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HIDROMETALURGIA Y ELECTROMETALURGIA SOLUBILIDAD DE SALES METÁLICAS INORGÁNICAS EN SOLUCIONES ACUOSAS

PRESENTADO POR: DUVAN STIVEN GOMEZ NAVARRO

CÓDIGO: 2122430

LINA MARÍA SIERRA SERRANO

CÓDIGO: 2102588

JORGE EDUARDO URIBE

CÓDIGO:2082274

GRUPO: A

PRESENTADO A: PROFESOR: JHON FREDDY PALACIOS

UNIVERSIDAD INDUSTRIAL DE SANTANDER FACULTAD DE INGENIERÍAS FISICOQUÍMICAS ESCUELA DE INGENIERÍA METALÚRGICA Y CIENCIA DE MATERIALES BUCARAMANGA 2016

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1. INTRODUCCIÓN En la práctica de solubilidad de sales inorgánicas, se permitió la observación de la solubilidad del sulfato de cobre pentahidratado en diferentes medios, y la valoración de parámetros como la temperatura y la concentración. Fueron manejados conceptos de solubilidad y las constantes de equilibrio, los cuales rigen los procesos y las reacciones químicas. Se tuvo en cuenta el hecho que al prepararse una solución saturada de una sal, se establece un equilibrio dinámico entre los iones que se disocian (parte disuelta) y el sólido precursor (parte insoluble) que se deposita en el fondo del recipiente.

2. OBJETIVOS 2.1 OBJETIVO GENERAL Analizar la solubilidad del sulfato de cobre pentahidratado en diferentes sistemas acuosos con el fin de comparar los reactivos y elegir el apropiado para lixiviar minerales que lo contienen. 2.2 OBJETIVOS ESPECÍFICOS Establecer la diferencia de solubilidad de una sal metálica en diferentes soluciones acuosas. Determinar la influencia que tienen las variables temperatura y concentración, en la solubilidad de sales metálicas y en procesos hidrometalúrgicos.

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3. EQUIPOS, MATERIALES Y REACTIVOS  Balanza  Vitrina de extracción de gases  Baño termostatado o baño maría  Vasos de precipitado (100 mL)  Agitadores magnéticos  Vidrios reloj

      

Termómetro Sulfato de cobre Sulfato de níquel Agua destilada Ácido sulfúrico Hidróxido de amonio Carbonato de amonio

Fig1. Esquema de los principales implementos de laboratorio utilizados en la práctica.

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Dadas las condiciones a las que se realizó la práctica se decidió colocar fichas técnicas de los reactivos que se trabajaron en el presente informe para tener un conocimiento de las normas que se deben tener para la utilización de estos reactivos en caso de un accidente, que puede suceder sin un previo aviso.

FICHA TÉCNICA ÁCIDO SULFÚRICO

I. CARACTERÍSTICAS

Sinónimos:

Sulfato de Hidrógeno - Aceite de Vitriolo - Espíritu de Azufre - Licor de Azufre - Sulfuric Acid (inglés) Formula Química: H2SO4 Concentración: 98.0 % Peso Molecular: 98.08 Grupo Químico: Ácido Inorgánico. Numero Cas: 7664-93-9 Numero NU: 1830

II.PROPIEDADES FISICAS Y QUÍMICAS

Estado Físico: Líquido. Apariencia: Incoloro a amarillento/pardo oscuro, denso y oleoso. Olor: Picante y penetrante. ph: <1 Temp. de Ebullición: 327 °C (solución al 98%). Temp. de Fusión: -2 °C (solución al 98%). Temp. de Descomposición: 340 °C.

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III. RIESGOS PARA LA SALUD

EFECTOS AGUDOS DE SOBRE-EXPOSICIÓN

Inhalación: Severa Irritación de las vías respiratorias. Fuerte deshidratación de los tejidos afectados. Daño Corrosivo con quemaduras. Erosión dental y ampollas en la boca. Dificultad para respirar. Puede producirse severo daño pulmonar - Edema pulmonar. Contacto con la Piel: Altamente irritante y corrosivo. Fuerte deshidratación. Quemaduras graves. Contacto con los Ojos: Severas irritaciones y quemaduras graves. Posible daño permanente que pueden derivar en ceguera.

IV. EQUIPOS DE PROTECCIÓN PERSONAL

Ropa de Trabajo: Indumentaria de trabajo resistente a sustancias corrosivas. Traje de PVC con gorro cuando sea necesario. Protección Respiratoria: Uso de protección respiratoria (respiradores o máscaras) sólo en caso de sobrepasarse los límites permisibles ponderado o absoluto. Debe ser específica para vapores Ácidos Inorgánicos. Los cartuchos químicos, no deben usarse cuando las concentraciones sobrepasen los 15 mg/m3. Para situaciones con niveles sobre los 15 mg/m o casos de emergencia, se debe utilizar aparato de respiración autónomo. Guantes de Protección: Utilización de guantes de Goma Butilo o PVC. Lentes Protectores: Uso de lentes de seguridad de con protección lateral o careta facial, con resistencia al producto. Calzado De Seguridad: Utilizar botas de Goma.

