8/8/2019 Cristalizacin, crecimiento cristalino y caracterizacin de cristales de sulfato de cobre pentahidratado

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Cristalizacin, crecimiento cristalino y caracterizacin decristales de sulfato de cobre (II) pentahidratado

(CuSO4.5H2O)

Crystallization, crystalline growth and characterization of cupric sulfate

pentahydrate crystals (CuSO4.5H2O)

Orlando Castiblanco U., Ricardo Ceballos G., Johan Bocanegra C.

Departamento de Ciencias Naturales, Colegio Unidad Pedaggica, Bogot, Colombia

Resumen Summary

Este artculo fue preparado para presentarse en el 3er Intercambiocon la Enseanza de la Ciencia 2010 (IEC 2010), Universidad de LosAndes, Trujillo (Venezuela), en Junio de 2010.

La cristalizacin es una operacin de transferencia de materia en la

que se produce la formacin de cristales a partir de una disolucin. Lanucleacin primaria es la primera etapa en la cristalizacin. Laformacin del cristal se realizar a partir de la sobresaturacin de ladisolucin, obtenindose un ncleo, el cual posteriormente sesembrar en una disolucin previamente preparada y filtrada, para unproceso de nucleacin secundaria, en donde ocurre el crecimiento deese cristal primigenio. Cada sustancia cristaliza con una geometracaracterstica; el sulfato de cobre (II) cristaliza en el sistema triclnico,sujeto a las condiciones que pueden ocasionar cambios en el hbitocristalino e imperfecciones.

Este trabajo terico y experimental fue realizado en el ColegioUnidad Pedaggica de Bogot, participaron los maestros deMatemticas, Fsica y Qumica y sus estudiantes. El trabajorelacionado se vio cmo una opcin para acercar a los estudiantes a

tpicos de las Ciencias Naturales, particularmente la hiptesis atmicay el estudio de disoluciones.

Palabras Clave: Disolucin saturada; Cristalizacin; Cristales; Redcristalina; Sistema cristalino.

This article was prepared to be presented in the 3er Exchange withthe Teaching of the Science 2010 (IEC 2010), University of TheAndes, Trujillo (Venezuela), in June of 2010.

The crystallization is an operation of mass transfer in which the

formation of crystals takes place from a solution. The primarynucleation is the first stage in the crystallization. The formation of thecrystal is going to be made from the supersaturation of the solution, inorder to obtain a nucleus, which later will be sow in a previouslyprepared and filtered solution, for a process of secondary nucleationwhere the growth of that first crystal occurs. Each substancecrystallizes with a characteristic geometry; the cupric sulfatecrystallizes in the triclinic system, subject to the conditions that cancause changes in the crystalline habit and imperfections.

This theoretical and experimental work was developed at theColegio Unidad Pedaggica of Bogot, attended by teachers ofMathematics, Physics and Chemistry and its students. The workrelated recounts how an option to bring students to topics of NaturalSciences, particularly the atomic hypothesis and the study o

solutions.

Key-Words: Saturated solution; Crystallization; Crystals; Crystallinenet; Crystalline system.

1. Introduccin

El trabajo en el colegio est fundamentado en cuatro pilaresbsicos: la formacin tica, la formacin para el trabajo, laformacin cognitiva y la formacin para la participacin.Dentro del rea de ciencias se resaltan las formas de trabajo delcolegio que posibilitan la exploracin de los distintosfenmenos naturales que nos rodean, buscando una explicaciny un por qu de los fenmenos: el camino no necesariamentees lineal, y por supuesto busca una integracin de las reas delconocimiento para ampliar la visin de mundo de losestudiantes.

El crecimiento de cristales es un fenmeno muy comn en lanaturaleza, de ah que sea relativamente fcil de observar. Paraobtener un cristal a partir de una disolucin es necesario queesta disolucin est sobresaturada de la sustancia en cuestin,esto es, que la concentracin de la disolucin sea mayor que lade equilibrio a cierta temperatura. Por tanto, se debe prepararuna disolucin saturada de CuSO45H2O en agua caliente, la

cual tiene color azul debido a la presencia del complejoCu(H2O)6

+2. Se filtran las impurezas y los excesos de soluto, yunas horas despus aparecern pequeos cristales, uno de loscuales se dispondr para favorecer su crecimiento.

Los estudiantes de los ltimos aos de educacin secundariarealizaron el trabajo experimental varias veces en el laboratoriodel colegio, depurando el procedimiento, hasta obtenercristales nicos que mostraran claramente su forma cristalinaalcanzando una longitud de 2 cm para el mayor de los lados enla cara ms grande del cristal.

