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Cristal de Sulfato de Cobre
I. Introducción
Uno de los temas de Química que más llama la atención de los alumnos es la comprobación
acerca de cómo se organiza la materia para la formación de cristales. Este interés fue incluso elpunto de partida de grandes vocaciones científicas: Dorothy Hodgkin, Premio Nobel de Química
1964, cuenta en sus memorias que su interés por la Química nació cuando, estudiando en la
escuela primaria, aprendió a obtener cristales con los productos que le facilitaba un amigo de
sus padres.
La investigación acerca de los cristales ha adquirido enorme importancia y cuando se ha
comprobado que conseguir una determinada forma cristalina puede servir para, por ejemplo,
optimizar las propiedades de los medicamentos, como puede ser el caso de una simple
aspirina.
La forma de cristalización hace que las propiedades, incluyendo la estabilidad, solubilidad yvelocidad de disolución, higroscopicidad; sean diferentes e incluso puede dar lugar a que, en
una determinada forma, un medicamento resulte eficaz, mientras que en otra sea un producto
perjudicial para la salud.
La finalidad al abordar este tema es, además de disfrutar con la obtención de cristales, se den
cuenta de que la capacidad de auto organización de la materia se rige por las leyes generales
relacionadas con los átomos y las moléculas, y de que esta capacidad forma parte tanto de las
estructuras vivas como de las de las inertes.
II. Objetivos
Adquirir conocimiento sobre las propiedades físicas y químicas del Sulfato de cobre
Adquirir conceptos básicos sobre compuestos cristalinos, solubilidad e influencia de la
temperatura.
Obtención de un cristal a partir de sulfato de cobre.
Adquirir conocimientos sobre la forma de cristalización de algunos compuestos.
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III. Marco Teórico
1. Sulfato de cobre
Este producto químico es necesario en una amplia cantidad de industrias como son la minera,
la agrícola, la textil, la de curtido de cuero, la de conservación de la madera, la de tratamiento
de asfaltos naturales, la de la manufactura del acero, etc.
El sulfato de cobre cristaliza como una sal pentahidratada de color azul: CuSO4.5H2O.
El producto comercial tiene como impurezas principalmente sales solubles de Fe (II) y
sustancias insolubles en agua (arena, polvo, etc.).
1.1. Proceso de Producción
El proceso de fabricación es denominado “Lixiviación químico-bacteriana”, la materia prima
a utilizarse es mineral pallado de cobre. Este mineral posee un 10 % de cobre soluble y 5%
de cobre insoluble, de los cuales se espera recuperar un 99%.
Los principales compuestos de cobre encontrados en el mineral pallado, son los carbonatos,
los óxidos y los sulfuros siendo estas últimas sales insolubles en ácido sulfúrico. El proceso
de lixiviación a realizarse en los tanques, deberá hacerse con ácido sulfúrico para el primer
grupo y con sulfato ferroso para el segundo. Cada proceso es explicado con las ecuaciones
estequiométricas siguientes:
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Con ayuda de bacterias
1.2. Características del sulfato de cobre
SULFATO DE COBRE II
Nombre (IUPAC)
sistemático Tetraoxosulfato (VI) de cobre (II)
Otros nombres
Sulfato de cobre (II), Sulfato cúprico,Caparrosa azul, Piedra azul, Piedra
lipe, Calcantita, Vitriolo azul, Vitrioloromano.
Fórmula CuSO4
Apariencia Pentahidratado: Cristales azulesAnhidro: Polvo blanco grisáceo
Densidad 3603 kg/m3
Masa molar 159,6 g/mol
Punto de Fusión 383 K (110 °C)
Punto de Ebullición 923 K (650 °C)
Estructura cristalina Triclínico
Solubilidad en agua 20,3 g/100 ml (20 °C)
pH 3.5 – 4.5
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2. CRISTALIZACION
Proceso físico por medio del cual es posible separar un componente de una mezcla,
transformando y desarrollando un sólido cristalino.