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XII. MEDIDAS DE PRIMEROS AUXILIOS

Inhalación: Trasladar a la persona donde exista aire fresco. Si no reacciona dar respiración artificial. Si respira dificultosamente se debe suministrar Oxígeno. Conseguir atención médica de inmediato. Contacto con la Piel: Aplicar abundante Agua, por lo menos de 20 a 30 minutos. Usar ducha de emergencia. Sacarse la ropa contaminada y luego lavarla o desecharla No aplicar ningún tipo de sustancia. Recurrir rápidamente a un servicio médico de persistir la lesión Contacto con los Ojos: Lavarse con abundante Agua en un lavadero de ojos, como mínimo durante 20 a 30 minutos. Acudir a una asistencia médica rápidamente de mantenerse la lesión.

. 4. FUNDAMENTOS TEÓRICOS

Solubilidad

La solubilidad de un soluto en un disolvente es la concentración que presenta una disolución saturada, o sea, que está en equilibrio con el soluto sin disolver porque siempre habrá algunas moléculas o iones que pasen a la disolución. las sustancias se clasifican en: 

Solubles: si su solubilidad es 0,1 M o >.

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 

Poco Solubles: si su solubilidad se sitúa entre 0,1 M y 0,001 M Insolubles: si su solubilidad no llega a 0,001 M

Factores que influyen en la velocidad de la disociación Cuando un soluto se pone en contacto con un solvente la velocidad del proceso de disolución depende de los siguientes factores:    

Naturaleza de las sustancias implicadas en el proceso de disolución: Si son gases se mezclan instantáneamente, si son líquidos miscibles la solubilización es también rápida, pero si son poco miscibles requiere mas tiempo. Tamaño de las partículas del soluto: Mientras más finamente esté dividido el soluto, hay mas posibilidad de que las partículas de soluto y solvente entren en contacto y aumente la solubilización. Temperatura de la solución: Al aumentar la temperatura aumenta la velocidad de disolución y más rápidamente se llega a la saturación, aunque en algunas ocasiones se disminuye la solubilidad, como en procesos en que se libera calor. Grado de agitación o mezcla del soluto en el solvente: Al agitar una mezcla de dos sustancias a un mayor contacto entre las partículas de soluto y solvente, una mejor distribución de ellas, mayor velocidad de difusión y, por tanto, mayor velocidad de la solubilidad.

4.1 El producto de solubilidad La gran mayoría de las sales inorgánicas son solubles en agua, pero existen algunas que son insolubles. Cuando se coloca en agua una sal insoluble o ligeramente soluble, se establece un equilibrio en el momento en que la velocidad de disolución de los iones de sólido iguala la velocidad de precipitación de la solución saturada. Las ecuaciones químicas para soluciones acuosas de sólidos iónicos ligeramente solubles tienen la siguiente forma: AB == A+ + B- ; KPS = [A+] * [B-] Donde Kps es denominada constante del producto de solubilidad. Es importante no confundir el término de solubilidad con el de producto de solubilidad. Este último corresponde a la constante de equilibrio de una reacción específica, en tanto que la solubilidad es la cantidad de una sustancia que se disuelve en una cantidad definida de agua y aunque tienen reacción entre sí, sus valores son diferentes. Efecto del ion común

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El efecto de ión común tiene relación directa con los equilibrios de solubilidad. En solución saturada de una sal como el BaSO4, la concentración de los iones está gobernada por el producto de solubilidad: Kps = [Ba+2] * [SO4-2] Aun si otras sales se hallan disueltas en la solución. Si la concentración de uno de los iones aumenta por la adición de BaCl2 o Na2SO4, la concentración del otro debe disminuir para poder mantener el equilibrio. Esto significa que la adición de un ion común conduce a un decrecimiento en la solubilidad de la sal, pues de acuerdo con el principio de Le Chatelier el equilibrio se desplaza hacia la izquierda.

Efecto Salino Si no existe efecto de ion común la adicción de otras sales a la disolución aumenta ligeramente la solubilidad. La presencia en la disolución de iones extraños que no reaccionan ni con el precipitado produce un aumento de la solubilidad Ej: la solubilidad del Cloruro de talio aumenta en presencia de nitrato potásico o sulfato potásico

Cambio de Disolvente La solubilidad de una sustancia determinada depende del disolvente utilizado. Ej: Si a una disolución acuosa de sulfuro de calcio de le añade etanol el sulfuro precipita.

Precipitación fraccionada A veces se encuentra en una disolución diferentes iones que precipitan con la adicción de un mismo reactivo. Si los productos de solubilidad de los respectivos compuestos insolubles son suficientemente diferentes se puede conseguir precipitar iones de una clase y dejar los otros en disolución. Este principio se denomina precipitación fraccionada.

CÁLCULOS PARA LA PREPARACIÓN DE UNA SOLUCIÓN A continuación se muestra las ecuaciones utilizadas cuando se habla de soluciones acuosas, las diferentes formas en que se pueden presentar la solubilidad de las sustancias en el solvente.

