química del aluminio y alumbres

8/16/2019 Química del aluminio y alumbres.

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Universidad de Guanajuato.

División de ciencias Naturalesy Exactas.

Campus Guanajuato.

Práctica no. 7

Química del aluminio y los alumbres.

Arroyo López Claudia Cecilia.Armendariz Barrientos Karla Gisela.Ayón García Marlén Jaqueline.

Prof. J. Alfredo Gutiérrez.

Fecha de realización:

Viernes 06/05/2016

Fecha de entrega:

Viernes 20/05/2016



Práctica No. 7

Química del Aluminio y los Alumbres

Introducción

El aluminio es el elemento metálico más común en la corteza terrestre y se presenta en lasrocas tales como feldespatos y micas. Lo depósitos más accesibles son los de óxidoshidratados como la bauxita; Al 2O3

, nH 2O . y criolita, Na 3AlF 6. El galio e Indio sólo aparecencomo trazas en los minerales de Al y Zn. El Tl, también es un elemento escaso, se recuperade las cenizas de chimenea resultantes de la combustión de piritas y otros mineralessulfurados. El aluminio metálico tiene muchos usos y algunas de sus sales, como el sulfato(unos 10 8Kg, EE.UU. 1972) se preparan en gran escala.

El aluminio se prepara en gran escala a partir de la bauxita, Al 2O3.nH 2O (n= 1-3). Esta se purifica por solución en NaOH acuoso y precipitación como Al(OH) 3 utilizando CO 2. El producto deshidratado se disuelve en criolita y se electroliza el fundido de 800 a 1000°C. El

aluminio es un metal blanco, duro y resistente a la corrosión ya que sobre su superficie seforma una película delgada y compacta de óxido. Con frecuencia se aplican al aluminiogruesas capas de óxido mediante un proceso electrolítico denominado anodización; estascapas recién formadas pueden colorearse con pigmentos. El aluminio es soluble en ácidosminerales diluidos, pero es “pasiva” en HNO 3 concentrado. Si se elimina el efecto protectorde la capa de óxido, por ejemplo, por rayado o amalgamación, puede ocurrir un ataquerápido incluso por el agua. El metal se ataca fácilmente por NaOH en solución acuosa encaliente, por los halógenos y por diversos no metales.

Óxidos

El único óxido del aluminio es la alúmina, Al 2O3

Propiedades

El aluminio metálico tiene muchos usos y algunas de sus sales el sulfato se prepara en granescala. La importancia del aluminio en nuestros días es porque se trata de un metal muyutilizado en todo el tipo de industria. Un metal que además es reciclable al 100% pudiendoreciclarlo indefinidamente sin que pierda sus cualidades. Es un material realmente valioso

pues es más ligero que otros metales como pueden ser el acero o el cobre. Además cuentacon resistencia bastante alta por lo que sirve para construir piezas clave para diferentesmáquinas pudiendo aguantar mejor el desgaste.

Es un metal excelente conductor de electricidad y de calo, no es tóxico ni tampocomagnético. Todo ello hace que el aluminio sea bien considerado por las empresasmodernas.

El alumbre es un tipo de sulfato doble compuesto por el sulfato de un metal trivalente,como el aluminio, y otro de un metal monovalente. También se pueden crear dossoluciones: una solución saturada en caliente y una solución saturada en frío. Generalmentea alumbre potásico KAl(SO 4)2.12H 2O (o a su equivalente natural, la calinita). Una



característica destacable de los alumbres es que son equimoleculares, porque cada moléculade sulfato de aluminio hay una molécula de sulfato del otro metal, y cristalizan hidratadoscon 12 moléculas de agua en un sistema cúbico.

La bauxita es una roca, que puede ser tanto dura como blanda, compuesta por óxidos dealuminio hidratados. Se origina como residuos producido por la meteorización química deuna amplia gama de rocas comúnmente ricas en arcilla. Algunas bauxitas tienen un origenmás complejo que esto pudiendo ser precipitados químicos reprocesados. Comúnmente seforma en los trópicos en zonas de clima cálido y húmedo.

