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