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Síntesis de cloruro de zinc a partir de óxido de zinc y ácido clorhídrico...

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“Año de la lucha contra la corrupción e impunidad”

hE/sZ^/E/KE>^E>h/^'KE^' FACULTAD DE INGENIERÍA QUÍMICA

Laboratorio de procesos industriales II

Síntesis de cloruro de zinc a partir de óxido de zinc y ácido clorhídrico Docente:

MSc. Ing. Carlos R. Arce Cruzado

Integrantes:

 Amaya Gallardo Marcia Sofía  Carrasco Cumpa Katherine  6iPDPp&RURQDGR$QGUHD

 Quispe Bravo Gianella Grethel  Ramos Montero Gerson Edut

Fecha de entrega: 07/08/2019

SINTESIS DEL CLORURO DE ZINC ANHIDRO I.

INTRODUCCIÓN El presente trabajo se realizó en el laboratorio de procesos industriales de la facultad de ingeniería química e industrias alimentarias (FIQIA) como parte del desarrollo del curso de procesos industriales II. El cual consiste en sintetizar cloruro de zinc a partir de óxido de zinc que proporciono la facultad, dicha materia prima cuenta con 99,97% de pureza en una solución de ácido clorhídrico (HCl) que lo ideal para la síntesis hubiera sido 37% sin embrago sabemos que dicho insumo es fiscalizado y controlado lo que hace difícil conseguir en altas concentraciones. Para la cual se trabajó con ácido clorhídrico al 35%, reactivo que fue agregado ligeramente por exceso para compensar la concentración. La finalidad de sintetizar el cloruro de zinc dado que tenemos conocimiento que se importa 10000 y 100000 toneladas anuales desde Europa hacia las diversas partes del mundo por los usos extendidos que tiene el cloruro de zinc. Los usos vienen dados desde por los consumidores (estimulan la actividad de numerosas enzimas en el cuerpo), en artículos por los trabadores (investigación), en la reformulación o reenvasado en instalaciones industriales.

II.

OBJETIVOS 2.1.

OBJETIVO GENERAL:

Sintetizar cloruro de zinc anhidro a partir de óxido de zinc y ácido clorhídrico bajo condiciones regulables

2.2.

OBJETIVOS ESPECIFICOS:

•Aplicar los conocimientos teóricos del curso de Procesos Industriales II que nos permitan desarrollar y verificar la viabilidad de la elaboración de cloruro de Zinc a partir de los reactivos mencionados a escala de laboratorio. •Evaluar las propiedades físicas y químicas del cloruro de Zinc como producto final. •Correlacionar la estructura y las propiedades de cada reactivo, con el fin de establecer criterios que permitan la predicción y regulación de las propiedades del producto final mediante una adecuada selección de los componentes al inicio del proceso. III.

FUNDAMENTO TEORICO 3.1.

ESTRUCTURA Y PROPIEDADES BÁSICAS

3.1.1. Estructura cristalina: El cloruro de zinc es un compuesto químico cuya fórmula es ZnCl2. Se conocen cuatro formas cristalinas diferentes de cloruro de cinc, incoloras o blancas, muy solubles en agua. El ZnCl2 es higroscópico e incluso delicuescente. Por tanto, las muestras deben protegerse de las fuentes de humedad, incluido el vapor de agua presente en el medio ambiente. A continuación se explica 3 formas polimórficas del ZnCl2.  Forma α: La forma α, obtenida a partir de una solución o por rápido enfriamiento del sólido fundido, produce una estructura tridimensional generada por la unión de tetraedros de ZnCl 4, con un arreglo cúbico compacto de iones cloruro en el que los iones zinc ocupan algunos huecos tetraédricos.  Forma β :

Un enfriamiento lento del sólido fundido produce la forma β, con iones cloruro empaquetados de forma hexagonal donde los iones zinc ocupan algunos huecos tetraédricos.  Forma γ: La forma γ, obtenida a partir de una solución calentada a una temperatura mayor o igual a 75ºC, tiene una estructura en capas parecida al HgI2, con iones zinc en los huecos tetraédricos entre las capas alternadas de iones cloruro que forman un empaquetamiento cúbico compacto (Fig.7).