El proceso Bayer

El proceso para obtener alúmina pura de la bauxita ha cambiado muy poco desde finales delsiglo XlX. El proceso Bayer puede ser considerado en 3 etapas:

Extracción

El hidrato de alúmina es sencillamente removido de los otros óxidos (insolubles)disolviéndolos en una solución de hidróxido de sodio.

Al2O3.H2O + 2NaOH NaAlO 2 + (X + 1)H 2O

El proceso es mucho más eficiente cuando el mineral es reducido a un tamaño de partículamucho más pequeño que antes de la reacción. Esto se logra a través de la molienda delmaterial pre-lavado. Este es entonces enviado a un asimilador de alta presión. Lascondiciones dentro del digestor (concentración, temperatura y presión) varían según las

propiedades de la bauxita utilizada. Aunque las temperaturas más altas son teóricamentefavorables; estas producen varías desventajas incluyendo problemas de corrosión y la

posibilidad de que se encuentre otros óxidos (además de la alúmina) disueltas en el líquidocaustico.

Las plantas modernas operan entre unos 200 y 240°C y pueden implicar presiones deaproximadamente 30atm. Después de la extracción, el líquido (conteniendo Al 2O3 disuelto)debe ser separado del residuo de bauxita insoluble, purificado tanto como sea posible yfiltrado, antes de ser depositado en el precipitador. El bario espesado y lavado de modo quela sosa caustica pueda ser removido y reciclado.

Preparación

El trihidrato de alúmina cristalino, denominado “hidrato” es precipitado a partir del licordel digestor.

2NaAlO 2 + 4H 2O Al 2O3.3H 2O + NaOH

Este es básicamente lo opuesto del proceso de extracción, salvo que aquí la naturaleza del producto puede ser controlada por diferentes condiciones de la planta. Los cristales dehidrato son entonces clasificados en fracciones por tamaño e introducidos dentro del hornode rotativo o un lecho fluidificado para su calcinación.



Calcinación

El hidrato se calcina para extraer el agua y formar alúmina para el proceso de producciónde aluminio.

2Al(OH) 3 Al 2O3 + 3H 2O

Proceso Hall-Héroult

Es el principal proceso de obtención del aluminio.

En este proceso la alúmina es disuelta dentro de una cuba electrolítica revestidainteriormente de carbón en un baño electrolítico con criolita (Na 3AlFe 6) fundida. La cubaactúa como cátodo, mientras que los ánodos se suelen utilizar unos electrodos de carbón deSoldberg. La reacción química total es la siguiente:

2Al 2O3 + 3C 4Al + 3CO 2

La alúmina se descompone en aluminio y oxígeno molecular.

Como el aluminio líquido es más denso que la criolita se deposita en el fondo de la cuba, deforma que queda protegido de la oxidación a altas temperaturas. El oxígeno se depositasobre los electrodos de carbón, quemándose y produciéndose el CO 2.

Familia de alumbres

El aluminio potásico pertenece a una familia de sales dobles (o alumbres) con formulageneral M lllM(SO 4)2.12H 2O, donde M puede ser cualquier catión M + incluyendo el NH 4

+ yexcluyendo el Li + .

Estos compuestos sólo tienen existencia en estado sólido. Formando cristales, por logeneral, grandes y bien constituidos. Al disolverse en agua quedan sus constituyentesindependientes, de modo que las disoluciones de alumbres se comportan como mezclas delos sulfatos correspondientes.

Los alumbres se forman por cristalización de la mezcla de las disoluciones de los sulfatosconstituyentes, por ser menos solubles que estos. Por ejemplo, en el caso de:

Al2(SO 4)3 + K 2SO 4 + 12H 2O 2KAl(SO 4)2.12H 2O

A estos compuestos se les ha reconocido desde la antigüedad por sus propiedadesastringentes. Estas sales son astringentes en virtud de que cierran las glándulas sudoríparas

por alteración del enlace de hidrógeno entre las moléculas proteicas. Calentando a altatemperatura el alumbre de aluminio potásico se produce la pérdida del agua de hidrataciónque este compuesto retiene en su estructura:

KAl(SO 4)2.12H 2O KAl(SO 4)2 + 12H 2O

Por tanto, mediante calcinación el agua se desprende en forma de vapor, quedandofinalmente como residuo la sal anhidra, es decir, sin agua. Lógicamente ello suponecambios importantes desde el punto de vista estructural.