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ECUACIÓN

LEYENDA

M Soluto % M/M = —————— x 100 M de Solución

M Soluto = Masa en gramos de soluto M Solución = Masa en gramos de Solución

M Soluto % M/V = —————— x 100 V de Solución

M Soluto = Masa en gramos de soluto V Solución = Volumen en ml de Solución

V Soluto % V/V = ————— x 100 V Solución

V Soluto = Volumen de soluto V Solución = Volumen de solución

NORMALIDAD Equiv-gr Soluto N = ———————— V Solucion (L) M Soluto Equiv-gr = ———— PE PM PE = —— W MOLARIDAD M Soluto M = —————— V Solución (L)

N = Normalidad N = Nº de Equivalentes por L de solución PE = Peso equivalente del soluto PM = Peso molecular del soluto W = Equivalente en cada mol de sustancia Si es un acido Nº de H+ W Si es una base Nº de OH Si es una sal Nº de oxidación M = Molaridad Msoluto = Masa de soluto en moles Vsolucion = Volumen de solucion

MOLALIDAD M Soluto m= —————— M Solvente

m = Molalidad Msoluto = Masa de soluto en moles Msolvente = Masa de solvente en kilogramo

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FRACCIÓN MOLAR Moles Soluto o solvente X = —————— Moles Totales Solución

PARTES POR MILLON (p.p.m) p.p.m = mg/L mg = p.p.m x L

DILUCIÓN Vc x Cc = Vd x Cd

p.p.m = Partes por Millón mg = Milligramos L = Litros Vc = Volumen del concentrado Cc = Concentración del concentrado Vd = Volumen de diluido Cd = Concentración del diluido

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5. PROCEDIMIENTO INICIO

Medir en un vaso de precipitado 25 ml de agua o de la solución previamente preparada y tomar el pH inicial.

Pesar 25 g de sulfato de cobre en un vidrio de reloj. Llevar el vaso con la solución al plato del agitador magnético e iniciar la agitación a velocidad constante. Agregar sulfato de cobre lentamente a la solución a medida que ésta se agite.

NO ¿Precipitó?

SI Medir el pH y el volumen final de la solución. Medir y registrar el peso no agregado de sulfato. Calcular y registrar los gramos de sal que se solubilizaron en los 25ml de solución inicial. Organizar, registrar los resultados y hacer los análisis correspondientes a la práctica.

FIN Fig2. Diagrama de procedimiento de solución de sales metálicas

inorgánicas.

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5. REGISTRO DE DATOS 5.1 Sistema número uno: Solubilidad del sulfato de cobre ( CuSO4 ) en agua destilada a temperaturas de 25, 35 y 50 [°C].

Grado de agitación: 1,5 rpm Tabla1. Datos sistema 1, solubilidad de sal metálica en agua. T [°C]

𝒑𝑯𝒊

𝑽𝒊 [ml]

𝒑𝑯𝒇

𝑽f [ml]

𝑾i 𝑪𝒖𝑺𝑶𝟒*5𝑯𝟐𝑶 [𝒈]

𝑾f 𝑪𝒖𝑺𝑶𝟒*5𝑯𝟐𝑶 [𝒈]

25

25,02

14,61

6,09

3,44

25

30

35

25,04

12,14

6,09

3,05

25

31

50

25,00

10,30

6,09

3,02

25

31

5.2 Sistema número dos: Solubilidad del sulfato de cobre en soluciones de ácido sulfúrico de 1, 5 y 10% volumen a 25 [°C]. Grado de agitación: 1,5 rpm Tabla2. Datos sistema 2, solubilidad de sal metálica en solución de ácido sulfúrico

H2SO4

[V/V]%

𝑾i 𝑪𝒖𝑺𝑶𝟒*5𝑯𝟐𝑶 [𝒈]

𝑾f 𝑪𝒖𝑺𝑶𝟒*5𝑯𝟐𝑶 [𝒈]

𝒑𝑯𝒊

𝒑𝑯𝒇

𝑽𝒊 [ml]

𝑽f [ml]

1

25

16,78

1,317

1,382

25

27,12

5

25

18,45

0.645

1,387

25

26,50

10

25

19,84

0,267

1,275

25

26,87

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5.3 Sistema número tres: Solubilidad del sulfato de cobre ( CuSO4 ) en solución acuosa de sulfato de níquel ( NiSO4 ) a 25 °C. Grado de agitación: 1,5 rpm Tabla3. Datos sistema 3, solubilidad de sal metálica en solución de sulfato de níquel.

NiSO4 [g/l]

𝑾i 𝑪𝒖𝑺𝑶𝟒*5𝑯𝟐𝑶 [𝒈]

𝑾f 𝑪𝒖𝑺𝑶𝟒*5𝑯𝟐𝑶 [𝒈]

𝒑𝑯𝒊

𝒑𝑯𝒇

𝑽𝒊 [ml]

𝑽f [ml]

1

25

15,88

6,683

3,520

25

30

5

25

16,24

6,580

3,350

25

28

5.4 Sistema número cuatro: Solubilidad del sulfato de cobre ( CuSO4 ) en solución acuosa de sulfato de níquel ( NiSO4 ) a 35 °C. Grado de agitación: 1,5 rpm Tabla4. Datos sistema 3, solubilidad de sal metálica en solución de sulfato de níquel.

NiSO4 [g/l]

𝑾i 𝑪𝒖𝑺𝑶𝟒*5𝑯𝟐𝑶 [𝒈]

𝑾f 𝑪𝒖𝑺𝑶𝟒*5𝑯𝟐𝑶 [𝒈]

𝒑𝑯𝒊

𝒑𝑯𝒇

𝑽𝒊 [ml]

𝑽f [ml]

1

25

13,691

6,683

3,334

25

30

5

25

14,020

6,585

3,190

25

27

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6. CÁLCULOS

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 6.1 Sistema número uno: Solubilidad del sulfato de cobre (CuSO4) en agua destilada a temperaturas de 25, 35 y 50 [°C]. Utilizando los datos de la tabla 1 se procede a calcular la solubilidad del sulfato de cobre (CuSO4) en la solución, para esto es necesario determinar los gramos disueltos de sulfato de cobre pentahidratado (CuSO4.5H2O) que fue el reactivo utilizado en la práctica, con los pesos moleculares de cada sustancia se determina los gramos disueltos de sulfato de cobre y posteriormente se calcula la solubilidad de este. 𝑷𝑴𝑪𝒖𝑺𝑶𝟒= 𝟏𝟓𝟗.𝟔 𝒈𝒎𝒐𝒍 𝑷𝑴𝑪𝒖𝑺𝑶𝟒∗𝟓𝑯𝟐𝑶=𝟐𝟒𝟗.𝟔𝟕𝟒 𝒈𝒎𝒐𝒍