Figura 7. Estructura laminar de cloruro de zinc (γ -ZnCl2). A concentraciones menores de 1M, las soluciones de ZnCl 2 están completamente disociadas en iones Zn +2(ac) y iones Cl- (ac). Soluciones más concentradas contienen moléculas lineales ZnCl 2, tetraedros ZnCl 4-2 y posiblemente iones planares ZnCl3- 2. El cloruro de zinc presenta polimorfismo. En todos los casos el ión Zn2+ presenta coordinación tetraédrica con cuatro ligandos cloruro. Por enfriamiento rápido de ZnCl2 fundido se obtiene un vidrio, es decir, un sólido amorfo. Adicionalmente el ZnCl 2 forma hidratos por inclusión de agua de cristalización, y al menos un hidróxido mixto, ZnClOH. La forma anhidra presenta un enlace con marcado carácter covalente que se manifiesta en su relativamente bajo punto de fusión, entre 275 y 318 °C. Otras evidencias de su covalencia es su alta solubilidad en solventes como el éter, con los que forma aductos de fórmula ZnCl2L2 donde L es un ligando tal como dietiléter, O (C2H5)2.Sus soluciones acuosas

presentan carácter ácido, debido a que el ión Zn 2+ es un ácido de Lewis. Por ejemplo una solución acuosa 6 M tiene un pH de 1. 3.1.2. Hidratos: Se conocen cuatro hidratos de cloruro de zinc. Los cuatro hidratos de cloruro de zinc tienen la fórmula ZnCl2 (H2O)n donde n = 1, 1.5, 2.5, y 3. El 4-hidrato, ZnCl2 (H2O)4 cristaliza a partir de disoluciones acuosas de cloruro de zinc. Cuando se calienta el cloruro de zinc hidratado a partir de una disolución acuosa, se obtiene un residuo de ZnOHCl. En solución acuosa, el cloruro de zinc se disocia por completo dando iones Zn2+. Por ello, aunque las distintas sales de zinc tienen diferentes fórmulas y estructuras cristalinas, su comportamiento en solución acuosa es muy similar. Por ejemplo, las soluciones de los diferentes polimorfos de ZnCl2, así como las de otros haluros (bromuro, ioduro) y la de sulfato de zinc, a menudo se pueden utilizar en forma indistinta para la preparación de otros compuestos de zinc. Un ejemplo de esto es la obtención de carbonato de zinc: ZnCl2 (aq) + Na2CO3(aq) → ZnCO3(s) + 2 NaCl(aq) 3.1.3. Purificación: A diferencia de otros elementos que poseen varios estados de oxidación, el ión zinc solamente existe con carga 2+ por lo que su purificación es más simple. Las muestras comerciales de cloruro de zinc contienen como impurezas típicas algo de agua y productos de hidrólisis. Tales muestras pueden purificarse por extracción con dioxano en caliente, que lo disuelve. Luego se filtra en caliente y al enfriar el filtrado se obtiene un precipitado de ZnCl2. Las muestras anhidras se purifican por sublimación en una corriente de cloruro de hidrógeno gas, seguido de calentamiento a 400 °C en corriente de gas nitrógeno. Finalmente, el método más simple parte del tratamiento de cloruro de zinc con cloruro de tionilo.

3.2.

MASA MOLAR Y LA COMPOSICIÓN ELEMENTAL

Composición elemental de ZnCl2: Símbolo

Elemento

Peso atómico

Átomos

Porcentaje en masa

Zn

Zinc

65,38

1

47,9726 %

Cl

Cloro

35,453

2

52,0274 %

3.3.

APLICACIONES

3.3.1. Decapante en metalurgia: El cloruro de zinc tiene la capacidad de atacar a los óxidos metálicos dando derivados de fórmula MZnOCl2. Esta reacción es importante por el uso del ZnCl2 como decapante en soldadura metálica, disuelve las capas de óxido exponiendo la superficie de metal limpia. Estos decapantes se preparan disolviendo una hoja metálica de zinc en ácido clorhídrico hasta que el líquido deja de desprender hidrógeno. Debido a su naturaleza corrosiva, este decapante no es adecuado para situaciones en las que no puedan limpiarse los residuos, tales como en trabajos de electrónica. Esta propiedad también permite su uso en la fabricación de cementos de óxido

de magnesio para empaste dental y como ingrediente activo en ciertos enjuagues bucales. 3.3.2. En síntesis orgánicas: En el laboratorio, es ampliamente usado el cloruro de zinc, principalmente como ácido de Lewis de fuerza moderada. Puede catalizar reacciones en las que intervienen anillos aromáticos activados, como: (A) Síntesis de índoles de Fischer, y también (B) Acilación de Friedel-Crafts.