Química del aluminio Grupo 13 Configuración electrónica: [Ne].3s 2 3p 1 Radio iónico= 125pm Electronegatividad: 1.61(Pauling) Edo de oxidación: 3 Potencial estándar: Al 3+aq + 3e´ Al(s) -1.68

Compuestos importantes del aluminio: Al2O3 Al(OH) 3 AlOHCl 2 Al(BH 4)3 Al(NH 4)(SO 4)2

Objetivos:

Conocer aspectos básicos del elemento aluminio y preparación de un alumbre pordos rutas de síntesis. Identificar las especies iónicas presentes en el alumbre.

Utilizar los conceptos de la estequiometria para calcular rendimientos de reacción.

Materiales y sustancias.

Materiales Sustancias.Matraz Erlenmeyer. Llevar un pedazo de una lata de aluminio de

unos 2cm2 lijado en la superficie de amboslados.

Vaso de precipitados. Agua destilada.Sistema de cristalización (baño de hielo). Hidróxido de potasio 9M (KOH)Sistema de filtración al vacío. Sulfato de potasio (K 2SO 4)Varilla de vidrio. Sulfato de aluminio (Al 2(SO 4)3)

EtanolAcetona

Desarrollo experimental

Metodología Observaciones.I. Método A. Materia prima: Aluminio metálico.1. Cortar en partes muy pequeñas un trozode aluminio de lata, lijado previamente delos dos lados.2. Pesar aproximadamente 0.3 g dealuminio en un vaso de precipitados. Peso de los pedacitos de aluminio: 0.2979g.



Registrar el peso lo más exacto posible.3. Añadir lentamente 15 mL de soluciónde hidróxido de potasio 2 M, calentarhasta disolución completa del aluminio,

Al añadir los pedazos de aluminio a lasolución observamos inmediatamente unaefervescencia que rodeaba las partículas éstasiban disminuyendo en tamaño.

4. Si quedan residuos sin disolver filtrar lasolución con vacío, desechando el papelfiltro con los residuos oscuros.

Calentamos por varios minutos hasta unadisolución cercana a la total, pero aun asíhabría residuos dado que el material con elcual se elaboran las latas para envase derefresco son una aleación de 95-98% Al y elresto puede ser Si, Mg, Zn, etc. Por lo tantollevamos a cabo la filtración.

5. Al filtrado añadir cuidadosamente 1.5mL de ácido sulfúrico 9 M y mezclar.

La solución de ácido sulfúrico con aluminioes mu reactiva, y desprende gases.

Calentar en la campana y continuarañadiendo porciones de 0.5 mL del mismo

ácido hasta que se disuelva el precipitadoformado o bien, hasta completar unos 5ml

Continuamos añadiendo ácido sulfúrico hasta

la disolución total del precipitado.

6. Preparar un sistema de baño de hielo ycolocar el matraz para cristalización de lasal. Esta operación puede tardar de 30 a 45minutos. En caso de no observar laformación del cristal en 20 minutos,

provocar la cristalización.

Indujimos la cristalización rozando las paredes del vaso de precipitados.

7. Filtrar los cristales con vacío y lavarloscon 3 mL de etanol y posteriormente con 2mL de acetona.

8. Poner a secar en la estufa por 15minutos y pesar para calcular elrendimiento.

Peso del compuesto: 4.3510g.

II. Método B. Materia Prima: sulfato de aluminio y sulfato de potasio. 1. Pesar 0.4 g de sulfato de potasio y 1.6 gde sulfato de aluminio, grado reactivo.

K 2SO 4 : 0.4050g.Al2(SO 4)3: 1.6050g.

2. En vasos de precipitados, disolver porseparado cada una de las sales enaproximadamente 3.5 mL de aguahirviendo.3. Vaciar la solución de sulfato dealuminio a la de sulfato de potasio ymezclar manualmente agitando el vaso.

Agitamos constantemente hasta que la mezclase observó homogénea y colocamos en bañode agua-hielo hasta que se deshizo la turbidezde la solución

4. Dejar enfriar la solución obtenida paracristaliza el producto formado.

Se rasparon las paredes del vaso parafavorecer la cristalización.

