CuSO4 tesis 00002871-1
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RESUMEN
1.-INTRODUCCION
1I.- GENERALIDADESA).- EVAPORACION
1.- Metodos de eveporeeion
2.- Mecanismo de 1a eveporscion
3.- Factores que contro1an1a evaporaci6n
B).- CRISTALIZACION
1.- Metodos de cristalizacion
2.- Mecanismo de 1a cristaJizacic5n
3.- Etecto de las impurezas
4.- Recristalizaci6n
C).- SULFATO DE COBRE
111.- EXPERIMENTACION
A.- Caracter;sticasde 1a muestra
B.- Experimentacic5npreliminar
C.- Concentrecion de 1a soluclon por eveporecion
D.- Cristalizaci6n de 1a solucion concentrada
E.- Comprobscion de los datos de cristelizecion
F.- Recrlstelizecion
G.- Cristalizaci6n de Soluciones con diferentes concentra-
ciones en cobre y tierro
H.- Recuperacic5ndel cobre por cemetttecion en los Iicores
madres
IV.- EVALUACION DE RESULTADOS
V.- CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES
APENDICE I
BIBLIOGRAFIA
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INTRODUCCION
Para la recuperecion del Cobre de soluciones provenientes de li-
xiviecion, se ha estado apJicando recientemente el proceso de extracciaa
por solvetttes, usando como extractantes compuestos orgenicos selectivos
para este metal.
Estos compuestos extra en el cobre a la vez que pequefias esmi-
dades de Herro, los cuales en tratamiento posterior con soluciones con-
centradas de acido suliurico se recuperen de le lase orgenics, regeneren-
dose esta y forman do una solucion de sulfato de cobre, de la cusl el co-
bre es obtenldo puro por electrodeposicion.
A medida que se va separando el cobre del electrolito, este se va
concentrendo en lierro hasta lJegr a un punto en que ya no es conve-
niente para el proceso de electrolisis ya que interliere con la calidad del
cobre depositado.
Para puri/icar el electrolito se eiectiis un escape de soluci6n en
el sistema reemplezendolo con solucion fresca de sulfato de cobre y la
cantidad necesaria de ecido sulitirico.
Esta fuga de solucion conduce a que se acumulen volumenes consi-
derebles de electrolito impure pudiendose empleer esta soluci6n como
Fuente de obtenci6n de sulfato de cobre por cristalizaci6n, que sen» a la
vez un subproducto en la producci6n de cobre electrolitico de la planta
experimental de extreccion por solventes,
EI presente trabajo tiene por objeto obtener de esta solucion, sul-
fato de cobre grado tecnico, determinando las condiciones 6ptimas de
cristaJizaci6n para obtener las mejores recupereciones.
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1.-GENE;RALIDADES SOBRE EV APORACION
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DEFINICION, E IMPORl·ANCIA.- La evaporation es Ia ope-
racion unitaria que consiste en la elirninaclon de un solvente por 1a apli-
cacion de calor y concentrar la solucion hasta que la substancia disuelta
se separe en forma cristalina 0 alcance la densidad deseada (7) .
.~.,La evaporacion ocurre solamente en la superficie libre de un li-
quido sin visible perturbacion de esta y toma lugar solamente abajo de~
pJ;lnto de ebullicion del mismo.
Esta propiedad de los liquidos por virtud de la cual pasan del esta-
do hquido al gaseoso de acuerdo a la temperatura y presion a Ia cual
estan sujetos, es la base de muy importantes procesos industriales para
separar un liquido de otro Iiquido 0 solid os de liquidos, usandose exten-
samente la evaporaci6n para la concentracicn de liquidos, desde produc-
tos qutmlcos tales como iiicalis y acidos hasta productos alimenticios co-
mo leche y jugos de frutas.
EI objetivo de la evaporacion es concentrar una sclucion conslsten-te de un soluto no volat'il y un solvente volati! (9). En la gran mayorta
de los procesos de evaporaci6n el sclvente es el agua, como este es el
unico Iiquido que puede ser obtenido en grandes cantidades puede ser
economico descartarla, por los que los procesos de evaporacion estan
limitados en la practica a soluciones acuosas. (11)
Generalmente en una evaporacion el producto deseado es la solu-
cion concentrada, pero la evaporacion puede ser continuada hasta que la
soluci6n este sobresaturada 0 hasta que el soluto precipite en forma crls-
talina, en este caso la opera cion se llama cristaltaacion.
Bajo condiciones atmosfericas ordinarias la mayorta de los Hqui-
dos sufren evaporaci6n y toma lugar no solamente a una tem eratura si-
en un rango muy amp 10 e temperaturas.
La terminologia industrial distingue tres casos en los cuales la se-
parae ion es realizada utilizando diferencias en la volatiIidad de substan-
cias, estos casos son: (15)
1. Evaporacion, Es la ellminacion por vaporizaci6n de una por-
cion del solvente de una sclucion, cuando el vapor formado es sin valor
en cornparacion al residuo.