Un ejemplo es la conocida preparación del pigmento fluoresceína a partir de anhídrido ftálico y resorcinol, en la que interviene una acilación de Friedel-Crafts. De hecho, esta transformación ha sido llevada a cabo usando incluso ZnCl2 hidratado tal como aparece en la reacción anterior.

El ácido clorhídrico por sí solo reacciona pobremente frente a alcoholes primarios y alcoholes secundarios, pero una combinación de HCl con ZnCl2 (mezcla conocida como "reactivo de Lucas") es eficaz para preparar cloruros de alquilo, típicamente a la temperatura de 130 ºC. Esta reacción probablemente transcurre mediante un mecanismo de reacción SN2 con alcoholes primarios pero un mecanismo de reacción SN1 con alcoholes secundarios.

El cloruro de zinc también activa a los haluros de bencilo y alilo en reacciones de sustitución con nucleófilos débiles como alquenos:

De igual modo, ZnCl2 promueve la reducción selectiva con NaBH3CN de haluros alílicos o bencílicos terciarios, dando los correspondientes hidrocarburos. El cloruro de zinc es también un útil reactivo iniciador para la síntesis de muchos reactivos de organozinc, tales como los usados en la reacción de acoplamiento de Negishi con haluros de arilo o de vinilo, catalizada por paladio. En tales casos el compuesto de organozinc se prepara normalmente por transmetalación de un compuesto de organolitio o de un reactivo de Grignard, por ejemplo:

Los enolatos de zinc, preparados a partir de metales alcalinos y ZnCl 2, proporcionan control de estereoquímica en reacciones de condensación aldólica debidas a quelación sobre el átomo de zinc. En el ejemplo mostrado debajo, el producto treo se favorece sobre la forma eritro en un

factor de 5:1 cuando se usa ZnCl 2 en dimetoxietano (DME)/éter.[10] El quelato es más estable cuando el voluminoso grupo fenilo es pseudoecuatorial más que cuando es pseudoaxial, esto es, treo más bien que eritro. 3.3.3. En procesado textil: Las disoluciones acuosas concentradas (más del 64% masa/masa de cloruro de zinc en agua) tienen la interesante propiedad de disolver el almidón, la seda, y la celulosa. Por tanto, tales disoluciones no se pueden filtrar a través de papel de filtro ordinario. El ZnCl 2 se usa como agente resistente al fuego y en ambientadores o absorbe olores textiles tales como Febreze. 3.3.4. Celdas secas o baterías : El cloruro de zinc se usa comúnmente en las baterías de celdas secas como un electrolito donde también actúa como un absorbente de humedad e inhibidor de corrosión. Es una excelente fuente de zinc soluble en agua para usos compatibles con cloruros. Los compuestos de cloruro pueden conducir electricidad cuando se fusionan o disuelven en agua. 3.3.5. Flujos de galvanizado, soldadura y estañado: El cloruro de zinc se utiliza en fundentes para galvanizar, soldar y estañar. Su capacidad para eliminar óxidos y sales de superficies metálicas asegura una buena unión de metal a metal. Tiene la capacidad de atacar los óxidos metálicos (MO) para dar derivados de la fórmula MZnOCl2. Esta reacción es relevante para la utilidad del cloruro de zinc como fundente para la soldadura: disuelve los recubrimientos de óxido que exponen la superficie metálica limpia. Típicamente, este fundente se preparó disolviendo la lámina de zinc en ácido clorhídrico diluido hasta que el líquido dejó de desarrollar hidrógeno; Por esta razón, tal flujo alguna vez se conoció como espíritus muertos o "Marela".