5. Filtrar los cristales, lavar igual que en punto 7 del método A, poner a secar enestufa y registrar el peso para calcular el

Los cristales resultantes son blancos y finos, por lo que algunos traspasaron el papel filtro.Peso del compuesto: 1.018g.



rendimiento.III. Identificación de potasio, aluminio y sulfato en el alumbre del método A. 1. Identifique potasio mediante análisis ala llama del mechero.

La llama se observó lila

2. Identifique el ion sulfato mediante

cloruro de bario.

Con la primera adición se pudo observar la

formación de un precipitado blanquecino3. Identifique aluminio mediante variaciónde pH: disuelva unos gránulos del alumbreen agua y añada solución de NaOH 0.1 Mgota a gota hasta precipitación yresidisolución.

El precipitado resultante es blancuzco, que alagregar NaOH se disolvió completamente.

Observaciones y análisis de resultados.

I. Método A: Materia prima: Aluminio metálico.

a) Indicar todas las reacciones efectuadas a partir de aluminio metálico y hasta la formacióndel alumbre.

2 Al (s) +2 KOH (ac) + 6 H 2O (l) 2 KAl (OH) 4(ac) + 3H 2 (g)

2 KAl (OH) 4 (ac) + H2SO 4 (ac) 2 Al (OH) 3 (s) +2 H 2O (l) + K 2SO 4 (ac) 2 Al (OH) 3 (s) + 3 H 2SO 4 (ac) Al2 (SO 4)3 (s) + 6H 2OAl2 (SO 4)3 (s) + K 2SO 4 (ac) + 24 H 2O 2 KAl (SO 4)2 12H 2O

b) Con base en las reacciones anteriores y los pesos registrados, calcular el rendimiento del proceso.

Cálculos.

( )

Peso del aluminio metálico. 0.2979gPeso de los cristales. 4.3510g

Rendimiento método A. 83.14%

II. Método B: Materia prima: Sulfato de aluminio y sulfato de potasio.

a) Indique en el reporte las ecuaciones para las reacciones efectuadas.

Al2 (SO 4)3 (s) + K 2SO 4 (ac) + 24 H 2O 2 KAl (SO 4)2 . 12H 2O



Cálculos.

b) Con base en las reacciones y los pesos registrados, calcular el rendimiento del proceso(en el reporte).

Rendimiento teórico. 1.1018gPeso de los cristales. 1.018g.Rendimiento método B. 92.38%

Comparación de los métodos utilizados.

Método Rendimiento.A 83.14%B 92.38%

Discusión.

La química del aluminio es muy basta como lo podemos observar en la serie de reaccionesque se utilizan para obtener el alumbre a partir de aluminio metálico. Los rendimientosobtenidos, aunque muy buenos los dos, muestran una diferencia de 9.24%. En la síntesis dealumbre se obtuvo un rendimiento del 83.14%, mientras que en la síntesis del alumbre de

potasio el rendimiento es de 92.38%. Esta diferencia se atribuye a que en el primero, al serempleadas más reacciones es posible que el producto se pierda en el proceso. Además seutilizó menor cantidad de reactivo limitante en el método A en comparación con el métodoB.

Conclusión.

Una vez analizados los resultados se concluye el método B es más eficiente que el métodoA, ya que aunque se utilizó menos materia prima en el método A, este es más largo y utilizamás reactivos, en comparación con el método B, donde solo se emplea 1 reacción y losreactivos utilizados son menos, además de mostrar un mayor rendimiento.



Cuestionario.

1. Escriba las fórmulas de 5 diferentes alumbres (pueden ser reales ó “inventados”).

NH4Al(SO4)2 12H 2O. Alumbre de amonio. KCr(SO4)2 12H 2O. Alumbre de cromo III. NH4Fe(SO 4)2 12H 2O. Alumbre de hierro y amonio. KAl(SO4)2 12H 2O. Alumbre potásico. KFe(SO4)2 12H 2O. Alumbre de hierro y potasio.

2. El alumbre tiene 12 moléculas unidas al compuesto, ¿deben ser incluidas cuando secalcula el rendimiento teórico del alumbre? Explique su respuesta .

Sí, porque forman parte de la molécula, afectando su peso, y por lo tanto los cálculos derendimiento.