2. La disolucin

Una disolucin es una mezcla homognea de dos o mscomponentes. La sustancia disuelta se denomina soluto ygeneralmente est presente en menor cantidad en comparacincon la sustancia donde se disuelve denominada solvente. Eagua es casi exclusivamente el solvente utilizado en la

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cristalizacin de sustancias inorgnicas.

Una disolucin saturada es aquella que tiene la mximacantidad de soluto que puede disolverse en una cantidaddeterminada de solvente puro a una temperatura especfica. Laconcentracin de la disolucin saturada se denominasolubilidad del soluto en el solvente dado. La solubilidad varacon la temperatura, y se denomina curva de solubilidad, a larepresentacin grfica de la solubilidad en funcin de la

temperatura. En la mayora de los casos la solubilidad de unsoluto en un solvente se incrementa con la temperatura, perohay algunas excepciones.

Tabla 1: Solubilidad del CuSO4 (Mullin), gramos de compuestoanhidro por 100 gramos de agua

C 0 10 20 30 40 60 80 100g 14,3 17,4 20,7 25,0 28,5 40,0 55,0 75,4

Grfica 1: Solubilidad del CuSO4

En la formacin de algunas disoluciones, se cede calor a los

alrededores y en muchos otros casos se absorbe calor; estohace referencia a la entalpa de disolucin Hsol.

En una aproximacin de tres etapas para Hsol. Primero lasmolculas de disolvente deben separarse entre si para hacersitio a las molculas de soluto. Esto consumir alguna energapara vencer las fuerzas de atraccin entre las molculas dedisolvente. Como resultado, esta etapa debe ser endotrmica:H>0. Segundo, las molculas de soluto deben separarsetambin entre s. Esta etapa, asimismo, consume energa y debeser endotrmica. Finalmente, las molculas separadas de solutoy disolvente se atraern entre s. Estas atracciones llevarn a unmayor acercamiento entre las molculas y debe liberarseenerga. Esta es una etapa exotrmica: H0 (energa de red)Cu+2(g) H2O Cu+2(ac) H2

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formacin de estos ncleos puede ocurrir espontneamente opuede ser inducida por influencia de estmulos externos.

La nucleacin primaria es la primera etapa en lacristalizacin, no hay cristales de por medio y su formacin seva realizar a partir de la sobresaturacin de la disolucin. Estetipo de primera formacin cristalina en el medio lquido y enausencia de cristales y de cualquier otra partcula se denominanucleacin homognea. Los tomos o molculas se combinan

para producir agregados ordenados o embriones. Algunos deellos superan un tamao crtico, convirtindose en ncleos; elresto se vuelven a disolver.

Hay que vencer una barrera energtica para formar losncleos, por ello, se postula una ecuacin tipo Arrhenius paraexpresar la velocidad de nucleacin:

J: velocidad de formacin de ncleosN: n de ncleos (sern cristales)/volumenA: factor preexponencial (del orden de 1025)G: cambio de energa libre del sistemak: constante de Boltzmann (1,3805 10-23 J/K)T: temperatura: tensin de interfases

: volumen molar del cristalS: grado de sobresaturacin

Hay un valor de S crtico para el cual G cambia de valores

positivos a negativos, momento en el que se producenucleacin espontnea. Una vez lograda la sobresaturacincrtica, J aumenta muy rpidamente. Hace falta, por tanto, unvalor alto de S para que haya nucleacin homognea. As, lavelocidad de nucleacin primaria es altamente no lineal con lasobresaturacin de la disolucin, siendo cercana a cero parabajos valores de S y aumentando rpidamente cuando sealcanza la sobresaturacin crtica. Por tanto, se espera undominio de la nucleacin primaria a elevadassobresaturaciones.

La nucleacin heterognea es la cristalizacin producidasobre las partculas de polvo o las paredes del recipiente. Larazn de nucleacin en una disolucin puede verse afectadaconsiderablemente por la presencia de impurezas. Disolucionesacuosas preparadas normalmente en el laboratorio puedencontener ms de 106 partculas slidas por cm3 de tamaosmenores que 1 m. Es imposible lograr preparar unadisolucin completamente libre de partculas extraas, aunquela utilizacin de agua destilada como solvente y una filtracinadecuada pueden reducir su nmero hasta menos de 103 porcm3.

3. Crecimiento cristalino

La nucleacin secundaria ocurre en procesos con siembra decristales, en donde se toma uno de los cristales producidos enla etapa de nucleacin primaria; se calienta de nuevo ladisolucin, aadiendo la cantidad de sulfato de cobre (II) quese ha perdido al formar el cristal, se filtra, se deja enfriar yluego se suspende el cristal escogido en la disolucin, atadocon un hilo delgado.

