Cristalización de adp ies saavedrafajardo

I CONCURSO DE CRISTALIZACIÓN EN LA ESCUELA – REGIÓN DE MURCIA Mayo 2017

IES Saavedra Fajardo

Índice 1. Introducción [diferencia entre cristal y vidrio] Definición 3. Propiedades físicas y químicas 4. Usos 5. Procedimientos de cristalización 6. Materiales 7. Memoria del proyecto 8. Conclusiones de la investigación 9. Bibliografía 10. Componentes del grupo 2.

Introducción Nuestro objetivo es producir cristales de dihidrógeno fosfato de amonio (ADP).

La cristalización de ADP consiste en la creación de cristales mediante una serie de procedimientos, a través de los cuales, se combinan las moléculas de ADP, en unas condiciones determinadas.

La diferencia entre cristal y vidrio es una cuestión de orden. En el cristal sus componentes, átomos y moléculas, están dispuestos conforme a un sistema ordenado siguiendo unas leyes perfectamente establecidas, lo que da lugar a formas definidas con ejes y planos de simetría; en el vidrio no están sujetos a reglas, están dispuestos de forma aleatoria.

Los cristales los crea la naturaleza y se pueden encontrar en diferentes formas, como por ejemplo, el cuarzo. La mayoría de los cristales se forman a partir de la cristalización de gases a presión en la pared interior de cavidades rocosas, en cambio, aquello que se fabrica fundiendo principalmente arena de sílice, es vidrio. Existen, sin embargo, vidrios creados por la naturaleza siguiendo el mismo procedimiento de fundición: como la obsidiana, llamada también vidrio volcánico, que se forma por el calor generado en el interior de los volcanes; o las fulguritas, que es el resultado de la caída de un rayo en la arena.

Definición El dihidrógeno fosfato de amonio (NH4H2PO4), es una de las sales de fosfato de amonio solubles en agua que se puede producir cuando el amoniaco reacciona con el ácido fosfórico hasta que la disolución es claramente ácida.

Cristaliza en prismas tetragonales.

Propiedades físicas y químicas Apariencia: Cristales blancos.

Solubilidad: En agua (36.8 g por 100 ml de agua a 20ºC). Ligeramente soluble en alcohol etílico - Insoluble en acetona. La temperatura y la solubilidad aumentan simultáneamente.

Concentración g/100ml

Curva de solubilidad del ADP

Masa molar: 115,03 g/mol.

Punto de fusión: 190 °C (463 K).

Densidad: 1,8 g/cm³. pH: 3.8 - 4.4 (solución acuosa al 5% a 25ºC).

150 100 50 0 20

30 40 50 Temperatura ºC

60

Usos del ADP Fertilizante o abono.

Prácticas de cristalización.

Se aplica como agente ignífugo en distintos materiales.

Polvo seco para extintores.

Procedimientos de cristalización La cristalización es un proceso por el cual, en una disolución, se forman a partir de las partículas de la sal o material diluido (ya sean iones, átomos o moléculas) estructuras cristalinas.

Estas partículas se organizan de forma ordenada creando redes cristalinas que poseen diferentes formas geométricas, formando así los cristales.

Este procedimiento se usa generalmente para eliminar o depurar impurezas de ciertos materiales, ya que en la disolución es donde se quedan estas depositadas, mientras que el cristal está formado por material más puro que el original.

Además, la cristalización puede tener lugar a partir de gases y líquidos sin más, sin tener que ser una disolución, aunque nosotros hemos usado esta última.

Los principales métodos conocidos para la cristalización de las sales en el laboratorio, son por vía húmeda y por vía seca :

Por vía húmeda. Dentro de esta categoría hay dos procedimientos.

En el primero de ellos, simplemente se crea una disolución saturada de una sal y se deja reposar en un cristalizador durante un periodo de tiempo relativamente largo para que poco a poco se vaya evaporando el agua o líquido que se haya empleado y se deposite la sal en el fondo, cristalizando poco a poco. Para acelerar la reacción también se puede colocar en el cristalizador una pequeña porción del sólido que se pretende cristalizar, llamado germen, para que empiece a formarse el cristal a su alrededor.