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2. Destilacion, Es la elimlnacion por vaportsacion de un Jiquido de
otro ltquido cuando el vapor es de suficiente valor para garantizar una
recuperacion por condensacion,
3. Secado. Es la eliminacion por vaporiaaclon de un liquido de unsolido cuando la cantidad de Jiquido evaporado en relacion con el solidc
es pequefio,
l).-METODOS DE EV APORACION.- Los diferentes metodos de eva-
poracion empleados en la industria para la concentracion de diferentes
tipos de soluciones pueden ser divididos en las siguientes c1ases (8).
1-Por contacto directo entre el medio de calentamiento y el Ii-
quido.
a) Evaporacion por gases de desperdicio y aire caliente.
b) Evaporacion solar.
2.-Por contacto indirecto entre el medio de calentamiento y el Ii-qui do a travez de superficies metalicas,
a) Evaporaci6n por calor 'directo producido por carbon, gas 0
aceite.
b) Evaporacion por calor indirecto transportado por vapor, agua
caliente, aceite 0 electricidad.
Despues de la evaporacion solar, el metodo de evaporacion por el
calor directo es probablemente el metodo mas antiguo para la concen-
tracion de liquidos. La aplfcacion del calor directo requiere solamente
aparatos muy simples pero la economla del combustible que se utiliza es
muy baja, siendo el calentamiento por el vapor el que da mejor resultado
y el de mayor eficiencia.
2).- MECANISMO DE LA EVAPORACION.- Las mcleculas de un 11-
quido se consideran que estan en un movimiento desordenado constante,
algunas moleculas moviendose con una energia cinetica de traslacion ma-
yor que otras, Para cualquier temperatura hay una cierta velocidad pro-
medio de estas moleculas, pero abajo del punta de ebulltcion del hquido,
esta velocidad no es suficiente para proyectadas fuera de 1a superficie
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libre. Sin embargo hay rnoleculas que pueden haber alcanaado una velo-
cidad de traslacion mayor que la velocidad promedio debido a cheques 0
colisiones de unas moleculas con otras y si estas moleculas se encuentran
cerca de la superficie del liquid 0, venceran la atracci6n mutua ejercidaentre ellas y otras molecules del hquido y pasaran al espacio exterior
que iodea el liquido convirtiendose en moleculas de gas 0 vapor. A me-
dida que las moleculas que poseen energia cinetica en exceso se evaporan
del liquido la energia cinetica media de las moleculas restantes dismi-
nuye y la temperatura desciende, para mantener la temperatura cons-
tante es necesario proporcionar calor al lJquido. De ordinario la evapo-
racion no tiene lugar a volurnen constante sino a presion constante. La
cantidad de energia requerida para evaporar una mole del liquido a pre-
si6n constante se llama calor latente de vaporiaacion . (6, 15)
3).- FACTORES QUE CONTROLAN LA EVAPORACION.- La ra-
pidez de la evaporaci6n esta sujeta a los siguientes factores (2, 11):
1. La evaporacion se incrementa directamente con la temperatura.
2. Se incrementa con la superficie expuesta del Itquido.
3. Es mas rapida dentro de aire seco que dentro de aire que con-
tenga vapor, 0 sea disminuye a medida que la saturacion aumenta.
4. Se incrementa con la rapidez con la cual el vapor es retirado de
La superficie libre.
5. La velocidad de evaporacion se incrementa por una disminucion
de la presion sobre la superficie expuesta del liquido y viceversa.
6. La velocidad de evaporaci6n depende de la naturaleza y con-
centracion de cualquier substancia que este disuelta en el Ilquido.
Si el liquido esta en un espacio en el cual la presion parcial desu vapor es menor que la presion de vapor que posea a esa temperatura,
procedera a vaporizarse y su vapor pasara al espacio exterior. Este cam-
bio de estado esta acompafiado por una absorcion de calor de los alrededo-
res. Si este calor no es agregado desde una fuente externa, la vaporiza-
ci6n continuara tomando el calor necesario del calor sensible del ltquido
con una consecuente reducci6n de temperatura. Esta caida de tempera-
tura estara acompafiada por un correspondiente decaimiento en la pre-
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slon del vapor. Finalmente una temperatura es alcanzada donde la presion
de vapor del ltquido es igual a su presion parcial existente en el espacio
y la vaporieacion cesara. (15)
.. Por 10 tanto, para que la vaporizaci6n continue, dos condiciones de-
ben estar presentes:
1. EI calor necesario para Ia vaporiaaclon debe ser continuamen-
te suministrada.
2. EI equilibrio que se forma entre 1a presion de vapor del liqui-
do y su presion parcial debe ser continuamente destruida.