3.3.6. Agricultura: El cloruro de zinc se usa muy raramente en la agricultura. Se puede hacer reaccionar con agentes quelantes para formar soluciones de zinc que están biológicamente disponibles para plantas y animales. Es la fabricación de quelatos que consume cloruro de zinc. 3.3.7. Tratamiento de agua: Se utiliza en inhibidores especiales de corrosión en torres de enfriamiento, agua potable y en pozos de gas y petróleo. 3.3.8. Resinas: Se utiliza en la producción de resinas de intercambio iónico. 3.3.9. Pinturas: Se utiliza para la producción de litopona y como pigmento para el cromato de zinc. 3.3.10.

Caucho:

Se utiliza como acelerador en el proceso de vulcanización del caucho. 3.3.11.

Pegamento, trabajo de la madera:

El cloruro de zinc se usa para la conservación del pegamento y para la impregnación de la madera. 3.3.12.

Impresión:

Se utiliza en offset en los productos químicos. 3.3.13.

Control de olores:

Reacciona con sulfuro para minimizar la liberación de gas H2S en las instalaciones de tratamiento de residuos. 3.3.14.

Pozos de petróleo y gas:

Las soluciones de alta densidad de cloruro de zinc y cloruro de calcio brindan un buen desempeño en la terminación de pozos y operaciones de

reparación;

las

soluciones

también

se

usan

como

fluidos

de

empaquetamiento en ciertas condiciones de pozo. El ZnCl2 se ha utilizado en inhibidores de corrosión especializados y rompedores de emulsión invertida. También ayuda como eliminación de azufre. 3.3.15.

Fibra vulcanizada y caucho recuperado:

El papel de hoja de agua está gelatinizado con solución de cloruro de zinc, es menos pegajoso, más seco y absorbe menos humedad que el caucho cáustico recuperado. 3.3.16.

Medicamento animal:

Se utiliza para la producción de bacitracina de zinc. 3.3.17.

Herbicida:

El cloruro de zinc se usa como herbicida. Se utiliza para controlar el liquen y el musgo que crecen en los techos de las casas y otras viviendas domésticas, a lo largo de los paseos, caminos de acceso, cercas y donde crece el musgo. 3.3.18.

Químico:

El cloruro de zinc se usa en la producción de acetato de etilo. Se utiliza como agente de condensación para la producción de colorantes orgánicos. Se utiliza como agente estabilizante para compuestos de diazonio. Se utiliza para la producción de carbón activo. El cloruro de zinc anhidro se utiliza para la reacción de Friedel Craft, la destilación azotrópica o azeotrópica, la desecación, etc. IV.

MATERIALES , REACTIVOS Y EQUIPOS 4.1.

MATERIALES:

 PASTILLA MAGNÉTICA  TERMÓMETRO (Rango 250°C)  BALANZA ANALÍTICA

 VASO DE PRECIPITACION DE 100 ml  VASO DE PRECIPITACIOIN DE 250 ml  BAGUETA  PINZAS DE MADERA  VIAL O FRASCO DE VIDRIO DE COLOR AMBAR  ESPATULA

4.2.

REACTIVOS:

 ACIDO CLORHIDRICO ( 35% )  OXIDO DE ZINC ( 99.97% )

4.3.

EQUIPOS DE PROCESO

 AGITADOR MAGNETICO  ESTUFA

V.

PROCEDIMIENTO 5.1.

Diagrama de flujo:

ZnO

HCL(ac)

LIXIVIACION ZnCl2(ac) H2O(v)

EVAPORACION

CRISTALIZACION ZnCl2(s)

5.2.

Descripción de operaciones:

5.2.1. Lixiviación: Es un proceso en el que un disolvente líquido pasa a través de un sólido pulverizado para que se produzca la disolución de uno o más de los componentes solubles del sólido. Tipos de Lixiviaciones: Agua - - - - Sulfatos y cloruros Ácidos - - - - H2SO4, CuO, ZnO y Fe2O3 Alcalina - - - - Al, W, V, Ti, Ta, Nb HCl - - - - - - Uranio, Residuos de Pirita, Cu, Ni, Zn, ZnO, Co, Pb. NaCN - - - - Au, Ag. Tiurea - - - Au Durante la fase de lixiviación el Óxido de Zinc es tratado con una solución diluida de Ácido Clorhídrico La principal función de esta lixiviación ácida en medio clorhídrico es la obtención de cloruro de Zinc esto se realiza a una temperatura próxima a la ebullición. De esta forma se disuelven los compuestos para ser llevados a una etapa de evaporación en la que se puede generar los cristales de cloruro.