Los cristales crecen en el seno de una disolucinsobresaturada a travs de dos etapas en serie: 1) difusin en lafase lquida de las unidades de soluto hasta alcanzar lasuperficie del cristal (teora de difusin). 2) integracin desoluto y organizacin dentro de la red (teora de adsorcin oreaccin).

dm/dt: masa de slido depositado en el tiempoA: rea superficial del cristalKd: coeficiente de transferencia de masa por difusinKr: razn constante para el proceso de integracinc: concentracin de la disolucin (sobresaturada)ci: concentracin en la interfase del cristal y la disolucinc*: concentracin en el equilibrio de saturacin

Kg: coeficiente general de crecimiento cristalinog: orden del proceso de crecimiento del cristal (1,5 < g < 2 paramuchas sales inorgnicas)

4. Cristales de sulfato de cobre (II)

Un slido cristalino se construye a partir de la repeticin enel espacio de una estructura elemental denominada celdaunitaria. En funcin de los parmetros de red, es decir, de laslongitudes de los lados o ejes del paraleleppedo elemental y delos ngulos que forman, se distinguen siete sistemas

cristalinos: cbico, tetragonal, ortorrmbico, hexagonaltrigonal, monoclnico y triclnico.

Cada sustancia tiene una nica forma cristalinacorrespondiente a alguno de los 7 sistemas cristalogrficos. Elaspecto nico de un compuesto es que los ngulos entre carasadyacentes son constantes. Los ngulos no cambian (soncaractersticos de cada sustancia), lo que puede cambiar es etamao de las caras.

El sulfato de cobre (II) cristaliza en la red triclnica, lamenos simtrica de las 14 redes de Bravais tridimensionalescon parmetros de red: a = 6,12 , b = 10,7 , c = 5,97 , =

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82,27, = 107,43 y = 102,67 (Beevers y Lipson).

Grfica 2: Red cristalina triclnica

Dado el tamao de los cristales de sulfato de cobre (II),resulta sorprendente comprobar como el orden microscpicodel cristal puede contemplarse fcilmente a simple vista,simplemente observando la forma de los cristales. Esto se debea que, a nivel microscpico, la celdilla unidad de sulfato decobre (II) se repite del orden de un nmero de Avogadro deveces (~1023) para dar lugar a un cristal macroscpico.

Con ngulos constantes y caras de diferente tamao la formade un cristal puede variar mucho. La modificacin del hbito

cristalino depende de numerosos factores ligados a lascondiciones en las que tiene lugar el crecimiento del cristal:sobresaturacin, enfriamiento brusco, siembra, agitacin,presencia de impurezas, tipo de disolvente, etc.

Las imperfecciones en el crecimiento cristalino son variadasy frecuentes, no dejando discernir en la mayora de los casoscul es el sistema cristalino en el cual ha sucedido lacristalizacin. Por una rpida cristalizacin a partir dedisoluciones sobresaturadas se producen dendritas, ademspueden formarse tambin cristales compuestos (agregados).

5. Resultados

En el laboratorio del colegio se ha venido desarrollando estetrabajo desde hace un ao con varios grupos de estudiantes delos dos ltimos grados de secundaria, pero durante este ao ungrupo ms pequeo de estudiantes de ltimo grado, desarrollbajo nuestra gua el trabajo experimental durante variassesiones, depurando el procedimiento y dedicando horas detrabajo extracurricular. Con anterioridad se haba logrado hacercrecer colonias de cristales con mltiples ncleos (deaproximadamente 3 mm) que con un examen detallado,(preferiblemente utilizando un microscopio) mostraban formasgeomtricas similares entre ellos.

Utilizando agua destilada y una filtracin rigurosa, se halogrado conseguir algunos cristales nicos, de tamaoconsiderable (2 a 3 cm) con sus caras muy bien definidas, quedemuestran la organizacin cristalina del sulfato de cobre (II)en coherencia con los parmetros esperados (ngulos entrecaras), con un grado de transparencia muy uniforme que dejanpasar principalmente luz de color azul.

El trabajo experimental ha permitido tratar con losestudiantes bastantes tpicos entre los que destacamos, laposibilidad de formacin de cristales en el cuerpo humano(clculos renales), las geometras tridimensionales, la bsquedade relaciones de dependencia, la solubilidad, la saturacin de

disoluciones, y por supuesto, la hiptesis central de lasCiencias Naturales: la existencia de un componente bsico dela materia, el tomo; su organizacin, enlaces y la relacin conlos estados de la materia. Adems ha permitido desarrollaralgunas actitudes propias del quehacer cientfico como lacuriosidad, la disciplina, el esfuerzo y la rigurosidad.

6. Referencias bibliogrficas

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