 Calculo tipo para la temperatura de 25 °C Gramos de CuSO4.5H2O disueltos: 𝑤𝑖 − 𝑤𝑓 = 25 − 14,61 = 10,41 𝑔 𝐶𝑢𝑆𝑂4 . 5𝐻2 𝑂 Gramos de CuSO4 disueltos: 10,41 𝑔Cu𝑆𝑂4 . 5𝐻2 O ∗

1𝑚𝑜𝑙 CuSO4.5H2O 159,69𝑔CuSO4 1𝑚𝑜𝑙CuSO4 ∗ ∗ 249,674𝑔CuSO4.5H2O 1𝑚𝑜𝑙CuSO4 1𝑚𝑜𝑙Cu𝑆𝑂4 . 5𝐻2 O

= 𝟔, 𝟔𝟓𝟖[𝒈] 𝒅𝒆 𝐂𝐮𝐒𝐎𝟒 Solubilidad del CuSO4: 6,658 𝑔 Cu𝑆𝑂4 0.025 𝑙

𝒈

= 𝟐𝟔𝟔, 𝟑𝟐 [ ] 𝑳

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La solubilidad del sulfato de cobre en agua a una temperatura de 25 °C es de 𝒈 𝟐𝟔𝟔, 𝟑𝟐 [ 𝑳 ]. Este mismo procedimiento se realizó para los datos de 35 y 50 °C respectivamente y se obtuvieron los datos mostrados en la tabla 1 Tabla5. Cálculos de los gramos disueltos de CuSO4.5H2O y CuSO4 en la solución y la solubilidad

de sal metálica en agua a diferentes temperaturas Temperatura [°C] 25 35 50

CuSO4.5H2O disueltos [g] 10,41 12,90 14,70

CuSO4 disueltos [g] 6,658 8,251 9.402

Solubilidad [g/l] 266,32 330,04 376,08

Con los datos de la tabla 5 se realizó la gráfica 1 de solubilidad del CuSO 4, donde se puede apreciar el cambio de la solubilidad de este en el agua.

Solubilidad del CuSO4 vs Temperatura 400 350

Solubilidad [g/l]

300 250 200 150 100 50 0 0

10

20

30

40

50

60

Temperatura [°C]

Grafica1. Solubilidad del CuSO4 en la solución acuosa versus la temperatura

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b) La solubilidad del sulfato de cobre en solución de ácido sulfúrico versus la concentración del ácido. 6.2 Sistema número dos: Solubilidad del sulfato de cobre en soluciones de ácido sulfúrico de 1, 5 y 10% volumen a 25 [°C]. Utilizando los datos de la tabla 2 se procede a calcular la solubilidad del sulfato de cobre (CuSO4) en la solución, para esto es necesario determinar los gramos disueltos de sulfato de cobre pentahidratado (CuSO4.5H2O) en la solución de ácido sulfúrico que fue el reactivo utilizado en la práctica, con los pesos moleculares de cada sustancia se determina los gramos disueltos de sulfato de cobre y posteriormente se calcula la solubilidad de este. 𝑷𝑴𝑪𝒖𝑺𝑶𝟒= 𝟏𝟓𝟗.𝟔 𝒈𝒎𝒐𝒍 𝑷𝑴𝑪𝒖𝑺𝑶𝟒∗𝟓𝑯𝟐𝑶=𝟐𝟒𝟗.𝟔𝟕𝟒 𝒈𝒎𝒐𝒍 Calculo tipo para 1 %V/V

Gramos disueltos de CuSO4.5H2O en la solución: 𝑤𝑖 − 𝑤𝑓 = 25 − 16,78 = 8,22 𝑔 𝐶𝑢𝑆𝑂4 . 5𝐻2 𝑂 Gramos disueltos de CuSo4 en la solución: 8,22𝑔Cu𝑆𝑂4 . 5𝐻2 O ∗

1𝑚𝑜𝑙Cu𝑆𝑂4 . 5𝐻2 O 159,6𝑔CuS𝑜4 1𝑚𝑜𝑙CuSO4 ∗ ∗ 249,674𝑔Cu𝑆𝑂4 . 5𝐻2 O 1𝑚𝑜𝑙Cu𝑆𝑂4 1𝑚𝑜𝑙Cu𝑆𝑂4 . 5𝐻2 O = 𝟓, 𝟐𝟓𝟒 [𝒈] 𝒅𝒆 𝐂𝐮𝑺𝑶𝟒

Volumen del ácido sulfúrico: % 𝑉 ⁄𝑉 =

𝑉𝑜𝑙𝑢𝑚𝑒𝑛 𝑑𝑒 𝐻2 𝑆𝑂4 ∗ 100 𝑉𝑜𝑙𝑢𝑚𝑒𝑛 𝑑𝑒𝑙 𝑠𝑜𝑙𝑢𝑐𝑖ó𝑛

𝑉𝑜𝑙𝑢𝑚𝑒𝑛 𝑑𝑒 𝐻2 𝑆𝑂4 =

% 𝑉 ⁄𝑉 ∗ 𝑣𝑜𝑙𝑢𝑚𝑒𝑛 𝑑𝑒𝑙 𝑠𝑜𝑙𝑢𝑐𝑖ó𝑛 100%

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=

25 1% ∗ (1000) 100%

= 0,00025 [𝑙]