5.2.2. Evaporación : La evaporación es el proceso por el cual las moléculas en estado líquido (por ejemplo, el agua) se hacen gaseosas espontáneamente. Es lo opuesto a la condensación. Generalmente, la evaporación puede verse por la desaparición gradual del líquido cuando se expone a un volumen significativo de gas.

Por término medio, las moléculas no tienen bastante energía para escaparse del líquido, porque de lo contrario el líquido se convertiría en vapor rápidamente. Cuando las moléculas chocan, se transfieren la energía de una a otra en grados variantes según el modo en que chocan. En nuestro caso si queremos pasar el Cloruro de Zinc acuoso al estado anhidro debemos aplicar este proceso de evaporización, ya que es muy importante eliminar las moléculas de agua acumuladas en la reacción y facilitando la visualización de los cristales de cloruro formados para el estado final. 5.2.3. Cristalización : Es el proceso por el que en la naturaleza se originan algunas de las rocas sedimentarias de precipitación químicas. La forma de la cristalización hace que las propiedades, incluyendo la estabilidad, solubilidad y velocidad de disolución sean diferentes, e incluso puede dar lugar a que en una determinada forma una reacción resulte eficaz mientras que en otra sea un producto perjudicial. Para que la materia pueda reorganizarse formando determinadas estructuras, las moléculas o iones deben estar en movimiento y perder dicha movilidad en unas determinadas condiciones, con tiempo suficientes (lentamente), en reposo o disponiendo de espacio suficiente para poder orientarse. Toda sal o compuesto químico disuelto en algún solvente en fase líquida puede ser precipitada por cristalización bajo ciertas condiciones de concentración y temperatura dependiendo de las características y propiedades de la solución. Para poder ser transferido a la fase sólida, es decir, cristalizar, un soluto cualquiera debe eliminar su calor latente o su entalpía de fusión, por lo que el estado cristalino además de ser el más puro, es el de menor nivel energético de los tres estados físico de la materia en el que las moléculas permanecen inmóviles unas respecto a otras, formando estructuras en el espacio, con la misma geometría, sin importar la dimensión del cristal. Se puede intentar realizar la cristalización de forma lenta en calentamiento contaste sobre estufas o a llama pura, sin embargo, también esto puede variar con respecto al tiempo y perjudicar la estabilidad del cristal si no se controla adecuadamente.

Importancia de la cristalización en la industria Es importante para el proceso por los diferentes materiales que son y pueden ser importantes en forma de cristales. Su empleo tan difundido se debe probablemente a la pureza y la forma atractiva del producto químico sólido. Para este proceso, por tanto, es muy importante el control constante y adecuado de la sal a cristalizar ya que puede sufrir cambios en poco tiempo si se expone a temperaturas muy elevadas, dando como resultado mala calidad en el producto final. 5.3.

Descripción de marcha para síntesis:

1) Colocar la barra de agitación (20 ml*8ml de teflón poligonal) en el vaso de precipitación de 250 ml. 2) Adicionar al vaso de precipitación 2,49 gramos de óxido de zinc 3) Colocar el vaso en la plancha de agitación y calentamiento y arrancar la agitación. 4) Agregar la solución acuosa de HCl al 35% en masa. Se observa un incremento de temperatura de la carga de reacción. 5) Luego de agregar la última porción de solución acuosa de HCl, mantener la agitación por 10 minutos, al cabo de los cuales se obtiene una solución con una coloración muy ligeramente amarillenta, sin presencia de sólidos. 6) Apagar la agitación magnética y luego extraer del vaso de precipitación la barra magnética con ayuda de unas pinzas de madera. 7) Insertar dentro del vaso de precipitación un termómetro con escala hasta 250 °C 8) Proceder a evaporar el agua de la solución (temperatura de inicio 30.8 °C). encendiendo para ello la plancha de calentamiento hasta alcanzar una temperatura de 100 °C. esta temperatura se mantendrá...