ISBN: 978-0-615-93971-1
XX Jornadas de Ingeniería Arquitectura y Diseño, FIAD-UABC
CRISTALIZACIÓN REALIZADA EN SEGUNDOS Colin Zavala Luis Fernando, Covarrubias Cerda Cristian, Díaz Moreno Francisco, Eunice Vargas Viveros*, Dora Luz Flores-Gutiérrez* & Jorge Mata-Ramírez* FACULTAD DE INGENIERÍA ARQUITECTURA Y DISEÑO CARRETERA TRANSPENINSULAR ENSENADA-TIJUANA NUMERO 3917, COLONIA PLAYITAS. Ensenada, B.C., C.P. 22860. Teléfono 646-1750744, Fax 646-1744333. *E-mail:fernando.colin@uabc.edu.mx, cristian.covarrubias@uabc.edu.mx, francisco.diaz.moreno@uabc.edu.mx Abstract.Los procesos desarrollados durante la práctica experimental son diversos, en los cuales, se manifiestan las características de las sustancias a lo largo de los fenómenos en desarrollo. Dentro de las reacciones químicas, existen los procesos denominados como exotérmicos y endotérmicos, los cuales se denominan como la liberación de energía a lo lardo de una reacción en forma de calor y la energía necesaria para poder llevar a cabo una reacción química respectivamente. Los fenómenos manifestados en el desarrollo de la actividad se clasifican como una cristalización, proceso en el cual una sustancia, inicialmente en estado líquido, mediante una reacción química, forma cristales de la misma sustancia. Para que esto sea posible, es necesario tener una solución saturada de acetato de sodio, en un medio acuoso escaso; posteriormente es necesario adicionar energía para transformar el acetato de sodio en líquido, el cual será sometido a enfriamiento y posteriormente se llevara a cabo la reacción de cristalización en cuestión en segundos. Palabras claves:cristalización, proceso exotérmico, proceso endotérmico, fusión, acetato de sodio, reactivos, productos, solución, medio acuoso, solución saturada, sobresaturación.
mediante valores teóricos o experimentales diversos cálculos referentes al estudio del fenómeno en cuestión. Es importante conocer y estudiarlo detenidamente, ya que nos será de gran utilidad en la elaboración de diverso proyectos, reduciendo el tiempo empleado para la deducción de las muy diversas características que este posee [2].
1. Introducción Dentro de la química, existen diversos procesos en los cuales la materia reacciona y se transforma, generando diferentes productos a base de reacciones químicas, las cuales son estudiadas y utilizadas para comprender y analizar los fenómenos que ocurren en la naturaleza. La química se enfoca en el estudio de la materia y su comportamiento, es decir, estudia los estados de la materia [1]. Básicamente existen 5 estados generales de la materia, de los cuales usualmente consideramos tres:
Teoría: La razón de elaboración del proyecto descrito, manifiesta las propiedades de una reacción química, manifestando sus características de una forma visual y práctica para los observadores. En el ámbito científico y tecnológico, es importante aplicar los conocimientos generados en base a la experiencia, resaltar la importancia de poder identificar los procesos que se manifiestan a lo largo de una reacción química y las propiedades de los mismos.En de las investigaciones aplicadas al proceso de cristalización, existen gran variedad de reactivos en los cuales se manifiestan el fenómeno de cristalización, (ordenamiento a escala atómica de las moléculas), la diferencia radica en el tipo de sustancia
1. Sólido 2. Líquido 3. Gaseoso Comúnmente dentro de las aplicaciones en ingeniería, es fundamental contar con programas lógicos de simulación los cuales nos permitan estudiar estos fenómenos de forma detallada; dentro de estos programas, se destaca el uso en especial y que hemos utilizado para este trabajo, es el de Matlab™, el cual nos permite realizar 1
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utilizada y las propiedades que proporciona la sustancia en la reacción [3-6]. Teóricamente, no es muy sencillo de explicar el fenómeno de saturación de una sustancia y posteriormente su cristalización, a pesar de ello, se sabe que, para cristalizar una sustancia, es necesario disminuir la energía cinética de las moléculas, facilitando el reacomodo de las moléculas a un estado más estable, logrando así que estas moléculas se ordenen y crezcan tridimensionalmente formando así cristales de gran tamaño y belleza [3-6].
parrilla de calentamiento, vasos precipitados, y métodos de enfriamiento. 4. Análisis estadístico: los valores estadísticos de la actividad experimental se basan en el tiempo de fusión y la temperatura empleada para llevar a cabo la reacción. Estos datos fueron empleados en el programa de Matlab™, de tal forma que podemos conocer las características del proceso y conocer valores teóricos en base a métodos numéricos [4].
Objetivo:
El desarrollo de la actividad experimental se basa en una serie de reacciones tomando como base una solución saturada de acetato de sodio en un medio acuoso escaso.
3. Parte Experimental.
Se dará una pequeña enseñanza de cómo funciona el programa Matlab™, y posteriormente se desarrollará un script en el programa, con la finalidad de que los alumnos apliquen los conocimientos adquiridos y desarrollados durante la práctica y desarrollo de actividades experimentales. Así mismo, el alumno aplicará los diversos métodos para conocer las características y el comportamiento de una reacción química durante un tiempo determinado.
1. Es necesario realizar una solución de acetato de sodio (la cantidad de acetato de sodio utilizado es de 50 g) en un medio acuoso (30 ml de agua destilada). 2. Realizar el calentamiento de la solución saturada a diferentes temperaturas (figura 1).
