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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.

http://dimetilsulfuro.christiangarciabello.es/wp-content/uploads/2013/11/3-estructura-2.jpg



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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:

http://dimetilsulfuro.christiangarciabello.es/wp-content/uploads/2013/11/1-estructura-3.jpg



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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







http://www.taringa.net/posts/ciencia-educacion/14462722/Cristales-de-sulfato-de-cobre-pentahidratado.html



















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