PRACTICA N 08 DETERMINACIÓN DE LA CURVA DE SOLUBILIDAD Y FORMACIÓN DE CRISTALES

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1 PRACTICA N 08 DETERMINACIÓN DE LA CURVA DE SOLUBILIDAD Y FORMACIÓN DE CRISTALES Capacidades a lograr: 1. Aplica en forma autónoma procedimientos para determinar la curva de solubilidad. 2. Tiene criterios para aplicar técnicas para modificar tamaño de cristales. GENERALIDADES Es una operación unitaria de gran importancia en la Industria Química, como método de purificación y obtención de materiales cristalinos. La cristalización puede tener lugar a partir de soluciones, de sólidos fundidos o de vapores. Cualquiera sea el proceso, el cristal formado es más puro que la fase homogénea donde se originó, de allí su importancia como técnica de separación y purificación de componentes en una mezcla. Es posible conseguir purezas cercanas al 100%, aún para componentes de propiedades muy semejantes (separación de isómeros) a temperaturas relativamente bajas (para materiales termo sensibles). En un cristal, las moléculas, iones o átomos que lo constituyen están dispuestos de forma regular, con el resultado de que la forma del cristal es independiente de su tamaño, y si un cristal crece, cada una de sus caras se desarrolla de forma regular. La presencia de impurezas, sin embargo da lugar a la formación de un cristal irregular. Por ser el caso de mayor aplicación en la industria y corresponder más específicamente a nuestra área de estudio vamos a considerar la cristalización a partir de soluciones. Fundamentos teóricos Como en todo proceso de transferencia de materia entre fases, la fuerza impulsora es un gradiente de concentraciones, entre la solución y la cara del cristal del sólido en crecimiento. Esto exige que se alcance una cierta sobresaturación, o sea que se sobrepase el valor de solubilidad que corresponda a la temperatura y presión del sistema. La forma de obtener la sobresaturación depende del sistema considerado, y puede ser: - Por eliminación del solvente: Concentración de la solución por evaporación. - Por disminución de la temperatura: Enfriamiento. - Por agregado de un tercer componente que modifique las relaciones originales de solubilidad y provoque la separación del soluto a cristalizar. Solubilidad y sobresaturación La solubilidad de una sustancia es la cantidad disuelta en un disolvente en equilibrio, en condiciones dadas de temperatura y presión.

2 La solubilidad de un soluto en un solvente a distintas temperaturas da lugar a la curva de saturación o de solubilidad, en diagramas de concentración versus temperaturas. Tales curvas de equilibrio presentan formas diferentes para sustancias distintas y de su observación se puede inferir el grado de dependencia de la solubilidad respecto de la temperatura para cada sustancia. En general, esa relación no se obtendría sin recurrir a determinaciones experimentales que permitan el trazado de las curvas correspondientes. Por otra parte, es evidente que el conocimiento de tales diagramas es imprescindible para elegir la técnica correcta de provocar la cristalización del soluto. Así podemos observar en la Fig.(1) que el enfriamiento de la solución para cristalizar cloruro de sodio disuelto, probablemente no es económico, en tanto, sí sería la técnica indicada para el nitrato de potasio. Fig. (1) Solubilidad de Nitrato de Potasio y Cloruro de sodio. En sistemas de sustancias en disolución, el solvente tiene una cierta capacidad de sobresaturación, lo que hace que la formación y crecimiento de cristales no tenga lugar a partir de la solución, no bien exceda el valor de saturación. Es necesario alcanzar un cierto grado de exceso respecto a ese valor de solubilidad, teóricamente máximo, para que el fenómeno de cristalización se produzca. Es posible así, encontrar valores de sobresaturación a cada temperatura, para todo sistema soluto-solvente, de manera tal que se pueda representar en el diagrama concentración - temperatura una curva de sobresaturación, aproximadamente paralela a la de solubilidad; como muestra la siguiente figura: Fig. (2). Relación concentración-temperatura para una disolución saturada.

3 La curva AB de la de la figura es la curva de solubilidad y la de sobresaturación representada por CD constituye el límite de la región metastable, en la que la velocidad de nucleación es muy baja. Se ha demostrado que los límites de sobresaturación, para un determinado sistema pueden variar con las condiciones externas, como son temperatura inicial, valor de ph, intensidad de agitación, viscosidad de la solución, grado de impurezas, etc. En el proceso de cristalización se pueden diferenciar dos etapas fundamentales: - Nucleación o formación de gérmenes o centros de cristalización. - Crecimiento de dichos núcleos para formar el macrocristal. Nucleación: Los núcleos pueden formarse espontáneamente si las condiciones son adecuadas, pero en muchos casos pueden añadirse pequeños cristales de siembra, y las pequeñas cantidades de impurezas pueden también actuar como núcleos. A mayor sobresaturación, menor es el tamaño del núcleo crítico. La presencia de cristalizadores, nucleación heterogénea, como cristales agregados, polvos o impurezas sólidas disminuye apreciablemente el nivel mínimo de energía necesaria para la aparición de centros de cristalización, en especial, si, el sistema al mismo tiempo es agitado. La conclusión general es que se obtendrían cristales relativamente grandes como resultado de un enfriamiento lento, ya que la nucleación espontánea se reduce entonces y el material se deposita sobre un número relativamente pequeño de núcleos. Recíprocamente, un enfriamiento rápido produce una gran cosecha de pequeños cristales. Crecimiento: El crecimiento, de los cristales en el seno de la solución es un proceso de transferencia de materia (difusión), seguido de una reacción sobre la superficie del cristal. Las moléculas o iones luego de difundir a través del líquido adherido al cristal, alcanzan la cara de éste y allí deben ser aceptadas a través de valencias o fuerzas residuales del reticulado cristalino, incorporándose al mismo. La fuerza impulsora para la difusión a través del líquido es una diferencia de concentraciones (sobresaturación). El tamaño relativo de las caras de un cristal depende de las condiciones de crecimiento y por tanto del grado de sobresaturación. Es muy importante también la presencia de impurezas. En general se ha establecido que, a bajas sobresaturaciones, el crecimiento predomina sobre la formación de nuevos cristales, pero con bajos valores de velocidad para ambos procesos. A altas sobresaturaciones, la situación se invierte y la nucleación predomina fuertemente sobre el crecimiento de los cristales.

