 10 20 30 40 50 60
-45
-40
-35
-30
-25
-20
-15
-10
-5
0
f(x) = − 0.610839160839161 x − 5.46025641025641R² = 0.957485421804569
Potencial(V) - tiempo
Series2
Linear (Series2)
tiempo (min)
Pote
ncia
l (m
V)
Según el grafico 2. Linealizando los datos hallamos la constante cinética de
cristalización, siendo esta la pendiente de la recta. k = -0.61084
Para el cálculo de la concentración:
Usamos el modelo matemático de la ecuación cinética de cristalización.
1[Cu ] t
= 1[Cu ]o
+Kt
Siendo la concentración inicial de cobre: [Cu]o = 50g/l
Tabla 2. Datos para obtener la ecuación cinética de cristalización
1/[Cu]t 1/[Cu]o k t(min)0.02 0.02 -0.61084 0
-3.0342 0.02 -0.61084 5-6.0884 0.02 -0.61084 10-9.1426 0.02 -0.61084 15
-12.1968 0.02 -0.61084 20-15.251 0.02 -0.61084 25
-18.3052 0.02 -0.61084 30-21.3594 0.02 -0.61084 35-24.4136 0.02 -0.61084 40-27.4678 0.02 -0.61084 45-30.522 0.02 -0.61084 50
-33.5762 0.02 -0.61084 55Gráfico 3. Ecuación cinética de cristalización
0 10 20 30 40 50 60
-40
-35
-30
-25
-20
-15
-10
-5
0
5
f(x) = − 0.61084 x + 0.0199999999999996R² = 1
1/[Cu]t - tiempo
Series2Power (Series2)Linear (Series2)
tiempo (min)
1/[C
u]t
(l/g)
Discusión de Resultados
La evaporación del sulfato de cobre realizada a 50°C y a una 1atm de presión tiene una
tendencia polinómica cóncava hacia abajo con respecto al tiempo.
La constante cinética de cristalización la determinamos linealizando la función de la
gráfica potencial – tiempo, siendo esta constante la pendiente de la ecuación de la recta,
la cual nos resultó -0.61084.
La concentración teórica del cobre en solución la determinamos utilizando el modelo de
la ecuación cinética de cristalización.
Conclusiones
- El fenómeno de cristalización es un proceso ya sea natural, espontaneo o artificial,
provocado de cualquier sustancia inorgánica que dependiendo de las condiciones
forman cristales (que son agregados sólidos con diferentes formas geométricas).
- El proceso de cristalización empieza en una solución sobresaturada de soluto con la
formación de núcleos y el desarrollo o crecimiento de estos.
- Mientras mayor sea la velocidad de nucleación menor será el tamaño de los cristales
obtenidos y mayor será el tiempo de residencia de los cristales.
Recomendaciones
Para realizar una mayor evaporación en un menor tiempo se recomienda utilizar
recipientes con una boca grande, tales como un vaso de precipitado en lugar de un
matraz o fiola que tienen una boca más pequeña.
Es importante antes de efectuar la práctica, verificar el estado de los equipos a utilizar,
por ejemplo el medidor de potencial debe encontrarse debidamente calibrado, ya que
este equipo nos leerá el parámetro más importante de la práctica de cristalización como
es el potencial de la solución.
Bibliografía y Referencias
Santiago Heredia Avalos, EXPERIMENTOS DE QUÍMICA RECREATIVA
CON SULFATO DE COBRE PENTAHIDRATADO, Universidad de
Murcia,Revista Eureka,
http://www.escritoscientificos.es/trab1a20/sulfato.htm
http://www.geovirtual.cl/geologiageneral/ggcap02b.htm
http://es.wikipedia.org/wiki/Sistema_cristalino
http://www.sabelotodo.org/metalurgia/cristalmetal.html