Si cualquiera de estas dos condiciones son despreciadas, la evapo-
rizaci6n se retardara 0 en su defecto se detendra, (2, 15)
a).- INCREMENTO DE LA CONCENTRACION: ELEV ACION DELPUNTO DE EBULLICION.- Una propiedad muy importante durante la
evaporizaci6n de un liquido es el aumento de su concentracion. Aun cuan-
do la solucion que se va a evaporar puede ser 10 suficientemente dilulda
para tener muchas de las propiedades fisicas del agua, a medida que eI
solvents se va evaporando el contenido solido va aumentando y la solu-
cion adquiere propiedades particulares. La densidad y viscosidad se in-
crementan a medida que el contenido solido aumenta, hasta que la sclucion
llega a ser sobresaturada. El punto de ebulticion de la solucion puede au-
mentar considerablemente a medida que el contenido solido aumenta, de
tal modo que la temperatura de ebullici6n de una solucton iconcentrada
puede ser mucho mas alta que la de sol vente puro a la misma tempera-
tura. Este incremento en el punto de ebulliclon sobre el solvente puro
se llama elevacion del punto de ebullicion de la solucion, (7)
Este aumento es pequefio para soluciones diluidas pero puede Ile-
gar a ser muy grande para soIuciones concentradas de sales inorgani-
cas. (17)
Debido a Ia disociaci6n, la elevacion del punto de ebullrcion de
soluciones de electrolitos es mas grande que las de no electrolitos. (7)
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b).- EVAPORACION EN ESPACIOS LIMITADOS E ILIMITA-
DOS.- Cuando un liquido es evaporado en un recipiente 'de dimenciones
limitadas el vapor que se desprenda va lIenando e1 espacio que rodea
e1 liquido. A medida que 1a evaporacion continua e1 numero de molecu-
las ~n el estado de vapor aumenta y causa un incremento en la presionejer~'ida por el vapor contra las paredes del recipiente.
Cuandoalguna de estas moleculas golpea la superficie del liquido
puede ser atraida hacia el interior formando parte del hquido otra vez.
Este fen6meno, el reverso de la evaporacion, es lIamado condensacion.
Por 10 tanto, cuando un liquido se evapora en un espacio limitado, dos
fuerzas contrarias estan actuando: e1 proceso de evaporaci6n tiende a
cambiar el liquido al estado gaseoso y el proceso de condensacion tiende
a cambiar el vapor que se esta formando al estado llquido. Llegara un
memento en que la velacidad de condensaci6n sea igual a la velocidad de
evaporaci6n y un equilibrio dinamico se habra establecido y la evapora-
cion cesara, (12)
•En este estado de equilibrio el espacio que rodea el liquido se dice
que esta lleno con vapor saturado mientras que en cualquier otro estado
antes que se alcance el equilibrio, se dice que el vapor esta no saturado.
La presion ejercida por el vapor en equilibrio con el liquido sobre las pa-
redes del recipiente, es llamado presion de vapor de liquido a 1a tempera-
tura existente.
Cuando e1 espacio en e1 cua1 la evapcracion se efectua es Ilimite-
do, hay un flujo continuo de moleculas de 1a superficie del liquido a1
espacio exterior diatribuyendose en la atmosfera sin regresar a1 liquido.
Las condiciones de equilibrio, por 10tanto, no se pueden lograr y. la eva-
poracion continuara a una velocidad uniforme mientras la temperatura
sea mantenida constantemente y el Jiquido pasara indefinidamente a1 es-
tado de vapor hasta que desaparezca totalmente. La evaporacion en estos
casos se suspen.de cuando 1'3.solucion ha alcanzado e1 grado de saturaci6n
deseado 0 se puede continuar hasta que se efectue la cristalraacion. La
velocidad a la cual es formado el vapor dependera de·la temperatura a
Ia cua1 esta sometida la soluci6n. (12)
Un incremento en la temperatura del liquido es equiva1ente a au-
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mentar la energia cinetica de traslaci6n. de sus moleculaa y por 10 tanto
aumentara su habilidad para veneer las fuerzas de atracci6n con otras mo-
leculas.
La elevaeion de la temperatura del liquido resultara en un aumen-
to d. numero de moleculas que eseapan de la superficie libre del liquido
y por 10 tan.to, la evaporacion se efectuara mas rapidamente.
La energta cinetica y por consiguiente la tendencia a escapar de
las moleculas es una funci6n directa de la temperatura. (12)
II •.L. GENERALIDADES SOBRE CRISTALIZACION
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CRISTALIZACION
La cristalizaci6n es una operacron unitaria que consiste en Ia for-
macion de una substancia cristalina, a partir de soluciones 0 de masas
fundidas. (16)
,~,Esta operacion es de gran importancia en 1a industria debido a la
. gran cantidad de productos que se venden en el mercado en 1a forma de
cristales. Su extenso uso se debe a que los cristales formados a partir
de una solucion impura son relativamente puros, al mismo tiempo que
proporcionan un metodo practice para obtener substancias quimicas en
una forma atrayente al consumidor y en un estado aproplado para rnani-
pularlas, empaquetarlas y almacenarlas. (9)
1).-METODOS DE CRISTALIZACION
La criatalizacion de un soluto partiendo de una solucion puede efectuar-
se por tres diferentes metodos: (8)
1. Cristalizacion por expulsion del disolvente. Por este metodo la
eliminaci6n del solvente puro es lograda generalmente por una evapora-
cion cambiando de esta manera la ccmposicion de la solucion hasta que
Ilegue a ser sobresaturada y la eriatalieacion tome lugar uti lizandose ge-
neralmente para concentrar soluciones diluidas.