Pureza del ácido sulfúrico = 96,5%

𝑉𝑜𝑙𝑢𝑚𝑒𝑛 𝑑𝑒 𝐻2 𝑆𝑂4 =

0,00025 = 2,5907𝑋10−4 [𝐿] 0,965

Solubilidad del CuSO4: 5,254

𝑔

= 210,16 [ ] (0.025) 𝐿

La solubilidad del sulfato de cobre en solución de ácido sulfúrico de 1 %V/V a una 𝑔 temperatura de 25 °C es de 210,16 [ 𝐿 ] Se realizó el mismo procedimiento para para el 5 y el 10 % en V/V del ácido, y los datos obtenidos se registraron en la tabla 6.

Tabla6. Cálculos de los gramos disueltos de CuSO4.5H2O y CuSO4 en la solución, la solubilidad del CuSO4 para cada porcentaje V/V% de H2SO4 en la solución y el volumen de H2SO4 que se utilizó.

H2SO4 V/V% 1 5 10

Volumen H2SO4 [l] 2,5907𝑋10−4 1,2953𝑋𝑋10−3 2, 591𝑋10−3

CuSO4.5H2O [g] disueltos 8,22 6,55 5,16

CuSO4 [g] disueltos 5,254 4,187 3,298

Solubilidad [g/L] 210,16 167,48 131.92

Con los datos de la tabla 6 se realizó la gráfica 2 donde se puede apreciar la variación de la solubilidad de CuSO4 cuando hay más cantidad del ácido disuelto en la solución, es decir, el gran efecto que produce el ácido disuelto en la solución en la solubilidad del sulfato de cobre.

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Solubilidad [g/L]

Solubilidad CuSO4 vs concentracion de H2SO4 V/V% en la solución

[%V/V]

Grafica2. Solubilidad del CuSO4 en la solución acuosa versus concentración de solución de H2SO4

c) La solubilidad del sulfato de cobre en la solución de sulfato de níquel. 6.3 Sistema número tres: Solubilidad del sulfato de cobre ( CuSO4 ) en solución acuosa de sulfato de níquel ( NiSO4 ) a 25 °C. Utilizando los datos de la tabla3 se procede a calcular la solubilidad del sulfato de cobre ( CuSO4 ) en la solución, para esto es necesario determinar los gramos disueltos de sulfato de cobre pentahidratado (CuSO4.5H2O) en la solución de acuosa sulfato de níquel que fue el reactivo utilizado en la práctica, con los pesos moleculares de cada sustancia se determina los gramos disueltos de sulfato de cobre y posteriormente se calcula la solubilidad de este.

𝑷𝑴𝑪𝒖𝑺𝑶𝟒= 𝟏𝟓𝟗.𝟔 𝒈𝒎𝒐𝒍 𝑷𝑴𝑪𝒖𝑺𝑶𝟒∗𝟓𝑯𝟐𝑶=𝟐𝟒𝟗.𝟔𝟕𝟒 𝒈𝒎𝒐



Calculo tipo para sulfato de cobre en una solución acuosa con 1 [g/L] de Sulfato de níquel:

Gramos disueltos de CuSO4.5H2O en la solución: 𝑤𝑖 − 𝑤𝑓 = 25 − 15,88 = 9,12 𝑔 𝐶𝑢𝑆𝑂4 . 5𝐻2 𝑂 Gramos disueltos de CuSO4 en la solución:

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9,12 𝑔Cu𝑆𝑂4 . 5𝐻2 O ∗

1𝑚𝑜𝑙Cu𝑆𝑂4 . 5𝐻2 O 159,6𝑔Cu𝑆𝑂4 1𝑚𝑜𝑙CuSO4 ∗ ∗ 249,674𝑔Cu𝑆𝑂4 . 5𝐻2 O 1𝑚𝑜𝑙Cu𝑆𝑂4 1𝑚𝑜𝑙Cu𝑆𝑂4 . 5𝐻2 O

= 5,829 [𝑔] Cu𝑆𝑂4 Gramos del sulfato de níquel que se utilizaron: 𝑔 𝑔𝑟𝑎𝑚𝑜𝑠 𝑑𝑒 𝑁𝑖𝑆𝑜4 = 𝑙 𝑣𝑜𝑙𝑢𝑚𝑒𝑛 𝑑𝑒 𝑙𝑎 𝑠𝑜𝑙𝑢𝑐𝑖ó𝑛 𝑖𝑛𝑖𝑐𝑖𝑎𝑙 𝑔𝑟𝑎𝑚𝑜𝑠 𝑑𝑒 𝑁𝑖𝑆𝑂4 = 1 ∗ [

25 ] = 0,025[𝑔] 1000

Solubilidad del CuSO4: 5,829 0.025

𝑔

= 233,16 [ ] 𝑙

La solubilidad del sulfato de cobre en solución de sulfato de níquel de 1 [g/l] a 𝑔 una temperatura de 25 °C es de 233,16 [ 𝐿 ] Se realizó el mismo procedimiento para los cálculos para determinar la solubilidad del CuSO4 para cuando se utilizó 5 [g/L] de NiSO4 y los valores dados se muestran en la tabla 7

Tabla7. Cálculos de los gramos disueltos de CuSO4.5H2O y CuSO4 en la solución, la solubilidad del CuSO4 para cada concentración de NiSO4 en la solución y los gramos de NiSO4 se usaron.