3. Considere la formación del alumbre de potasio y cromo KCr(SO4)2.12H2O a partir de lareducción de dicromato de potasio en ácido sulfúrico utilizando etanol como agentereductor. Investigue la reacción química que conduce al alumbre. Indique que cantidad delalumbre se formará por reducción de 15.10 gramos del dicromato de potasio (suponga queel rendimiento es del 100%)

K 2Cr 2O7(ac) + 4H 2SO 4(ac) + 3CH 3CH 2OH (l) + 12H 2O (l) 3CH 3CHO +KCr(SO 4)2 12H 2O (s) + 7H 2O(l)

( )( )( )

4. Una masa de 13.02 gramos de (NH4)2SO4 es disuelta en agua. Después de que lasolución es calentada se le agregan 27.22 gramos de Al2(SO4)3.18H2O. Indique lareacción balanceada con el correspondiente alumbre formado, y calcule el rendimientoteórico del mismo. Ojo: este es un problema de reactivo limitante.

(NH 4)2SO 4+ Al 2(SO 4)3 + 12H 2O (NH 4)Al(SO4) 2

( )( )( )



5. Haga una monografía sobre la química del grupo 3 (o IIIA) discutiendo las similitudes ydiferencias de los elementos B, Al, Ga, In y Tl.

Grupo 3B boro, aluminio, galio, indio y talio

Todos los elementos de este grupo exhiben la valencia tres, pero a causa de la cantidad tangrande de energía que se requiere para formar los iones trivalentes – la suma de las tres

primeras energías de ionización- sus compuestos anhidros son esencialmente covalentes ocontienen una apreciable cantidad de carácter covalente. El boro nunca forma el ion B 3+ yaque la enorme cantidad de energía que se necesita para eliminar tres electrones de un átomo

pequeño no puede compensarse con la formación de un retículo cristalino estable, aun conel átomo más electronegativo, el de flúor.

Las configuraciones electrónicas de los átomos de boro y aluminio son semejantes encuanto a que la penúltima capa tiene l configuración de un gas noble, en tanto que la

penúltima capa del galio, indio y talio, contiene dieciocho electrones.

Al boro que es no metálico, y al aluminio, que es claramente metálico, es mejorconsiderarlos por separado. El galio, el indio y el talio son débilmente metálicos y puedenestudiarse con ventajas como grupo; en muchos aspectos su química es semejante a la delaluminio.

Boro

El boro se encuntra principalmente en forma de boratos. El boro amorfo es un elemnto muyreactivo y se combina directamente con el oxígeno, el azufre, el nitrogéno y los halógenos

para dar lugar a un óxido, un sulfuro, un haluro respectivamente. El óxido, el sulfuro y elnitruro son moléculas gigantes con enlaces covalente en toda la estructura.

Aluminio

El aluminio es el elemento metálico más abundante sobre la corteza terrestre; se encuentraen varios aluminosilicatos tales como arcilla, micas y feldespatos. El único mineral del queresulta económico extraer el metal es la bauxita, oxido de aluminio hidratado, el cual seacumula por la lenta pero persistente acción de atmosférica sobre la arcilla.

El aluminio es un metal ligero muy resistente, además es dúctil y maleable; posee unaestructura hexagonal compacta. No es tan reactivo como lo indica su elevado potencialelectroquímico negativo, y la razón es que normalmente existe una capa muy delgada deóxido e su superficie. Cuando esta capa se elimina mediante frotamiento con mercurio, elmetal reacciona de inmediato con la humedad del aire y forma una especie de “cultivofungoso” de hidróxido de aluminio, calentándose mucho en el proceso.

Comparación de los elementos galio, indio, y talio.

Galio, indio y talio

El galio, el indio y el talio se obtienen por electrolisis de soluciones acuosas de sus sales.Estos son blandos, blancos y medianamente reactivos; por calentamiento se combinan con



muchos no metales tales como los halógenos y el azufre. El galio reacciona en la mismaforma que el aluminio con el hidróxido de sodio acuoso; es un líquido dentro de unintervalo apreciable de temperatura (30° - 2240°C) y aún no existe ninguna explicaciónadecuada para este comportamiento.