En el segundo, el que hemos empleado en nuestro proyecto, se calienta la disolución para que el sólido se diluya mejor en el medio y posteriormente se deja enfriar un poco, terminando de hacerlo en el recipiente final, siendo entonces una disolución sobresaturada. Allí el sólido (la sal) se precipita hacia el fondo donde se empiezan a formar los cristales. Tras aproximadamente una semana simplemente se retira el disolvente que contiene las impurezas quedando los cristales intactos.

Por vía seca. Dentro de esta categoría hay otros dos procedimientos.

El primero es por fusión, en el cual se funde el material sólido a temperatura ambiente exponiéndolo a altas temperaturas. Posteriormente se espera a que se enfríe, y durante este proceso se forman los cristales.

El segundo es por sublimación. Este proceso se emplea con sólidos que subliman fácilmente, poniendo en contacto con una superficie fría el gas, donde se forman los cristales al enfriarse.

Todos estos procesos tienen, a su vez, lugar en la naturaleza y no únicamente en el laboratorio. Así, algunas rocas sedimentarias se crean por vías húmedas en las cuales el disolvente se acaba evaporando totalmente. Por otra parte, por las vías secas se forman las rocas plutónicas y volcánicas (fusión) y también se pueden formar a partir de lava u otros fluidos (tanto líquidos como gases, aunque el proceso concreto se aplica a estos últimos que aparecen a través de fisuras del volcán) por sublimación.

En los procesos de cristalización influyen diversos factores, como puede ser el medio, donde si se encuentra otra sustancia que afecte a las partículas de la primera y haga que forme otros cristales.

La cristalización se puede realizar diversas veces de forma consecutiva, pero a cada nueva repetición tiene menos efecto sobre la disolución y menos rendimiento, ya que la mayoría de las impurezas quedan en las aguas madres en el primer proceso.

Materiales -

ADP. Agua destilada.

Agua del grifo.

Placa calefactora.

Balanza.

Termómetro.

Varilla de vidrio.

Recipientes para calentar la disolución.

Recipientes para enfriar la mezcla.

Vaso de precipitados.

Embudo.

Colorantes.

Equipo de protección: guantes, bata Cajas de cartón, porexpán, papel de periódico.

Sesión 1:

Iniciamos la actividad presentando las bases del concurso y fijando una serie de objetivos que deseamos cumplir a lo largo de nuestra investigación.

Distribuimos el trabajo entre los cinco alumnos presentes: se hacen dos parejas encargadas de preparar dos disoluciones para obtener dos cristales de cada una de ellas. Una es de agua destilada y la otra de agua del grifo. La quinta participante realiza una disolución con agua del grifo para hacer un crecimiento.

-EQUIPO 1: Pesa 300 g de ADP y los vierte en una olla con 0.5 L de agua del grifo.

Posteriormente, se calienta la mezcla con la finalidad de obtener un líquido homogéneo. Las temperaturas que alcanza la disolución en función del tiempo son las recogidas en el cuadro siguiente: TIEMPO

0´

2´

4´

6´

8´

10´

12´

14´

16´

18 ´

20´

GRADOS

14º

20º

50º

67º

74º

86º

89º

90º

95º

97º

100º

Tras alcanzar 100ºC, retiramos la preparación del calefactor y la dejamos reposar 13´30´´, tras los cuales la temperatura disminuye a 57ºC, y se realiza la medición del pH del líquido, obteniendo un valor de 4-5, por lo que deducimos que nos encontramos ante una sustancia ácida.

A continuación, llenamos dos recipientes del kit con el líquido cerrándolos herméticamente y pegamos en su superficie una etiqueta que informa sobre la fecha en la que se ha realizado la disolución. Posteriormente, la aislamos del exterior guardándolo dentro de una caja de cartón con periódicos y porexpán.

- EQUIPO 2: Realiza una disolución similar a la del grupo 1 pero con agua destilada en lugar de agua del grifo, obteniendo las temperaturas indicadas en el siguiente cuadrante: TIEMPO

0´

2´

4´

6´

8´

10´

12´

14´

16´

GRADOS

15º

22º

38º

53º

65º

70º

86º

91º

100º

Tras alcanzar los 100ºC, al igual que el grupo anterior, los integrantes de la segunda pareja dejan reposar la preparación durante 15 minutos y la temperatura de esta se rebaja a 67 oC. Posteriormente, los compañeros aíslan la disolución metiéndola en otros dos kits, y guardando estos a su vez en una caja de cartón con papeles de periódico.