NiSO4 [g/l] 1 5

Gramos de NiSO4 [g] 0,025 0,125

CuSO4.5H2O gr disueltos 9,12 8,76

CuSO4 gr disueltos 5,829 5,599

Solubilidad [g/l] 233,16 223,96

Con los datos obtenidos en la tabla 7 se realizó la gráfica 3 donde se registra la variación de la solubilidad del sulfato de cobre cuando se hay presencia del sulfato de níquel en la solución.

Solubilidad [g/L]

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Solubilidad del CuSO4 Vs la concentracion de NiSO4en la solución.

234 232 230 228 226 224 222 0

1

2

3

4

5

6

NiSO4[g/l]

Grafica3. Solubilidad del CuSO4 en la solución versus concentración de solución de NiSO4

d) Solubilidad del sulfato de cobre ( CuSO4 ) en solución acuosa de sulfato de níquel ( NiSO4 ) a 35 °C. Utilizando los datos de la tabla 4 se procede a calcular la solubilidad del sulfato de cobre (CuSO4) a 35 °C en la solución, para esto es necesario determinar los gramos disueltos de sulfato de cobre pentahidratado (CuSO4.5H2O) en la solución de acuosa sulfato de níquel que fue el reactivo utilizado en la práctica, con los pesos moleculares de cada sustancia se determina los gramos disueltos de sulfato de cobre y posteriormente se calcula la solubilidad de este. 𝑷𝑴𝑪𝒖𝑺𝑶𝟒= 𝟏𝟓𝟗.𝟔 𝒈𝒎𝒐𝒍 𝑷𝑴𝑪𝒖𝑺𝑶𝟒∗𝟓𝑯𝟐𝑶=𝟐𝟒𝟗.𝟔𝟕𝟒 𝒈𝒎𝒐



Calculo tipo para sulfato de cobre en una solución acuosa con 1 [g/L] de Sulfato de níquel a 35 °C:

Gramos disueltos de CuSO4.5H2O en la solución: 𝑤𝑖 − 𝑤𝑓 = 25 − 13,691 = 11,309 𝑔 𝐶𝑢𝑆𝑂4 . 5𝐻2 𝑂

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Gramos disueltos de CuSO4 en la solución: 11,309 𝑔Cu𝑆𝑂4 . 5𝐻2 O ∗

1𝑚𝑜𝑙Cu𝑆𝑂4 . 5𝐻2 O 159,6𝑔Cu𝑆𝑂4 1𝑚𝑜𝑙CuSO4 ∗ ∗ 249,674𝑔Cu𝑆𝑂4 . 5𝐻2 O 1𝑚𝑜𝑙Cu𝑆𝑂4 1𝑚𝑜𝑙Cu𝑆𝑂4 . 5𝐻2 O = 5,1617 [𝑔] Cu𝑆𝑂4

Gramos del sulfato de níquel que se utilizaron: 𝑔 𝑔𝑟𝑎𝑚𝑜𝑠 𝑑𝑒 𝑁𝑖𝑆𝑜4 = 𝑙 𝑣𝑜𝑙𝑢𝑚𝑒𝑛 𝑑𝑒 𝑙𝑎 𝑠𝑜𝑙𝑢𝑐𝑖ó𝑛 𝑖𝑛𝑖𝑐𝑖𝑎𝑙 𝑔𝑟𝑎𝑚𝑜𝑠 𝑑𝑒 𝑁𝑖𝑆𝑂4 = 1 ∗ [

25 ] = 0,025[𝑔] 1000

Solubilidad del CuSO4: 5,1617 0.025

𝑔

= 206,46 [ ] 𝑙

La solubilidad del sulfato de cobre en solución de sulfato de níquel de 1 [g/l] a 𝑔 una temperatura de 35 °C es de 206,46 [ 𝐿 ] Se realizó el mismo procedimiento para los cálculos para determinar la solubilidad del CuSO4 para cuando se utilizó 5 [g/L] de NiSO4 y los valores dados se muestran en la tabla 8

Tabla8. Cálculos de los gramos disueltos de CuSO4.5H2O y CuSO4 en la solución, la solubilidad del CuSO4 para cada concentración de NiSO4 en la solución y los gramos de NiSO4 se usaron a 35 °C.

NiSO4 [g/l] a 35°C 1 5

Gramos de NiSO4 [g] 0,025 0,125

CuSO4.5H2O gr disueltos 11,31 8,76

CuSO4 gr disueltos 5,16 5,67

Solubilidad [g/l] 206,46 226,80

Con los datos obtenidos en la tabla 8 se realizó la gráfica 4 donde se registra la variación de la solubilidad del sulfato de cobre cuando se hay presencia del sulfato de níquel en la solución a 35 °C.

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Solubilidad del CuSO4 Vs la concentracion de NiSO4 en la solución.