2. Materiales y Métodos Ejemplos: La sección de material y métodos se organiza estas áreas: 1. Diseño: Para el diseño del proyecto, fue necesario identificar los pasoso del fenómeno, el cual se basa en la creación de una solución saturada, calentamiento, enfriamiento y finalmente la reacción de la cristalización. Se adiciono la aplicación de métodos numéricos para conocer el comportamiento de la actividad experimental y realizar interpolaciones mediante la ecuación calculada. 2. Entorno:El proyecto fue desarrollado bajo el régimen estricto de un laboratorio químico. 3. Intervenciones: Para el desarrollo del proyecto, se utilizan técnicas básicas de calentamiento y enfriamiento, así como fusión y saturación. Para el desarrollo de estos procesos es necesario utilizar una
Figura 1. Método de fusión, utilizando una mufla y un vaso de precipitado a temperatura controlada. 3. Una vez que la solución se encuentre en estado líquido completamente, pasara la solución a enfriamiento en baño de agua helada (figura 2). 4. En esta fase del procedimiento, es de suma importancia tener cuidado ante movimientos bruscos o el contacto con impurezas de la solución. Una vez que la 2
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solución se encuentre en temperatura ambiente o menor, con precaución retirar el vaso precipitado del enfriamiento, posteriormente, agregar una porción pequeña de acetato de sodio para poder efectuar la reacción química (no tener contacto directo con la sustancia bajo ninguna circunstancia, ya que sufre un proceso exotérmico). Obsérvese la figura 3 y 4.
Figura 4. Reacción final de cristalización
4. Resultados y Discusión.
Temperatura en °C 200 225 250 275 300 325 350 375 400 425
Tiempo en minutos 51.37 49.45 45.56 44.17 42.29 38.07 33.21 29.29 26.59 22.16
Tabla 1. Datos experimentales
Figura 2. Solución líquida en un vaso de precipitado.
Figura 3. Reacción de cristalización Gráfico 1.Regresión lineal
5. Dado al hecho de que es un proceso reversible, podemos regresar al estado inicial de la solución adicionando energía en forma de calor.
Gráfico 2. Interpolación de Newton y Lagrange 3
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Estos métodos son efectivos, pero es necesario realizar gran cantidad de repeticiones para tener la mayor cantidad de datos experimentales posibles. En la gráfica se muestra un comportamiento aparente lineal, pero esto no es así, dado a las características de la solución, en algún punto de la actividad, la temperatura y el tiempo de reacción disminuirán con el tiempo, de tal forma que su comportamiento a través del tiempo es no lineal.
Discusión: En la gráfica 1, se observa el comportamiento de la reacción estudiada, la cual fue elaborada por el programa Matlab mediante métodos numéricos, específicamente el método de Regresión lineal. En el gráfico 2, se observa el comportamiento de la reacción, además de realizar una interpolación de datos mediante el método de Interpolación de Newton y Lagrange, de tal forma que podemos conocer valores teóricos a partir de los valores capturados. En las gráficas se puede apreciar un comportamiento completamente lineal, pero esto en la práctica o con un número mayor de datos, se puede comprobar lo contrario.
5. Bibliografía. [1].- Housecroft, Catherine E., Sharpe, Alan G., Química inorgánica, Pearson, 953 páginas.2001. [2].- Chapra, Métodos Numéricos Para Ingenieros, Editorial: McGraw Hill, México, (2012). [3].- A Umantsev, Thermal effects of interface motion in crystallization, Modelling Simul. Mater. Sci. Eng. 20 045013 (2012) [4].- H Kumar, N Mehta and K Singh, Calorimetric studies of thermal crystallization in glassy Se80−xTe20Snx (0≤x≤10) alloys, Phys. Scr. 83 065602 (2011). doi:10.1088/0031-8949/83/06/065602 [5].- F Kail, J Molera, J Farjas, P Roura, C Secouard and P Roca i Cabarrocas, Can the crystallization rate be independent from the crystallization enthalpy? The case of amorphous silicon, J. Phys.: Condens. Matter 24 095401 (2012). [6].- Chihiro Kaito, Yu Miyazaki, Akihito Kumamoto and Yuki Kimura, Exothermic Chemical Reactions Can Drive Nonthermal Crystallization of Amorphous Silicate Grains, The Astrophysical Journal, 666 L57 (2007). doi:10.1086/521604,
4. Conclusiones En base a los datos capturados, la información obtenida, el análisis y la interpretación de datos apoyados por Métodos Numéricos, concluimos que en un proceso de cristalización por saturación, las moléculas buscan un estado máximo de estabilidad, por lo tanto al encontrarse en un estado líquido en bajas temperaturas, las moléculas de acetato de sodio en poca agua carecen de energía cinética, por lo tanto, al agregar una impureza o un movimiento brusco, las moléculas se organizan de tal forma que forman una red cristalina, aumentando la estabilidad del reactivo, por lo cual se libera energía en forma de calor denominado como un proceso exotérmico. Dado a las características de la reacción, es un proceso reversible, por lo cual al agregar un poco de energía en forma de calor a la solución, transformaremos la solución salida en líquida, aumentando la energía cinética de las moléculas y aumentando el desorden en el sistema. Mediante métodos numéricos, se pueden realizar aproximaciones a valores no calculados, es decir, mediante los métodos prácticos, se puede realizar regresión lineal, de tal forma que se puede interpolar mediante el método de Newton y Lagrange. 4