2. Cristalizacion por enfriamiento de soluciones saturadas. Este
metodo involucra un cambio de temperatura para producir condiciones
de baja solubilidad y consecuente saturacion y cristalizacion.
3. Metodos especiales. La crlstallaaclon puede efectuarse haciendo
un cambio en la naturaleza del sistema, por ejemplo, sales inorganicas
pueden inducirse a cristalizaci6n a partir de soluciones acuosas por la
adtclen de alcohol. Otros procesos industriales involucan la cristaliza-cion por 1a adicion de un material mas soluble el cual posee un ion en
comun con er soluto original.
La crlstallsacion pOI' enfriamiento de soluciones saturadas conti-
nua siendo el metodo predominante y el de mas extenso uso. Las solu-
ciones sobresaturadas empleadas para la cristalieacion pueden proceder
de Ia disolucion de materias brutas 0 de evaporacion de soluciones dilui-
das.
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2).- MECANISMO DE LACRISTALIZACION
Cualquier operaci6n de cr istalizacion debe de reunir los siguientes tres
pasos basic os : (10)
1. Sobresaturacicn de la solucicn
2. Formaci6n de nucleos cristalinos
3. Crecimiento del cristal
1-SOBRESATURACION (10) Una solucion la cual esta en equilibric
con la fase solida se dice que esta saturada con respecto al solido. Sin
embargo, es relativamente fadl preparar una sclucion que contenga mas
solido disuelto que el representado por la condicion de saturaci6n, en este
caso se dice que la solucion esta sobresaturada.
EI estado de sobresaturacion es un rasgo caracteristico de todas
las operaciones de cristalizaci6n.
La sobresaturaci6n de un sistema puede ser logrado por enfria-
miento, evaporacion, Ia adicion de un agente precipitante 0 un agente
diluyente 0 como resultado de la reaccion qulmica entre dos fases homo-
geneas, siendo Ia practica mas cormin para lograr una sobresaturaci6n
someter una solucion diIuida a una evaporaci6n.
Tanto la formacion de los cristales como su crecimiento tienen
una misma fuerza impulsora que es la sobresaturaci6n de la solucion.
La scbresaturacion necesaria en ciertos casos es tan pequefia que dificiI-
mente podra medlrse, 0 blen puede ser tan grande que Ia solucion este
en alto porcentaje mas concentrado que 10 que exige la curva normal de
solubiIidad.
La Figura No. 1 representa el diagrama de solubiltdad-sobresolu-
bilidad para un sistema cualquiera, La linea inferior representa la curva
normal de solubllidad. La temperatura y concentraci6n a la cual crista-
Iiaacion toma lugar espontaneamente esta representada por Ia linea su-
perior 0 curva de solubilidad. Los terminos labil y metastable se refieren
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a soluciones sobresaturadas en las cuales la cristalizaci6n espontanea de
la fase solida en ausencia de nucleos cristalinos, puede 0 no puede ocurrir
respectivame.nte. (10,16)
'" EI diagrama puede dividirse en tres zonas:
1. La zona estable 0 saturada donde la cristalizaci6n no es posible.
2. La zona metastable sobresaturada entre las curvas de solubi'li-
dad y sobresolubilidad donde no es posible la cristalizaci6n espontanea
a menos de que se agreguen nuclecs cristalinos 0 sea efectuar una siem-
bra de la soluci6n.
3. La zona sobresaturada inestable 0 labil donde la cristalizaci6n
espontanea es probable pero no inevitable.
c'
(Fig. 1) Temperatura
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Si una soluci6n representada por el punto A es enfriada sin perdida de
solvente (linea ABC) cristalizaci6n espontanea ocurrira solamente cuan-
do se alcance el punto C ,en este punto la cristalizaci6n puede ser es-
pontanea 0 inducirse por nucleos agregados, agitaci6n 0 impactos meca-
nicos ..~.,Sobresaturacion puede alcanzarse tambien por elirninacion de par-
tes del solvente por una evaporaci6n. La linea A, B' C', representa esta
operaci6n llevada a una temperatura constante, casi rara vez se alcanza
la region labil porque la superficie del liquido en la cual ocurre la eva-
poracion esta mas sobresaturada que la mayor parte de la solucion 10 cual
puede originar crisralizacion local, cayendo los cristales dentro de la so-
lucien y sembrandola antes de que las condiciones representadas por C'
sean alcanzadas.
