Solubilidad DE Sales MetÁlicas InorgÁnicas PDF

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LABORATORIO DE HIDRO Y ELECTROMETALURGIA

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UNIVERSIDAD INDUSTRIAL DE SANTANDER FACULTAD DE INGENIERÍAS FISICOQUÍMICAS ESCUELA DE INGENIERÍA METALÚRGICA Y CIENCIA DE MATERIALES BUCARAMANGA, SANTANDER 2015

LABORATORIO DE HIDRO Y ELECTROMETALURGIA

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SOLUBILIDAD DE SALES METÁLICAS INORGÁNICAS

PRESENTADO A FREDDY PALACIOS INGENIERO METALÚRGICO

UNIVERSIDAD INDUSTRIAL DE SANTANDER FACULTAD DE INGENIERÍAS FISICOQUÍMICAS ESCUELA DE INGENIERÍA METALÚRGICA Y CIENCIA DE MATERIALES BUCARAMANGA, SANTANDER 2015

2

TABLA DE CONTENIDO OBJETIVOS

4

MARCO TEÓRICO

4

PROCEDIMIENTO

6

RESULTADOS Y SUS ANÁLISIS CONCLUSIONES

7

17

BIBLIOGRAFÍA 18

OBJETIVOS 3

 Estudiar la solubilidad de las sales metálicas en diferentes sistemas acuosos.  Observar el comportamiento de la solubilidad en diferentes condiciones. MARCO TEÓRICO La solubilidad es la máxima cantidad de soluto que se puede disolver en una cantidad dada de disolvente a una temperatura dada. La solubilidad permite predecir si se formara un precipitado cuando se mezclan dos soluciones o cuando se agrega un soluto a la solución. Los compuestos se dividen en tres grandes categorías llamadas solubles, ligeramente solubles e insolubles. Específicamente, para los líquidos se recurre a términos más específicos: miscible e inmiscible. Aquellos líquidos que pueden mezclarse entre sí y formar una solución acuosa son sustancias miscibles (ejemplo: agua y alcohol), y los líquidos que no forman soluciones o son insolubles entre sí se denominan inmiscibles (ejemplo: agua y aceite). La solubilidad de un compuesto en un determinado solvente depende de la naturaleza química del soluto y solvente, la temperatura y la presión. La naturaleza del soluto y del disolvente. La solubilidad aumenta entre sustancias cuyas moléculas son análogas en sus propiedades eléctricas estructuralmente. Cuando existe una similitud en las propiedades eléctricas del soluto y solvente, se incrementan las fuerzas intermoleculares, favoreciendo la disolución de del soluto en el solvente. La temperatura de la solución afecta la solubilidad de la mayoría de las sustancias. La figura 3 muestra la dependencia entre la solubilidad en agua de algunos compuestos iónicos y la temperatura. Generalmente, la solubilidad de la sustancia sólida se incrementa con la temperatura. La solubilidad de los sólidos en medio acuoso se expresa de acuerdo con la masa de sólido, en gramos, disueltos en 100 mL de agua (g/100 mL H2O), o bien la masa de sólido, en gramos, disueltos en 100 g de agua (g/100 g H2O). La concentración se refiere a la cantidad de soluto que hay en una masa o volumen determinado de solución o solvente. Puesto que términos como concentrado, diluido, saturado o insaturado son inespecíficos, existen maneras de expresar exactamente la cantidad de soluto en una solución. Las unidades de concentración en que se expresa una solución o disolución pueden clasificarse en unidades físicas y en unidades químicas.

4

Las unidades físicas de concentración están expresadas en función del peso y del volumen, en forma porcentual, y son las siguientes: a) Tanto por ciento peso/peso %P/P = (cantidad de gramos de soluto) / (100 gramos de solución) b) Tanto por ciento volumen/volumen %V/V = (cantidad de cc de soluto) / (100 cc de solución) c) Tanto por ciento peso/volumen % P/V = (cantidad de gr de soluto)/ (100 cc de solución) Para expresar la concentración de las soluciones se usan también sistemas con unidades químicas, como son: a) Fracción molar b) Molaridad (M) = (número de moles de soluto) / (1 litro de solución) c) Molalidad (m) = (número de moles de soluto) / (1 kilogramo de solvente) Se distinguen tres tipos de mezclas según el tamaño de las partículas de soluto en la disolución:  Dispersiones, suspensiones o falsas disoluciones: cuando el diámetro de las partículas de soluto excede de 0,1 μm.  Dispersoides, coloides: el tamaño está entre 0,001 μm y 0,1 μm.  Dispérsidos o disoluciones verdaderas: el tamaño es menor a 0,001 μm. Ya que las partículas de soluto pequeñas tienen mayor superficie total expuesta al disolvente esta se disolverá más rápidamente que un soluto con tamaño mayor. EQUIPOS Y MATERIALES 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8.