Para la obtención de los sólidos cristalinos, se han desarrollado varias técnicas como:
Enfriar una disolución concentrada (Solubilidad)
La mayoría de los sólidos es más soluble a temperaturas altas que a temperaturas bajas.
Preparando una disolución concentrada a altas temperaturas y enfriándola posteriormente
se puede conseguir que cristalice esencialmente el compuesto principal enriqueciéndose las
aguas madre de las impurezas presentes en la mezcla inicial al no alcanzar su límite de
solubilidad (Sobresaturación).
Cambio de solvente (Polaridad)
Preparando una disolución concentrada de una sustancia en un buen disolvente y
añadiendo un disolvente peor que es miscible con el primero el componente principal del
sólido disuelto empieza a precipitar, enriqueciéndose relativamente las aguas madres en las
impurezas. Por ejemplo, puede separarse ácido benzoico de una disolución de éste en
acetona por agregado de agua.
Sublimación
Los vapores formados condensan en zonas más frías ofrecidas, pasando habitualmente
directamente del estado gaseoso al sólido, (resublimación), dejando atrás las posibles
impurezas. De esta manera se pueden obtener por ejemplo sólidos puros de cafeína, azufre
elemental, ácido salicílico, iodo, etc.
Evaporación del disolvente
Evaporando el disolvente se consigue igualmente que empiecen a cristalizar los sólidos
disueltos cuando se alcanza el límite de su solubilidad (Sobresaturación).
Enfriando un sólido fundido
Para limpiar un sólido cristalino este es fundido. Del líquido obtenido se cristaliza en primer
lugar el sólido puro, enriqueciéndose la fase líquida de impurezas.
Toda sal o compuesto químico disuelto en algún solvente en fase liquida puede ser
precipitado por cristalización bajo ciertas condiciones de concentración y temperatura queel químico debe establecer dependiendo de las características y propiedades de la solución,
principalmente la solubilidad o concentración de saturación, la viscosidad de la solución,
etc.
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2.1. Tipo de cristales
Un cristal puede ser definido como un sólido compuesto de átomos arreglados en orden, en
un modelo de tipo repetitivo. La distancia interatómica en un cristal de cualquier material
definido es constante y es una característica del material. Debido a que el patrón o arreglo de
los átomos es repetido en todas direcciones, existen restricciones definidas en el tipo desimetría que el cristal posee.
La forma geométrica de los cristales es una de las características de cada sal pura o
compuesto químico, por lo que la ciencia que estudia los cristales en general, la cristalografía,
los ha clasificado en siete sistemas universales de cristalización:
Sistema Cúbico
Sistema Tetragonal
Sistema Ortorrómbico
Sistema Monoclínico
Sistema Triclínico
Sistema Hexagonal
Sistema Romboédrico
2.2. Importancia de la cristalización en la industria
Es importante como proceso industrial por los diferentes materiales que pueden ser
comercializados en forma de cristales.
Su empleo tan difundido se debe a la gran pureza y la forma atractiva del producto sólido,
que se puede obtener a partir de soluciones relativamente impuras en un solo paso de
procesamiento.
En términos de 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.
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La cristalización consiste en la formación de partículas sólidas en el seno de una fase
homogénea.
Los cristales son la forma más pura de la materia
Cuando cristaliza solamente un solo compuesto químico, los cristales son 100% puros.
Además de su forma geométrica, los cristales son caracterizados por su densidad, su índice de
refracción, color y dureza
Este proceso recibe el nombre de precipitación, los métodos utilizados en análisis cuantitativo
constituyen ejemplos típicos de precipitación. Mediante la adición de un tercer componente
es posible crear rápidamente sobresaturaciones muy grandes.
3.
Cristalizadores Industriales Los cristalizadores son equipos que pueden operar de forma continua o por cargas, para
llevar a cabo el proceso de cristalización.