En la practica una combinacion de evaporacion y enfriamiento es
empleada, tal operaci6n esta representada por la linea A', B", C".
EFECTO DE LA SOBRESATURACION SOBRE LA CRISTALIZA-
CION
La sobresaturacicn de la solucion es una variable que puede afec
tar el tamafio, forma y pureza del cristal asl como el rendimiento.
A medida que el soluto cristaliza, el solo precipitante puede a-
parecer como un nuevo micleo 0 depositarse sobre los cristales ya existen-
tes, La masa representada por nuevos nuclos es insignifieante con res-
peeto a la masa total, perc si un gran numero de nucleos se han formado
a expensas de una alta sobresaturacion, el solido disponible para cada
nucleo sera pequefio y para un crecimiento dado el producto final con-
sistira de pocos cristales grandes y muchos cristales pequefios. (9)
La alta sobresaturaci6n conducira a una alta velocidad de produc-
cion de cristales y estes seran de un tamaiio pequefio y no uniforme a la
vez que retendran cantidades considerables de licores madres al sepa-
rarse de la so1uci6n 10que origina que los cristales obtenidos no sean muy
puros.
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A menudo, los cristales que se originan en condiciones de sobre-
saturacion altas, adoptan formas dentriticas 0 arborecentes, esta forma
permite un crecimiento cristalino rapido ya que los extremos de las den-
tr itas estan cerca de lugares relativamente mas saturados que el resto
de I&<clucion,
Empleando soluciones con bajas sobresaturaciones, resultara una
baja velocidad de produccion de cristales y estos seran grandes y unifor-
mes reteniendo una proporcion minima de los Iicores madres al separarse
de la soluci6n, 10 que conduce a obtener un producto cristalino relati-
vamente puro.
Cuando la soluci6n sobresaturada alcanza el nivel de saturaci6n
la cristalizaci6n cesa, a menos que se siga evaporando el solvente por
evaporaci6n natural 0 por la ayuda de calor Ia cristalizaci6n continuara.
En la Figura No. 2 esta graficada la velocidad de crecimiento y la
velocidad de nucleacion con respecto a la sobresaturaci6n. La linea A
muestra que la velocidad de crecimiento se incrementa uniforrnernente a
medida que se incrementa la sobresaturacion. La curva B es la velocidad
de nucleacion la cual es muy lenta al principio aumentando un poco en
la regi6n metaestable y crece rapidamente al Begar a la region labil, Se
observa que el crecimiento pre domina sobre la nuc1eaci6n a bajas sobre-
saturaciones pero la nucleacion predomina sobre el crecimiento a altas sa-
turaciones. (9)
Generalmente el objetivo de la cristalizaci6n es obtener un maxi-
mo de crecimiento con un valor de nucleacion bajo, esto se logra operan-
do en un promedio de sobresaturacion mas bajo que el que corresponde a
una rapida nuc1eaci6n, sacrrficandose por esto el rendimiento por la re-
ducci6n de la sobresaturaci6n. (9)
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Fig. '2.
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2.- FORMACI ON DE LOS CRISTALES
La preparacion de 1a materia cristalina partiendo de una solucion
comprende dos etapas: primero tienen que formarse los cristales y des-
pues crecer alrededor de micelos, por consiguiente 1a teoria puede divi-
dirse en dos partes: (16)
a.- Nucleaci6n 0 formacion de nucleos cristalinos.
b.- Crecimiento result ante de los mismos.
NUCLEACION
La condicion de sobresaturacion no es factor sufic.iente para queun sistema empiece a cristalizar. Antes que los cristales puedan crecer
debe de existir en 1a solucion un numero de s6lidos pequefitsimos conoci-
dos como centros de cristalizaci6n, semillas, embriones 0 nucleos. (16)
La nucleacion es 1a formaci6n espontimea 0 inducida de los prime-
ros cristales de soluto 0 puede definirse como la generacion espontimea
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o inducida dentro de una fase metaestable de una fase mas estable en 18
cual un cristal es capaz de crecer. (16)
La nucleacion puede ocurrir espontaneamente 0 puede ser induci-
da artificialmente refiriendose respectivamente a una nucleacion homo-
g e n e s . y heterogenea,
Exactamente como se forma un micleo de un cristal dentro de un
sistema liquido no es conocido con certeza. Probablemente el mecanis-
mo de nucleacion es como sigue : pequeiias estructuras son formadas, pri-
mere por la colision de dos moleculas, luego el choque de otra con el par
formado y as! sucesivamente hasta formar pequeiios nucleos (5), estos
micleos pueden existir momentaneamente porque, ademas de las fuerzas
atractivas y repulsivas entre las moleculas, existe otra fuerza destructi-
va de las moleculas del solvente sobre los micleos formados. (5) EI proce-
so de construccion, el cual ocurre muy rapidamente solamente puede
continuar en regiones locales de muy alta concentracion, muchos de es-
tos nucleos se redisuelven debido a su extrema inestabilidad, sin embar-
.,,"0. """n~n ""tn.. ".;..l"n..."l .."n..,," .,.. ,.........:" ,... 7.. " ~",~. _ L ,,~
y el proceso de desarrollo de cristal continua alrededor de elIos. (5)
La nucleacion espontanea ocurre cuando durante el enfriamien-
to de una solucion el sistema alcanza la region labil (Fig. 1).