Agitador magnético. Vasos precipitados. Balanza. Carbonato de amonio. Sulfato de cobre. Agua destilada. Ph-metro. Ácido sulfúrico.

PROCEDIMIENTO Preparar soluciones: 1. 2. 3. 4.

Solución con agua. Solución amoniacal. Solución ácido sulfúrico. Solución sulfato de níquel.

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INICIO

Medir de cada solución 25ml en un vaso precipitado, medir PH inicial.

Medir 25 g de sulfato de cobre

Agitar la solución acuosa con un agitador magnético

Adicionar sulfato de cobre a la solución

NO Precipitó

SI

Medir PH y volumen final

Medir peso no agregado del sulfato

RESULTADOS Y SUS ANÁLISIS

Calcular solubilidad

Fin

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1. Con los resultados obtenidos realizar los cálculos respectivos y graficar cuando sea el caso: a) La solubilidad del sulfato de cobre en agua versus la temperatura. TEMPERATURA [°C] 25 35 50 25 25 25 30 29 31 7,7 6,61 6,83 4,49 3,03 2,87 25,02 25 25,01 13,73 11,28 9,95 11,29 13,72 15,06

VOLUMEN [ml]

INICIAL FINAL PH INICIAL FINAL PESO [g] INICIAL FINAL CuSO4.5H2O DISUELTO [g] CuSO4 DISUELTO [g] 7,2182 8,7718 9,6285 SOLUBILIDAD [g/l] 240,6066 302,4758 310,5967 Tabla 1. Datos obtenidos y tabulados sobre la solubilidad del sulfato de cobre en función de la temperatura

SOLUBILIDAD DEL SULFATO DE COBRE EN AGUA vs. TEMPERATURA 350 SOLUBILIDAD [g/l]

300 250

SOLUBILIDAD DEL SULFATO DE COBRE EN AGUA vs. TEMPERATURA

200 150 100 50 0

25

35

50

TEMPERATURA [°C]

Gráfica 1. Representación de la solubilidad del sulfato de cobre versus la temperatura

b) La solubilidad del sulfato de cobre en solución de ácido sulfúrico versus la concentración del ácido. 7

CONCENTRACIÓN [% v/v] 2 4 10 25 25 25 26 28 28 2,42 2,29 2,19 2,55 2,35 2,53 0,518 1,036 2,590 8,35 9,239 8,34

VOLUMEN [ml]

INICIAL FINAL PH INICIAL FINAL H2SO4 UTILIZADO [ml] CuSO4.5H2O DISUELTO [g] CuSO4 DISUELTO [g] 5,3385 5,9069 5,3321 SOLUBILIDAD [g/l] 205,3269 210,9607 190,4321 Tabla 2. Datos obtenidos y tabulados sobre la solubilidad del sulfato de cobre en solución de H2SO4 en función de la concentración del ácido mismo

SOLUBILIDAD DEL SULFATO DE COBRE EN SOLUCIÓN DE ÁCIDO SULFÚRICO vs. CONCENTRACIÓN DEL ÁCIDO 215 210

SOLUBILIDAD[g/l]

205 200

SOLUBILIDAD DEL SULFATO DE COBRE EN SOLUCIÓN DE ÁCIDO SULFÚRICO vs. CONCENTRACIÓN DEL ÁCIDO

195 190 185 180

1

2

3

4

5

6

7

8

9 10 11

CONCENTRACIÓN [%v/v]

Gráfica 2. Representación de la solubilidad del sulfato de cobre en solución de ácido sulfúrico versus la concentración del mismo

c) La solubilidad del sulfato de cobre en la solución de sulfato de níquel.