Solubilidad [g/L]

230 225 220 215 210 205 0

1

2

3

4

5

6

NiSO4[g/l

Grafica 4. Solubilidad del CuSO4 en la solución versus concentración de solución de NiSO4 a 35°C

7. ANÁLISIS DE DATOS Y RESULTADOS 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.

Sistema número uno: Solubilidad del sulfato de cobre (CuSO4) en agua destilada a temperaturas de 25, 35 y 50 [°C]. Al observar la gráfica 1 y los resultados obtenidos en el ensayo experimental tabla 5 se puede apreciar un aumento en la solubilidad del sulfato de cobre (Cu2SO4) en el agua a medida que se va variando la temperatura, en este caso a medida que aumenta, esto se debe a que el proceso de disolución requiere energía para poder vencer las fuerzas de atracción entre las moléculas del solvente y del soluto y así una vez separadas se la el inició a la formación de la solución, entonces al aumentar la temperatura aumenta la energía que se necesita para generar la solución entonces habrá mayor movimiento de las moléculas que se encuentra en solución

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lo que facilita la disociación y de igual forma se facilita el movimiento de los iones los cuales están presentes en la solución de sulfato de cobre y agua, de tal manera que se puede obtener una mezcla homogénea con la cantidad de soluto utilizado a las condiciones de volúmenes en las que se trabajó en el laboratorio. En la literatura se puede consultar que la mayoría de sustancias que están en solución con el agua aumentan su solubilidad al aumentar su temperatura por lo tanto el incremento de solubilidad en la práctica era lo esperado.

Sistema número dos: Solubilidad del sulfato de cobre en soluciones de ácido sulfúrico de 1, 5 y 10% volumen a 25 [°C]. Al observar la gráfica 2 y los resultados obtenidos en el ensayo experimental tabla6 se puede apreciar una disminución de la solubilidad de sulfato de cobre (CuSO4) en el ácido sulfúrico (H2SO4), esto se debe a la presencia de un ion común entre el ácido sulfúrico y el sulfato de cobre el cual es el SO42- , se puede estimar que al principio con un volumen pequeño de ácido sulfúrico esta solubilidad no se ve muy afectada pero al ir aumentado el volumen del ácido el sulfato de cobre tiende a disolverse aún menos dado que a altas concentraciones de ácido va a existir una mayor cantidad de iones SO42- y al agregarle el sulfato de cobre este no se disociará en la solución dado que ya no se necesita más concentración del ion para alcanzar el equilibrio, en la literatura se conoce como efecto del ion común en soluciones y lo esperado era una disminución de la solubilidad.

Sistema número tres: Solubilidad del sulfato de cobre (CuSO4) acuosa de sulfato de níquel (NiSO4) a 25 °C.

en solución

Al observar la gráfica 3 y los resultados obtenidos en el ensayo experimental tabla7 se puede apreciar una disminución de la solubilidad de sulfato de cobre (CuSO 4) en el sulfato de níquel (NiSO4) puesto que aquí también existe un ion común el cual es el SO42- y al ir aumentado la concentración de sulfato de níquel el sulfato de cobre tiende a disolverse aún menos dado que a altas concentraciones de sulfato de níquel va existir una mayor cantidad de iones SO42- y al agregarle el sulfato de cobre este no se disociará en la solución dado que ya no se necesita más concentración del ion para alcanzar el equilibrio, en la literatura se conoce como efecto del ion común en soluciones y lo esperado era una disminución de la solubilidad.

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Sistema número cuatro: Solubilidad del sulfato de cobre ( CuSO4 ) en solución acuosa de sulfato de níquel ( NiSO4 ) a 35 °C. Al observar la gráfica 4 y los resultados obtenidos en el ensayo experimental tabla8 se puede apreciar una disminución de la solubilidad de sulfato de cobre (CuSO 4) en el sulfato de níquel (NiSO4) puesto que aquí también existe un ion común el cual es el SO42- y al ir aumentado la concentración de sulfato de níquel el sulfato de cobre tiende a disolverse aún menos dado que a altas concentraciones de sulfato de níquel va existir una mayor cantidad de iones SO42- y al agregarle el sulfato de cobre este no se disociará en la solución dado que ya no se necesita más concentración del ion para alcanzar el equilibrio, en la literatura se conoce como efecto del ion común en soluciones y lo esperado era una disminución de la solubilidad, pero a diferencia del sistema número tres hay un incremento en la temperatura de trabajo y esto se tradujo como un incremento de la solubilidad del sulfato de cobre en el sulfato de níquel a las mismas concentraciones que se trabajaron en el sistema anterior debido que al aumentar la temperatura la energía térmica genera mayor movimiento de las moléculas que se encuentra en solución lo que facilita la disociación y de igual forma se facilita el movimiento de los iones los cuales están presentes en la solución de sulfato de Cobre y sulfato de níquel, de tal manera que se puede obtener una mezcla homogénea con la cantidad de soluto utilizado a las condiciones de volúmenes en las que se trabajó en el laboratorio. 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. a). SISTEMA ACUOSO A DIFERENTES TEMPERATURAS Tabla9. Datos teóricos de la solubilidad del sulfato de cobre en agua destilada a diferentes temperaturas.

Temperatura [°C] 20 30 40 50 60 70 80

Solubilidad [g/l] 210 245 290 340 400 470 550

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Solubilidad del CuSO4 Vs Temperatura de la solución Solubilidad del CuSO4 [g/L].