NUCLEACION INDUCIDA
El segundo tipo de nucleacion que puede ocurrir es la inducida la
cual puede ser el resultado de uno 0 mas de los siguientes factores: (7,11)
r-rrmero. Impactos mecanicos producidos por una agitacion vi
gorosa.
Segundo.- Efecto catalitico de cristales ya existentes de crista-
rizaciones anteriores.
Tercero.- Variaciones locales de concentracion,
Cuarto.- Nucteos agregados a la solucion en forma de semillas
que pueden ser del mismo material del soluto.
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Quinto.- Nucleos que provengan del exterior como puede ser pol-
vo suspendido en el aire, basura, etc.
3.- CRECIMIENTO DEL CRISTAL
S o '
Tan pronto como un nucleo estable, 0 sea partlculas mas gran des
. que el tamafio critico han side formados en un sistema sobresaturado,
empiezan a crecer en la forma de cristales de tamafio visible. (5)
Basicamente el crecimiento del cristal consiste de dos pasos : Dih ..-
sian de los iones 0 moleculas a la superficie del cristal en crecimiento y
la deposicicn de estas iones sobre 1a superficie. (16)
El crecimiento del cristal es un proceso difusional modificado po-
el efecto de la superficie salida sabre la cual ocurre el crecimiento. Las
moleculas 0 iones del soluto llegan a las caras en desarrollo del cristal
par difuslon a travez de la fase liquida. Cuando llegan a la 'superficie
las moleculas 0 iones deben ser aceptadas por el cristal y organizados
dentro del enrejado. (16)
La reaccion ocurre en la superficie a una velocidad definida y e;
proceso total consiste en dos pasos en serie: los pasos difusional y el in-
terfacialn.o se Ilevaran a cabo si no existe en el sistema las condiciones
de sobresaturaci6n.
3).-EFECTOS DE LAS IMPUREZAS SOBRE LA CRISTALIZACION
Las impurezas tienen infIuencia en el desarrollo del cristal mas
prominentemente sobre el habito cristalino del solido que se est& sepa-
rando, (11). EI habito de un cristal puede definirse como el tipo de for-
ma f''ltt ....n", 1 ", . . .11.,,1 .." ..,,1+.. rl.. t.•_ A.~&. ._ _. '.!I . lit: Ut::>ClrrouaOf'
las caras del cristal, (16). Son muchos los factores que afectan el habito
cristalina los cuales puedan ser: el tipo de solvente, el pH de la solucion,
la presencia de impurezas, el grado de sobresaturacion, velacidad de en-
friamienta, temperatura de cristalizaci6n, etc., (5).
Algunas veces el pH de una solucion tiene una infIuencia sobre el
tipo de cristal que esta creciendo, Por ejemplo, el sulfato decobre cris-
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taliza normalmente en la forma de. gran des granulos, pero puede crista-
lizar en la forma de hojas delgadas desde una solucion acida (5) sin em-
bargo, el pH no es uno de los principales factores que afectan el habito
de un cristal siendo la causa mas comun de la modificacion la presenciade impurezas en la solucion. Pequefias impurezas 0 de otros componentes
aparte del soluto y el solvente pueden influir fuertemente sobre Ia cris-
talizaci6n afectando la nucleacion y el crecimiento.
Iones trivalentes, tales como ion ferr'ico, pueden actuar como un
activo modificador del habito cristalino; esta modificacion es esencial-
mente un Eenomeno de superf icie, las molecules de impurezas 0 iones
son atrapados en las caras del cristal y flsicamente absorbidas en la su-
perficie.
~)._:_TAMA~O DEL CRISTAL Y PUREZA
Un factor de importanCia que hay que considerar en un proceso
de crlsralizacion es el tamaiio y la forma del cristal obtenido ya que al-
gunas veces se requiere que el crista! sea de un tamaiio uniforme para
que su aspecto sea satisfactorio, para impedir que se formen terrones, pa-
ra faciIitar su lavado y para que su comportamiento sea uniforme al
usarlo. (11)
No bay ninguna ventaja real justificada en relacion con el tama-
no del cristal ya que los cristales grandes no son necesariamente mas
puros que los pequeiios cristales.