8

2 25 29 6,23 4,48 0,05 9,8

VOLUMEN [ml]

CONCENTRACIÓN [g/l] 4 25 28,5 5,41 4,02 0,1 9,78

6 25 27,5 5,47 3,54 0,15 9,57

INICIAL FINAL PH INICIAL FINAL NiSO4 UTILIZADO [g] CuSO4.5H2O DISUELTO [g] CuSO4 DISUELTO [g] 6,2655 6,2591 6,1185 SOLUBILIDAD [g/l] 216,0517 219,6175 222,4909 Tabla 3. Datos obtenidos y tabulados sobre la solubilidad del sulfato de cobre en solución de sulfato de níquel

SOLUBILIDAD DEL SULFATO DE COBRE vs. SOLUCIÓN DE SULFATO DE NÍQUEL 224

SOLUBILIDAD [g/l]

222 220 SOLUBILIDAD DEL SULFATO DE COBRE vs. SOLUCIÓN DE SULFATO DE NÍQUEL

218 216 214 212

2

4

6

SOLUCIÓN [g/l]

Gráfica 3. Representación de la solubilidad del sulfato de cobre versus la solución de sulfato de níquel d) La solubilidad del sulfato de níquel en agua. No se trabajó.

e) La solubilidad del sulfato de cobre en solución amoniacal versus el pH.

9

1 25 26,9 6,95 7,05 25,01 20,9 4,11

VOLUMEN [ml]

MUESTRA 2 25 26 8 8,13 25,04 24,53 0,51

3 25 24,8 10 9,69 25,03 24,62 0,41

INICIAL FINAL PH INICIAL FINAL PESO [g] INICIAL FINAL CuSO4.5H2O DISUELTO [g] CuSO4 DISUELTO [g] 2,6277 0,326 0,2621 SOLUBILIDAD [g/l] 97,6840 12,5384 10,5685 Tabla 4. Datos obtenidos y tabulados sobre la solubilidad del sulfato de cobre en solución amoniacal en función de las variaciones de PH

SOLUBILIDAD DEL SULFATO DE COBRE EN SOLUCIÓN AMONIACAL vs. PH INICIAL 120 100

SOLUBILIDAD [g/l]

80 SOLUBILIDAD DEL SULFATO DE COBRE EN SOLUCIÓN AMONIACAL vs. PH INICIAL

60 40 20 0 6.95

8

10

PH INICIAL

Gráfica 4. Representación de la solubilidad del sulfato de cobre en solución amoniacal versus el PH inicial

10

2. De acuerdo a los resultados obtenidos, realizar una discusión sobre las diferencias y similitudes obtenidas respecto a la solubilidad tanto del sulfato de cobre como del níquel en las soluciones de los diferentes sistemas experimentados. Analizando los respectivos sistemas experimentados se puede evidenciar que: en la gráfica 1 ocurre un aumento de la solubilidad, podría decirse que casi de tipo lineal, al aumentar la temperatura del medio de trabajo (en este caso agua); esto se debe principalmente a que al aumentar la temperatura se facilita el movimiento de los iones los cuales están presentes en la solución pues de igual manera se incrementa el valor de la constante dieléctrica del agua de tal forma que se puede obtener una mezcla homogénea con la cantidad de soluto utilizado a las condiciones de volumen especificado. Uno de los puntos a resaltar y de los cuales se debe mantener un control es el estado en que se desempeñe la solución, pues en caso de presentar una variación de estado, es decir de líquido a gas o de líquido a sólido, se presentará una variación brusca de los resultados y parámetros de análisis dado que el medio de disolución no presentará las mismas características para que los iones puedan moverse. En la gráfica número 2 se puede evidenciar una disminución en la solubilidad del sulfato de cobre al aumentar la concentración de ácido sulfúrico; este suceso puede ser explicado partiendo de la disociación del ácido sulfúrico, el cual en su segunda disociación presenta la aparición del producto SO4=; a medida que aumenta la concentración de H2SO4 cada vez va apareciendo más dicho producto, luego el sulfato de cobre no requiere de gran cantidad de dicho producto para llegar a alcanzar su estado de equilibrio. Siendo un poco más detallados, el comportamiento que presenta la gráfica, podría decirse que de tipo exponencial, se atribuye principalmente a la naturaleza del solvente ya que este es considerado un ácido fuerte. En la gráfica número 3 se esperaría que se asumiera un comportamiento similar al descrito en la gráfica anterior, pues el sulfato de níquel al disociarse también genera como producto el ión SO4=, esto implica que al aumentar la concentración de igual manera debería reducirse el grado de solubilidad. Podría intentar explicarse el por qué esto no sucedió atribuyendo quizá errores de medición o preparación en la práctica misma de laboratorio, pues este compuesto por ser una sal presenta total disolución en medio acuoso. La verdad es extraño el comportamiento y los resultados obtenidos en esta parte de la experiencia. Para finalizar, se puede apreciar en la gráfica número 4 que al aumentar el PH de la solución esta da un vuelco en cuestión de solubilidad de forma casi instantánea o brusca; este fenómeno puede ser descrito desde la razón que al aumentar el PH, es decir tornar la mezcla un poco más básica, empieza la formación de iones complejos los cuales varían la concentración de iones OH - y por ende varían la solución misma. 11