4 EXPERIENCIA PRÁCTICA Materiales y Reactivos. Sulfato de Potasio (Nitrato de Potasio, opcional) Agua destilada q.p. Sacarosa Cloruro de Sodio Luna de Reloj Vasos de precipitación 50ml Vasos de precipitación 100ml Papel de Filtro (pieza) Embudo de vidrio Pipetas 10 ml Gradilla para pipetas Estufa Termómetro 100 C Equipo Baño maría Cocina electrica Recipientes de metal (ollas) PROCEDIMIENTO. DETERMINACION EXPERIMENTAL DE LA CURVA DE SOLUBILIDAD DE UNA SUSTANCIA - METODO GAY LUSSAC. 1. Se prepara una solución saturada de la sustancia a una temperatura superior a la del coeficiente buscado. Para ello, en un recipiente apropiado, se pone una cantidad de disolvente (25 ml) y un exceso de sustancia a disolver. La mezcla se mantiene en un baño termostático durante cierto tiempo. (5') 2. Se toma un determinado volumen (20 ml) de la solución saturada anterior, se le coloca en un recipiente adecuado y se le lleva a la temperatura a la que se desea determinar el coeficiente de solubilidad, que es desde luego más bajo que la del primer paso. Utilizando el baño termostático se mantiene la solución a la temperatura de la experiencia durante un tiempo suficiente para que se establezca el equilibrio sólido-solución saturada (tiempo de 10 minutos). 3. Por separado se pesa un vasito limpio y seco. Sea "Pv" su peso. 4. Se vierte en el interior del vasito, 10 cc. de la solución saturada y filtrada a la temperatura de la experiencia. Se deja enfriar hasta la temperatura ambiente y se pesa. Sea "Ps" su peso. 5. De la diferencia de las dos pesadas anteriores se determina la masa de la solución con que se va a trabajar. Ps - Pv = ms (masa de la solución). 6. Evaporar el disolvente de la solución, primero a baño maría y luego a la estufa a 100 o C ó 105 o C, hasta peso constante. Sea "Cs" su peso. 7. Por diferencia con el peso obtenido en el paso 3, nos dará la masa del cuerpo disuelto: Cs - Pv = mc (masa del cuerpo). 8. La masa del disolvente se determina por diferencia entre la masa de la solución y la masa del cuerpo: ms - mc = md (masa del disolvente). 9. La solubilidad en % se calcula mediante la siguiente fórmula. mc 100 X md

5 TRABAJO EXPERIMENTAL N 01 Con la técnica descrita anteriormente determinar las solubilidades del Sulfato de Potasio o Nitrato de Potasio a las siguientes temperaturas: Datos 25 o C / 30 o C / 40 o C / 50 o C / 60 o C. Sulfato de Potasio: Solubilidad a 60 o C g. sal anhidra/100 g. agua Solubilidad a 10 o C g. sal anhidra/100 g. agua Grafique los datos obtenidos para determinar la curva de solubilidad. TRABAJO EXPERIMENTAL N 02 1) En 02 vasos de precipitación tomar 25 ml de solvente (agua), calentar en baño maría hasta 40 C y disolver Nitrato de Potasio, en otro Cloruro de Sodio y en otro Sacarosa hasta saturación. 2) Tener listos dos sistemas de enfriamiento tipo baño maría en la cual puedan permanecer los vasitos de precipitación. Un sistema debe estar a 10 C y otro a 40 C (puede ser el mismo del paso 1). 3) Pasar cada solución saturada a otros dos vasos de precipitación previamente calentado a baño maría a temperatura ligeramente mayor que la temperatura de disolución. Este paso es para evitar que los cristales formados en la saturación sirvan de cristales de siembra, las soluciones recibidas en los otros vasos deben estar libres de cristales. 4) Inmediatamente colocar los vasos del paso 3 en los sistemas de enfriamiento y dejar hasta temperatura constante. 5) Luego observar los cristales formados en un estereoscopio o microscopio a baja resolución. 6) Registrar, reportar e interpretar con fundamento sus resultados.

6 RESULTADOS a) Registre sus datos experimentales: ms (masa de solución) mc (masa del cuerpo) md (masa del disolvente) % Solubilidad 25 C 30 C 40 C 50 C 60 C b) En papel milimetrado grafique la curva de solubilidad obtenida. c) Interprete y haga un comentario de los resultados de la curva de solubilidad. d) En la experiencia práctica, qué es mc, ms y %? Haga una breve descripción. e) Reporte apoyado con imágenes e interprete los resultados del Trabajo Experimental 2. Explique brevemente cuales son las etapas fundamentales de la cristalización y qué condiciones se requieren.