- EQUIPO 3: La quinta compañera, encargada de hacer el crecimiento, sigue los mismos pasos que sus compañeros obteniendo las temperaturas recogidas en esta tabla en el proceso de disolución: TIEMPO

0´

2´

4´

6´

8´

10´

12´

14´

16 ´

18´

20´

GRADOS

14º

30º

44º

58º

70º

80º

92º

94º

99º

97º

100º

Tras alcanzar los 100 oC, deja reposar el líquido 10 minutos, tras los cuales la temperatura desciende a 59 oC y a diferencia de los dos equipos anteriores, la compañera vierte la disolución en una botella invertida en la que previamente se había pegado un cristal de 5 cm con plastilina en el tapón y se había cortado la base para poder rellenar el recipiente con la preparación. Se mide el pH de la sustancia, obteniendo un valor de 4-5, por lo que también es un líquido ácido.

A continuación rodea el envase con trozos de papel de periódico y lo metemos en una caja de cartón.

Sesión 2:

Sacamos los cristales de sus respectivas cajas de cartón y vaciamos el líquido sobrante en un recipiente y medimos la temperatura de este líquido, obteniendo un valor de 16 oC. Tras observar los cristales observamos : - Una de las disoluciones [la de agua del grifo] ha cristalizado a modo de geoda, es decir, que también presenta cristales por la parte superior del envase dispuestos horizontalmente.

- Los recipientes con agua del grifo han formado cristales que cubren toda la superficie del recipiente pero que son de muy pequeño tamaño.

- Los kits con agua destilada han cristalizado dando lugar a estructuras más grandes en comparación con el resto, pero aún así decidimos fijar otro encuentro para realizar cristales nuevos e iniciar otras técnicas.

SesiĂłn 3:

Dividimos el grupo en tres equipos de investigaciĂłn con distintos objetivos: - EQUIPO 1: Se ocupa de realizar dos disoluciones nuevas para hacer tres crecimientos usando botellas de dos tamaĂąos diferentes a partir de cristales ya existentes procedentes de sesiones anteriores. Dos de estos cristales se llevan a cabo empleando agua del grifo, y el tercero con agua destilada.

-

EQUIPO 2: Realiza un cristal que tenga el peso máximo permitido en el concurso. Para ello, utiliza 1’2 kg de ADP y 2 l de agua del grifo.

-

EQUIPO 3: La segunda disolución está compuesta por 1 litro de agua del grifo y 0’56 kg de ADP. La dividimos en tres recipientes, en dos de ellos vertimos 400 ml de disolución y en el restante 200 ml. En los dos de mayor volumen, añadimos azul de metileno en el primero, y en el segundo, carmín cochinilla (el triple de cantidad que el primer colorante) y en el tercero (200 ml) carmín cochinilla con laca (la misma cantidad que en el primer caso).

Hemos empleado diferentes recipientes y colorantes para ver cómo influyen en la forma y el color de los cristales al de formarse.

TIEMPO

0´

2´

4´

6´

8´

10´

12´

GRADOS

22º

30º

43º

75º

83º

97º

100º

Una vez alcanzados los 100ºC, añadimos azul de metileno, mezclamos la disolución y la dejamos reposar 12 minutos, tras los cuales la temperatura desciende a 80ºC. Posteriormente, aislamos los recipientes con las preparaciones en una caja de cartón con papeles de periódico en su interior y las dejamos reposar durante cuatro días y medio.

Sesión 4:

Nos reunimos para ver los resultados de las preparaciones realizadas el pasado lunes: -Los cristales con colorante crecieron de manera diferente: - El cristal con rojo de metilo ha crecido con puntas finas y bien cristalizadas y un color vistoso.

- El cristal con colorante rojo carmín ha sido el que peor resultado ha dado ya que la estructura de los cristales era muy gruesa y sin terminar de formar, y el color obtenido era diferente a la prueba que habíamos hecho con agua destilada, pues ha reaccionado con el ADP. - El cristal con azul de metileno es el que mejor resultados ha dado, ya que el color es intenso y los cristales que han terminado de formarse tienen puntas finas y bien diferenciadas.