Las impurezas pueden ser atrapadas en los cristales el momenta
de estar creciendo 0 pueden incorporarse dentro de la estructura cris-
talina 0 bien quedar absorbidas en la superficie especialmente si La ve-
locidad de crecimien.to es alta y los cristales grandes. (16)
Por otro lado si cristales pequefios son producidos la cantidad de
impurezas producidas puede ser grande tambien, debido a la gran su-
perficie que presentan pequefios cristales. (5)
Si el tamafio es de importancia, altas saturaciones conduciran a una
alta velocidad de produccion y los cristales obtenidos seran pequefios,
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en estos casos la alta velocidad de. formaci6n del cristal puede conducir
a que queden ocluidos dentro del cristal impurezas 0 licores madres, (16)
Para bajas sobresaturaciones la velocidad de producci6n de cristales es
baja y generalmente conduce a obtener cristales grandes.
'"'La unica generalizaci6n segura es que los cristales de la mas alta
pureza son obtenidos a expensas de un crecimiento lento partiendo de
dna solucion la cual es agitada lentamente (5). Las siguientes conside-
raciones pueden aplicarse para obtener cristales relativamente puros, (5,9)
1. Mientras mas alta sea la.pureza de los licores madres, menor can-
tidad de impurezas entraran en el cristal.
2. La separaci6n de los cristales de los licores madres debera ser
tan completa como sea posib1e, asimismo e1 lavado debera ser efectivo.
3. La mayor pureza puede obtenerse por un crecimiento cristalino
ordenando con una velocidad de desarrollo lenta a expensas de una baja
sobresaturaci6n.
b).- LAVADO. (11,5)
Los cristales producidos en un cristalizador despues de que han
sido separados de los licores madres pueden retener adheridas a su su-
perficie parte de estos licores los cuales al secarse resultara una masa
cristalina relativamente irnpura, Estas impurezas permaneceran en el
cristal a menos que algun metodo sea empleado para eliminarlas. La
practica mas cormm es lavar los cristales una 0 varias veces con disolven-
te nuevo 0 puede efectuarse el lavado usando una soluci6n frta, casi so-
bresaturada de la substancia pun en el disolvente. Si los cristales son
muy solubles en el solvente empleado, otro liquido puede ser utilizado
en el cual la substancia sea relativamente insoluble.
En una operaci6n de lavado, siempre se corre el riesgo de disol-
ver parte del material que se esta lavando, 10 que conduce a bajar el ren-
dimiento de la cristaIizaci6n. Estos licores de lavado contaminado puede
ser recirculado al sistema 0 utilizarse para otros fines. En principio este
metodo puede dar un producto de cualquier pureza deseada, siempre y
cuando las impurezas no eaten ocluidas dentro de la estructura crista-
Una.
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La eficiencia de una operacion de Iavado dependera de la forma
y tamafio del cristal, facilitandose cuando los cristales son grandes.
La recristalizaci6n puede ser usada tambien para incrementar la
pureza del producto, sin embargo, un huen lavado de cristales es 10 mas
com~n. y satisfactorio.
··4).- RECRISTALIZACION
Una sola operaci6n de recristaIizaci6n de una solucion produce ge-
neralmente un producto cristalino puro. Sin embargo. puede suceder que
las impurezas esten presentes dentro del cristal en grandes cantidades.
Para obtener un producto mas puro se puede practicar una recristaliza-
cion 0 sea repetir una 0 varias veces la cristalizaclon, Esta es una tecnica
de purificacion muy 6til y extensamente empleada, si la operaci6n es
repetidaalgunas veces, muy altos grados de pureza pueden ser obteni-
dos. (10)
La recristaHzaci6n hace posible Ia vellminacion de impurezas de
una mas cristaJina por una redisolucion de los cristales en una pequefia
cantidad de solvente nuevo caliente. y-enfriando la solucion para obte-
ner cristales mas puros permaneciendo las impurezas en la so1uci6n (5).
Estos pasos tienen que repetirse muchas veces antes de que los
cristales obtenidos sean de la mas alta pureza. Un esquema de un re-
cristaHzaci6n esta representada en la Figura No.3:
s
1AS
s
1----> X I
s
1----:> X 2 ----> X 3
v
1Iv
L 2v
L 3
FIG. 3.- RECRISTALIZACION SIMPLE
_A1
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Una masa cristalina impura AB (A es el componente puro, B es la
impureza) es disuelto en la minima cantidad de solvente caliente S y
luego enfriado, los cristales obtenidos que los hacen Xl contendrim me-
nos impurezas que la mezcla original, pero si el grado de pureza que sedesea no se ha alcanzado el procedimiento puede repetirse. Los cristales
Xl ton disueltos en mas solvente fresco S y recristalizados para obtener
el producto X2 y as! sucesivamente. Ll, L2, L3 representan los Iicores rna-_;" ,
'n",,,,.
En. lasucesion de operaciones anteriores la perdida del componen-
te A puedeser considerable y la cantidad final de cristales puros puede
ser solo una pequefia fraccion de la mezcla inicial AB.
Tiempo de .Cristalizacion.