3. Consultando la bibliografía específica sobre el tema, hacer un análisis comparativo de los valores y gráficos obtenidos en esta práctica respecto a la solubilidad de los sulfatos de cobre y de níquel en agua y sus soluciones. Luego de consultar los datos teóricos sobre el respectivo comportamiento del sulfato tanto de cobre como de níquel en solución, se pudo obtener lo siguiente:

SOLUBILIDAD DEL CuSO4 vs. TEMPERATURA SOLUBILIDAD [g/l]

600 500 400 300 200 100 0 10

20

30

40

50

60

70

80

90

TEMPERATURA [°C]

Gráfica 5. Comportamiento teórico de la solubilidad del sulfato de cobre en agua a diferentes temperaturas

SOLUBILIDAD DEL CuSO4 vs. SOLUCIÓN DE NiSO4 19.4 SOLUBILIDAD [g/l]

19.3 19.2 19.1 19 18.9 18.8 0.5

1

1.5

2

2.5

3

3.5

4

4.5

5

5.5

NiSO4 [g/l]

Gráfica 6. Comportamiento teórico de la solubilidad de sulfato de cobre en solución de sulfato de níquel Comparando la gráfica número 5 con la obtenida en laboratorio, es decir la gráfica número 1, se puede concluir que los datos obtenidos fueron los correctos en 12

cuestión de descripción del sistema, pues efectivamente al aumentar la temperatura se favorece la solubilidad del compuesto, permitiendo así que se disuelva mayor contenido de soluto en la cantidad de solvente presente. Respecto a la gráfica número 6 comparada con la gráfica número 3 se puede apreciar que no se cumplieron con los parámetros adecuados para llegar a la misma respuesta, es decir se puede confirmar una vez más que dicha parte no fue llevada a cabo bajo la supervisión respectiva n considerando los factores adecuados para llegar a los mismos valores. 4. Investigar en cuáles especies iónicas se puede disolver tanto el cobre como el níquel en las diferentes soluciones de los sistemas experimentados. Realizando el respectivo análisis de cada sistema se puede desglosar cada uno de ellos y los iones obtenidos de la siguiente manera: a). SISTEMA ACUOSO A DIFERENTES TEMPERATURAS Al agregar sulfato de cobre pentahidratado a una solución acuosa se presentan las siguientes reacciones: CuS O4 .5 H 2 O(s ) → CuSO 4(s )+ 5 H 2 O (l)

(1)

¿

2+ ¿+ S O 4

(ac)

¿

CuS O 4 →Cu(ac)

(2)

(s )

Es decir que las dos especies presentes son Cu++ y SO4= b). SISTEMA DE ÁCIDO SULFÚRICO El ácido sulfúrico por su parte al ser disociado en medio acuoso presenta las siguientes reacciones: −¿

O4 +¿ +HS¿ H 2 S O4 +H 2 O (l) → H 3 O(ac)¿ (ac)

(3)

(l)

¿

+¿+S O 4 −¿ O 4 + H 2 O ( l) → H 3 O ( ac )¿ HS ¿ ( ac)

(ac)

(4)