La primera condición que debe de cumplir un cristalizador es crear una solución
sobresaturada, ya que la cristalización no se puede producir sin sobresaturación.
Una forma de clasificar los aparatos de cristalización se basa en el método utilizado para crear
la sobresaturación:
1.
Sobresaturación producida por enfriamiento sin evaporación apreciable, por ejemplo,
cristalizadores de tanque.
2.
Sobresaturación producida por evaporación, con enfriamiento apreciable, por ejemplo,
evaporadores de cristalización, cristalizadores-evaporadores.
3. Evaporación combinada con enfriamiento adiabático: cristalizadores al vacío.
3.1.
Cristalizador de enfriamiento superficial
Para algunos materiales, como el clorato de potasio, es posible utilizar un intercambiador de
tubo y coraza de circulación forzada, en combinación directa con un cuerpo de cristalizador
de tubo de extracción.
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3.2. Cristalizador de evaporación de circulación forzada
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3.3. Cristalizador evaporador de desviador y tubo de extracción (DTB).
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3.4. Cristalizador de tubo de extracción (DT).
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4. Factores que afectan a la cristalización
Los factores que más influyen en la formación de cristales son:
Temperatura: cuanto mayor es la temperatura más rápida va a ser la cristalización ya
que al estar la disolución a gran temperatura el agua también lo esta y se evapora más
rápido. Pero al ser una cristalización más rápida los cristales van a ser peores (no van a
estar tan bien definidos) porque no han tenido tanto tiempo para ordenarse como el que
habrían tenido si la cristalización se hubiera formado a menos temperatura que habrían
tenido más tiempo para ordenarse y los cristales habrían sido mejores.
Tiempo: cuanto más tiempo esté expuesta la disolución al contacto con el aire, la
disolución va a tener menos agua porque ha tenido más tiempo para evaporarse y además
los cristales van a ser mejores porque han tenido más tiempo para ordenarse.
Espacio: cuanta más superficie tenga la mezcla para realizar la cristalización mejor serán
los cristales porque en primer lugar va a haber más superficie en contacto con el aire y en
segundo lugar más espacio van a tener los cristales para desarrollarse y no interferirse ni
incrustarse entre sí.
Grado de saturación: cuanto más saturada esté la disolución, menos cantidad de agua
va a tener la disolución MÁS MATERIA PRIMA ESTARÁ DISPONIBLE.
5. Estructura cristalina del sulfato de cobre
La siguiente imagen es una representación de los átomos que forman el sulfato de cobre II
pentahidratado (CuSO4·5H2O) formando la estructura cristalina. Podemos observar losenlaces establecidos tridimensionalmente entre todos los átomos de una porción del cristal.
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Si nos fijamos en el entorno de uno de los átomos de cobre se puede observar cómo éste ocupa la
posición central y está rodeado por cuatro moléculas de agua en el plano ecuatorial y enlazado a
dos sulfatos en el plano axial. Por cada una de estas unidades encontramos una molécula de agua
libre.
Para describir estas estructuras tridimensionales echamos mano de los sistemas
cristalinos conocidos, y a partir de ellos describimos la unidad más pequeña capaz de representar
la estructura completa. A esta unidad la llamamos celda unitaria. Tenemos siete tipos de sistemas
cristalinos a partir de los cuales poder describir cada celda unitaria indicando en qué posición se
encuentra cada átomo (aristas, caras, vértices, huecos…). Son los siguientes:
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6. Procedimiento para obtener cristales
6.1. Materiales
Hervidor de agua
3 litros de agua destilada o agua tratada.
Cuchara metálica de mango largo
1 Kg de sulfato de cobre comercial
Frasco transparente litro (Frasco de vidrio)
Recipiente plano o plato.
Papel absorbente
Tela limpia de ~10x10 cm
1 m de alambre de cobre
Elementos de seguridad para manipular líquidos calientes
Lija metálica
Alicate
Hilo de pescar
6.2. Procedimiento
Disolvemos el sulfato de cobre en 500 ml de agua tratada.