Durante un proceso de criatalisacion es necesario esperar cierto
tiempo para que se formen los primeros cristales de solute y empiece
la crlstalisacion, 0 tambien, cuando se trata de soluciones concentradas
cahentes, para que el sistema vaya gradualmente disminuyendo su tem-
peratura y la recristalizacion se efectue. (10)
El rapido enfriamiento de una sclucion concentrada seguida es cau-
sa de que el cristal se desarrolle en una direccion particular, conducien-
do la formacion de agujas. (5)
El tiempo que dure la cristallaaclon en un cristalizador depende
generalmente del grado de sobresaturacion ya que una alta sobresatura-
cion puede conducir a una rapida cristalizaci6n aunque la solucionsea
enfriada muv lentamente.
CRISTALIZACION EN TANQUES ABIERTOS
La practica comun de produccion de cristales consiste en preparar
soluciones calientes casi sobresaturadas y dejarlas enfriar en tanques
rectangulares abiertos a temperatura ambiente. Estos tanques permiten
una area de gran superficie de solucion que esta en contacto con la at-
mosfera. La solucion caliente concentrada de soluto es vaciada dentro del
tanque donde es enfriada por conveccion natural y evaporacicn por de-
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terminados pertodos de tiempo, generalmente unos pecos dias. Pocas ve-
ces se intenta cebar con cristales estos tanques porque la nucleacion ge-
neralmente ocurrerapidamente debido a la presencia de po1vo en 1a at-
mosfera 0 fragmentos cristalinos de cristalizaciones anteriores. A ve-
ces se cuelgan varillas en los tanques para proporcionar a los cristales
una 'Area suplementaria sobre la que puedan crecer y para mantener una
parte por 10 menos del producto, alejada de los sedimentos que puedan
. depositarse en e1 fondo. Cuando los tanques se han enfriado 10 suficien-
te, los licores madres son drenados y los cristales recogidos a mano. (11)
La evaporaci6n superficial desarrolla en la superficie de la 8011<-
cion una sobresaturacion local que tiende a producir nucleaclon en ella,
los crista1es al adquirir un peso considerable caen al fondo donde conti-
nuan creciendo. La nucleacion puede producirse tambien cerca de la pa-
reddel cristalizador porque siempre se trasmite algo de calor a travez
de las paredes al medio ambiente. (10)
Para produccion pequefia de cristales del grado comercial el me-
toda de cristaIizacioll ell tanques abiertos puede resultar el mas econ6mlco.
En el laboratorio y en operaciones a gran escala los primeros sig,-
nos de nucleaciones aparecen en una region dada del recipiente, gene-
ralmente en regiones dode hay un alto grado local de sobresaturaciones.
como puede ser cerca a 1a superficie de enfriamiento 0 en la superficie
del liquido, pudiendo aparecer tambien en pequefias grietas 0 irregula
ridades de recipiente 10 cual induce a una nucleacion, (10)
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RESUMEN HISTORICO.- El sulfato de cobre fue conocido desde la
antiguedad por los griegos y rornanos. Plinio cita la precipitacion de co-
bre mediante el fierro, procedimiento que fueaplicado mas tarde en la
edad media para beneficiar el cobre de sus minerales. La primera rna-
terla-para preparar el sulfate de cobre en la antiguedad fue el agua de lasminas de Chipre y Espana.
Van Helmont en 1644 y Glauber en 1648 dieron procedimientos
para prepararlo artificialmente, el primero calentando largo tiempo co-
bre yazufre y lixiviando despues el producto formado y el segundo ata-
cando el cobre con el acido.
ESTADO NATURAL.- El sulfato de cobre lIamado tambien caparrosa
vitriolo azul, vitriolo de Chipre 0 Piedra Lipis y en mineralogta chal-
cantita 0 cianosa se encuentra en la naturaleza formando el compuesto
CuS04 5H20, en las aguas de cementacion de las minas de cobre y en la
forma de sulfatos baslcos en los minerales langita y bronchantita
(2CuS04 - SCu (OH)2.
PROPIEDADES FISICAS Y QUIMICAS.- El sulfato de cobre hi-
dratado con S moleculas de agua cristaliza de soluciones acuosas en la
forma de cristales tricIinicos azules y transparentes, los cuales eflorecen
lentamente en el aire y se desintegran por una exposicion prolongada a
la atmosfera con perdida parcial de agua, tomando un color blanco.
PROCEDIMIENTOS DE OBTENCION.- El sulfate de cobre se ob-
tiene tratando el cobre rnetalico mediante el acido sulfuricc caliente y el
acido nttrico segun la ecuacion :
Cu +'H2S04 + 2HN03 2N02 + 2H20 + CuS04
El ataque del cobre por el acido sulfiirico s610 se efecttia a tempe-raturas elevadas y con lentitud. pero la presencia del acido nitrico per-
mite Flue se haga con rapidez.
En la industria se obtiene partiendo de los sulfuros naturales de
cobre y fierro, estos se calientan ligeramente para que se oxiden parcial-
mente y se transformen en sulfatos, los cuales se lixivian despues con
agua.