Es decir que las especies presentes son Cu++, SO4= y H3O+

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c). SISTEMA DE SULFATO DE NÍQUEL Al presentarse la disolución del sulfato de cobre en sulfato de níquel las especies que aparecen son Cu++, SO4= y Ni++ d). SISTEMA CON VARIACIÓN DE PH Al presentarse disolución en sistema de PH variante aparecen las siguientes especies: Cu++, Cu(NH3)++, Cu(NH3)2++, Cu(NH3)3++ y Cu(NH3)4++ 5. De acuerdo a los resultados y a la bibliografía consultada, realizar una discusión sobre cuál o cuáles sistemas de los utilizados en la práctica es más ventajoso o desventajoso para la disolución tanto del cobre como del níquel, teniendo en cuenta factores tanto técnicos como económicos y ambientales. Analizando los diferentes valores de solubilidad se puede llegar a la conclusión que el medio que presenta un mayor grado de solubilidad es el agua, ya que este permite la disolución de grandes cantidades de soluto a ciertas condiciones específicas, pero lo más ventajoso de dicho sistema es que al aumentar la temperatura se permite el aumento de la disolución sin importar si a las condiciones anteriores ya se empezaba a presentar precipitación, pues el movimiento iónico se verá favorecido por dicha condición; en materia de economía y ambiente, si bien es cierto se requiere de un alto grado energético para poder llevar la solución de unas condiciones a las siguientes, pero lo gratificante de esto es que no se producen desechos o productos los cuales puedan afectar a gran escala el espacio ambiental, así como no se requiere de gran esfuerzo para ejecutar procesos de tratamiento de residuos. Por otra parte, podría mencionarse que el medio de menor ventaja es el de la solución amoniacal, que de hecho en materia de ambiente, no más tocando ese tema, presenta gran repercusión, pues genera agentes altamente tóxicos y de carácter contaminante; cabe recalcar que es el sistema que menor solubilidad presenta, luego no se favorece a sí mismo en cuestión de economía ni mucho menos en gestión de cuidado ambiental.

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6. Mediante consulta bibliográfica encontrar el valor de i) Las constantes de equilibrio o productos de solubilidad en agua para las sales de cobre y de níquel utilizadas en la práctica; ii) Las constantes de disociación del ácido sulfúrico y del amoníaco. // El sulfato de cobre puede determinarse a partir de los datos de las soluciones saturadas a 25 ᵒC de acuerdo con la reacción de disociación: ¿

2+ ¿+ S O 4

(ac)

¿

CuS O 4 →Cu(ac) (s )

2+ ¿ 2−¿ SO¿4 ¿ ¿ Cu ¿ ¿ K=¿ Dado que el CuSO4 es un sólido, su actividad será de 1, luego la expresión queda reducida a: 2+¿ 2−¿ ¿ SO4 ¿ Cu ¿ K ps=¿ De acuerdo a la reacción de disociación se aprecia que 1 mol de CuSO 4 forma 1 mol de catión de cobre y 1 mol del ion sulfato de manera que para el agua a 25 ᵒC la concentración es (en términos de molaridad): 1 mol CuSO 4 159,619 gr CuSO 4 0,1l solucion

20,3 gr CuSO 4 × M=

M =1,6189 M

// Con los valores de concentración del sulfato y de acuerdo a la reacción de disociación se puede establecer la constante de equilibrio.

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¿

2+ ¿+S O 4

(ac)

¿

NiS O 4 → ¿(ac) (s )

2+ ¿ 2−¿ ¿ SO 4 ¿ ¿¿ ¿ ¿ K=¿ 2+¿ ¿¿ ¿ 2−¿ ¿ SO4 K ps=¿

1 mol NiSO4 154,6934 gr NiSO4 0,1l solucion

42,46 gr NiSO 4 × M=

M =7,5338 M // El ácido sulfúrico es considerado un ácido fuerte y su constante de disociación varía de acuerdo a las dos disociaciones que el mismo sufre: −¿

O4 +¿ +HS¿ H 2 S O4 +H 2 O (l) → H 3 O(ac)¿ (ac)

(l)

Donde K= 2,4E6 ¿

+¿+S O 4 ¿ −¿ O 4 + H 2 O ( l) → H 3 O ( ac ) HS ¿ ( ac)

(ac)

Donde K = 1,02E-2

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// El amoniaco por su parte presenta una disociación débil: −¿

OH (ac) 4+¿+¿ N H 3 →¿(ac) ¿ (ac)

Donde K = 1,76E-5 7. Mediante consulta bibliográfica indicar cuáles serían las posibles soluciones tampón (buffer o amortiguadoras) para mantener los PHs de experimentación del Sistema 5. Una solución tampón (o mejor conocida como amortiguadora) es aquella que se encarga de mantener estable, casi constante, el PH de una solución de trabajo; estas están compuestas principalmente por un ácido débil y su base conjugada, es decir el ion o la molécula existente después que el ácido ha perdido un protón; esto basado en la teoría de Brönsted-Lowry. En base a lo realizado en laboratorio las posibles soluciones tampón para cada uno de los PH trabajados serían: a). En caso que fuese una solución neutra, se podría hacer uso de una solución de fosfato de sodio o disodio fosfato hidrogenado. b). En caso de ser una solución bás...