-Los crecimientos también tienen un tamaño mediano, pero en ellos sí podemos distinguir un cristal principal.

Fechamos la próxima reunión, a la vuelta de vacaciones, y repartimos el trabajo de investigación en casa.

Sesión 5:

Nos organizamos y nos dividimos en dos grupos de trabajo, de los cuales, uno realiza cristales en su estado original y el otro con colorante.

En total hicimos 2 disoluciones distintas: - La primera está formada por 1 litro de agua de grifo 600 g de ADP. - La segunda está formada por 1 litro de agua del grifo y 600 g de ADP. Al necesitar una disolución sobresaturada, mezclamos el ADP con el agua y lo calentamos gradualmente hasta alcanzar aproximadamente los 100ºC. Al acabar, la disolución principal (de mayor volumen) la dejamos reposar durante 5 min aproximadamente y posteriormente las vertemos con un embudo en un recipiente de plástico con capacidad para 2 litros y medio, etiquetándolo con el tipo de agua usado y la fecha. También lo aislamos, metiéndolo en una caja de cartón llena con papel de periódico y trozos de porexpan, para que la temperatura disminuya gradualmente, viéndose menos afectada por las variaciones ambientales. De esta forma, empleamos la técnica de enfriamiento lento.

El segundo grupo se ocupa de hacer distintos cristales tintados con azul de metileno. Para esto, emplea 1 l de agua del grifo y 600 g de ADP.

Sesión 6:

Revisión de los resultados. Nos hemos reunido para ver cómo se han formado los cristales: 1. El cristal grande, contenido en una garrafa, ha crecido bien. Por lo general los cristales tenían un tamaño considerable, aunque algunos fueron más finos y con una terminación perfecta y otros fueron más gruesos pero no terminaron de cristalizar.

2. El cristal con azul de metileno ha adquirido un tamaño mediano y está completamente tintado, sin embargo, no hay un cristal principal, sino muchas ramificaciones.

Conclusiones Podemos sacar como conclusión, que la cristalización del ADP es un proceso azaroso, pero del cual podemos controlar algunas variables.

Se ha visto que, en los botes de cristalización originales, la cristalización dio como resultado unos cristales con forma más puntiaguda, y de formación más regular. Pudimos observar que incluso en los cristalizadores, los periodos de bajas temperaturas afectaron a la formación de los cristales, dando lugar a pequeños cristales adheridos a las paredes (reflejando una pequeña similitud a los copos de nieve). Estas características se dan en los recipientes de poca anchura, de 300 y 850 ml. Por el contrario, los recipientes mayores presentan una forma más limpia, con puntas más rectas y más definidas con una base gruesa.

Los cristales con tinte, que al principio cuestionamos la resistencia de la estructura ante la presencia de un tinte de carácter “agresivo” como es el azul de metileno. Sin embargo, el cristal se formó con un color y una forma muy buenas.

Una conclusión final podría ser que el tamaño del recipiente afecta en la formación del cristal, aunque no está comprobada del todo, ya que no se cristalizaron en los mismos días, por lo que las temperaturas no fueron las mismas. A pesar de esto tanto los cristalizadores como los envases de pequeño tamaño presentaron una forma en los cristales distinta a la esperada.

Por todo lo anterior, decidimos presentar uno de los cristales que habíamos realizado con azul de metileno y el que habíamos realizado con carmín de cochinilla con laca.

Bibliografía • • • • • •

http://quimica.laguia2000.com/general/cristalizacion http://fraymachete-fq.blogspot.com.es/2008/11/cristalizacin.html http://pendientedemigracion.ucm.es/info/analitic/Asociencia/Cristalizacion.pdf http://con-ciencia-te.blogspot.com.es/2013/05/cristalizacion-del-adp.html www.merckmillipore.com iio.ens.uabc.mx

Componentes del grupo • Marta Hidalgo Martínez.

• David Martínez Madrid.

• Álvaro del Olmo Vidal.

• Julia Pagán Corominas.

• Candela Salmerón López.

• Marta Serrano López.

Alumnos de 4º de la Eso del IES Saavedra Fajardo.

Profesor coordinador: Alejo Pagán Muñoz.

I CONCURSO DE CRISTALIZACIÓN EN LA ESCUELA – REGIÓN DE MURCIA Mayo 2017

IES Saavedra Fajardo