Haluros

Los trifluoruros son sólidos iónicos con altos puntos de fusión y se asemejan al fluoruro dealuminio. El cloruro de galio (lll) es un dímero covalente sólido que se hidroliza confacilidad y se disocia en el monómero por calentamiento; su comportamiento, por tanto, esanálogo al del cloruro de aluminio. Sin embargo, el cloruro de indio (lll) es un monómeroapreciablemente iónico. El cloruro de talio (lll) se descompone por calentamiento encloruro de talio (l), TlCl, en el cual el metal exhibe la valencia (l).

Óxidos

Los óxidos trivalentes son similares al oxido de aluminio, pero son reductibles con mayorfacilidad a medida que aumenta el número atómico. Los óxidos son más básicos en elmismo orden; así, el óxido de galio (lll) es menos anfótero que el de aluminio y el óxido detalio (lll) es exclusivamente básico.

Bibliografía F.A. Gotton / G. Wilkinson. Química Inorgánica Básica. Editorial Limusa. México

1978. Páginas: 277-293. Robert B. Fisher / Dennis G. Petters. Análisis Químico Cuántico. Tercera edición.

Editorial Interamericana S. A. México 1968. Páginas: 167-223 Química inorgánica, Principios de Estructura y Reactividad. Segunda edición.

Editorial HARLA. México 1981. Páginas: 250-261. G.F. Liptrot MA, PhD. Química Inorgánica Moderna. Editorial Continental, S. A de

C.V., México. Impreso en México 1983. Pag 247-261



Apéndice de reactivos.

Nombre yfórmula

Masamolar(g/mol)

Punto deebullición

Punto defusión

Densidad(g/cm3) Precauciones Manejo y disposición d

residuos

Hidróxidode potasioKOH

56,1056 1593,15 K(1320 °C)

633,15 K(360 °C) 2,04

Evitar los compuestosorgánicos e inorgánicos talescomo ácidos fuertes,nitroaromáticos,nitroparafinicos, compuestosorganohalogenados, glicoles, y

peróxidos orgánicos. Polimerizaviolentamente conacetaldehídos, acroleina yacrilonitrilo.Otras precauciones: ProduceHidrógeno si reacciona conaluminio, estaño, y zinc y crearun ambiente explosivo. Evitecalentamiento de loscontenedores y manténgalos alaire libre.

Los remanentes deberán serlavados con abundante agua.La compañía que se encarguede la eliminación deberáajustarse a los lineamientosfederales, estatales y localesde eliminación y descargasegún la NOM-CRP-001-ECOL/93

Sulfato depotasioK 2SO4

174.259 1962 K(1689 °C)

1342 K(1069 °C) 2.66

No permitir el paso al sistemade desagües. Evitar lacontaminación del suelo, aguasy desagües.

Recoger en seco y depositaren contenedores de residuos

para su posterior eliminaciónde acuerdo con lasnormativas vigentes. Limpiarlos restos con agua abundante

sulfato dealuminioAl2(SO4)3

342,150 770 °C 2,67

Peligros de Incendio y/oexplosión: No inflamable nicombustible. Productos de la

combustión: Puede desprendergases tóxicos de óxidos deazufre a temperaturas superioresa 760 ºC. Precauciones:Eliminar toda fuente de calorque lo lleve a la combustión. Noinhalar los gases producidos.Procedimientos en caso deincendio y/o Explosión: Evacuaro aislar el área de peligro.Restringir el acceso a personasinnecesarias y sin la debida

protección. Estar a favor del

viento. Usar equipo de protección personal. AgentesExtintores del Fuego: Usar elagente de extinción adecuadosegún el tipo de incendio delalrededor.

Almacenamiento: Lugaresventilados, frescos y secos.Lejos de fuentes de calor e

ignición. Separado demateriales incompatibles.Rotular los recipientesadecuadamente ymantenerlos bien cerrados.Manipulación: Usar siempre

protección personal así seacorta la exposición o laactividad que realice con el

producto. Mantener estrictasnormas de higiene, no fumarni comer en el sitio detrabajo. Usar las menores

cantidades posibles. Conocerdonde esta el equipo para laatención de emergencias.Leer las instrucciones de laetiqueta antes de usar el

producto.

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