Agregue lentamente sulfato de cobre revolviendo hasta disolver completamente. Una
vez que ya no se pueda disolver más, lo sometemos a calor para ayudar a sobresaturar la
solución.
Cuando la solución azul ya no pueda disolver más sulfato de cobre detenga el agregado y
retiramos de la fuente de calor.
Vierta la solución saturada en el frasco limpio filtrando con la tela limpia para contener
material no disuelto e impurezas en la solución.
Deje enfriar la solución por unos minutos.
Coloque el frasco en un lugar donde no esté expuesto a viento o sol directo ni a vibraciones.
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Con el alambre de cobre arme un soporte, en nuestro caso se armó una especie de flor con 4
pétalos.
El soporte servirá para crecer cristales y para exponerlos una vez concluido el proceso.
Con la lija frotar la superficie que estará sumergida dentro de la solución.
Introduzca el soporte de manera que quede en el centro del frasco.
Asegure que el soporte no se mueva, tape el frasco con un plato o papel para evitar que caiga
polvo o residuos sobre la solución.
Deje reposar sin mover el sistema por un determinado tiempo.
Es necesario una tonelada de paciencia…
Si retira con cuidado el soporte de la solución podrá observar el crecimiento y la formación de
cristales tanto en el vaso como en el soporte.
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El cristal crecerá de tamaño, de manera que al cabo de un determinado tiempo se tendrá que
cambiar de frasco.
Si observa formación de cristales algunas partes del alambre de cobre donde no se desea,
retire cuidadosamente el soporte de la solución y saque los cristales del alambre ya que al
crecer estos compiten con los demás.
Tome en cuenta que perturbar el sistema (moviendo o destapando el vaso, retirando el
soporte, etc.) puede implicar la multiplicación de sitios de crecimiento y por lo tanto la
formación de más cristales que compiten con la que queremos hacer crecer.
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Como hemos cambiado a un recipiente más grande, será necesario preparar mas solución
saturada.
Cada cierto tiempo preparar aproximadamente en unos 500 ml de agua la solución saturada y
agregar a nuestro sistema.
Observamos que con paciencia y constancia nuestro cristal ha crecido.
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IV. Conclusiones
Con esta experiencia hemos obtenido conocimiento sobre el sulfato de cobre, tanto sus
propiedades físicas y químicas.
Hemos aprendido a obtener un cristal a partir de una sal, en este caso a partir del sulfato de
cobre.
La cristalización se puede realizar de manera sencilla, y está al alcance de todos.
El proceso de cristalización es una forma práctica y experimental de cómo podemos obtener
cristales a partir de diferentes sales.
V. Recomendaciones
Para realizar de manera correcta la cristalización de una sal, es importante tener
conocimientos de conceptos básicos como: saturación, sobresaturación, solubilidad, etc.
Es necesario tener bastante paciencia y disciplina en el proceso de la cristalización.
Tener cuidado al momento de la manipulación del sulfato de cobre por ser nocivo para la
salud.
Usar adecuadamente los instrumentos y materiales en el experimento.
VI. Bibliografía
http://www.heurema.com/PQ24.htm
http://www.escritoscientificos.es/trab1a20/sulfato.htm
http://www.cristalografia2014.fq.edu.uy/imagenes/crece_cristales_en_casa.pdf
http://www.taringa.net/posts/ciencia-educacion/14462722/Cristales-de-sulfato-de-cobre-
pentahidratado.html
http://cristalesdelaboratorio.blogspot.com/2011/04/cristales-sulfato-de-cobre.html
http://www.ehowenespanol.com/usos-del-sulfato-cobre-agricultura-info_71707/
http://ecosiembra.blogspot.com/2014/03/uso-de-sulfato-de-cobre-como-fungicida.html
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