600 500 400 300 200 100 0 0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

Temperatura [°C]

Grafica5. Solubilidad teórica del CuSO4 en la solución acuosa versus la temperatura d Los datos obtenidos experimentalmente que se encuentran registrados en la tabla5 y la gráfica 1 muestra un comportamiento similar en cuanto al incremento de la solubilidad del sulfato de cobre en soluciones acuosas a diferentes temperaturas como se pudo consultar y registrar en la tabla 9 y grafica 5 por lo tanto el incremento en la práctica era lo esperado. b). SISTEMA DE ÁCIDO SULFÚRICO

El ácido sulfúrico al disolverlo en agua estos forman una solución miscible, es decir que sin importar la cantidad de ácido que se agregue este se va a disolver totalmente, debido a que este presenta características polares y entonces se mezclaran son el agua homogéneamente en todas las proporciones. c). SISTEMA DE SULFATO DE NÍQUEL Tabla11. Datos teóricos de la solubilidad del sulfato de cobre en solución acuosa en función de la

concentración del NiSO4 Tabla10. Datos teóricos de la solubilidad del sulfato de cobre en agua

Temperatura [°C] 20

Solubilidad [g/l] 203

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Solubilidad del CuSO4 [g/L].

Solubilidad del CuSO4 Vs la concentracion de NiSO4en la solución. 19,4 19,35 19,3 19,25 19,2 19,15 19,1 19,05 19 0

1

2

3

4

5

6

NiSO4 [g/L]

Grafica7. Solubilidad del CuSO4 en la solución versus concentración de solución de NiSO4 Los datos obtenidos experimentalmente que se encuentran registrados en la tabla 7 y la gráfica 3 muestra un comportamiento similar en cuanto a la disminución de la solubilidad del sulfato de cobre en el sulfato de níquel como se pudo consultar y registrar en la tabla 11 y grafica 7 por lo tanto la disminución en la práctica era lo esperado. 4. Investigar en cuales especies iónicas se puede disolver tanto el cobre como el níquel en las diferentes soluciones de los sistemas experimentados. Tabla 7. Especies Iónicas que se pueden disolver tanto en el cobre como el níquel

En agua a En soluciones de diferentes ácido sulfúrico temperaturas con diferentes % volumen Cu++, SO42[HSO4]-

Cu++ SO42HSO4 CuSO4

En solución acuosa conteniendo sulfato de níquel en diferentes concentraciones Cu++. Ni++, SO42NiSO4

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5. De acuerdo a los resultados y a la bibliografía consultada, realizar una discusión sobre cual o cuales de los sistemas usados en la práctica es más ventajoso o desventajoso para la disolución tanto del cobre como del níquel, teniendo en cuenta factores tanto técnicos, económicos y ambientales. Con los resultados obtenidos la forma de obtener mayor cantidad de sulfato de cobre seria aumentando la temperatura como se muestra en la grafica1 en donde a 50°C se obtiene una solubilidad del 376,08 de sulfato de cobre, esto sería lo ideal para poder obtener mayor cantidad de cobre, pero no sería la forma más ventajosa desde el punto de vista económico y ambiental, debido al aumento de la temperatura ya que esto conllevaría un considerable gasto de energía en nuestro caso eléctrica, ya que si después se quiere separar el cobre se necesitara de una celda electroquímica para poder separarlo entonces se requeriría más cantidad de energía eléctrica, entonces no sería ventajoso dado en las circunstancias que estamos en nuestro país donde no se alcanza a abastecer a todo el país con agua y debido a la alta contaminación que tenemos debemos ahorrar la más mínima cantidad de agua entonces sería muy ventajoso realizar esto a temperatura ambiente. Para el sulfato de níquel también se obtuvo que al aumentar la temperatura se obtendrá una mayor cantidad de níquel disuelto como se puede apreciar en la tabla 3 y 4, donde sí se aumenta la temperatura también se obtendrá mayor níquel disuelto.

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 acido sulfúrico y del amoníaco. A) Las constantes de equilibrio o producto de solubilidad en agua para las sales de cobre y de níquel utilizadas en la práctica. S CuSO4 (s) → SCu2+ (aq) +S SO42- (aq) El sulfato de cobre tiene una solubilidad en agua de 20.3 g/100 mL de agua, a 25⁰C.

Kps=

[𝑐𝑢++ ][𝑆𝑂4−2 ] 𝑎 CuSO4

La actividad del sulfato (sólido) en equilibrio con la solución es igual a uno, resultando: Kps=[𝑐𝑢++ ][𝑆𝑂4−2 ]

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20.3 𝑔 𝐶𝑢𝑆𝑂4 1000𝑚𝑙 1 𝑚𝑜𝑙 𝑚𝑜𝑙 ∗ = 203 ∗ = 1.272 100 𝑚𝑙 𝐻2 𝑂 1𝐿 159.54 𝑔 𝐿 Entonces la constante es igual a:

Kps= (1.272) (1.272)= 1.61 [M]

El sulfato de níquel hexahidratado NiSO4*6H2O tiene una solubilidad en agua de 77.5 g/100 mL de agua, a 30⁰C. 𝐒 NiSO4(s) = 𝐒 Ni2+ (ac) + 𝐒 SO4 2− (ac),

KPS=

[𝑁𝑖++] [𝑆𝑂4−2] aNiSO4

KPS= [Ni++] [SO4-2] 77.5 𝑔 𝑁𝑖𝑆𝑂4 1000𝑚𝑙 𝑔 1 𝑚𝑜𝑙 𝑚𝑜𝑙 ∗ = 775 ∗ = 5.01 100 𝑚𝑙 𝐻2 𝑂 1𝐿 𝐿 154.7 𝑔 𝐿 Entonces la constante es igual a:

KPS= (5.01)(5.01) = 25.1 [M]

B) Las constantes de disociación del ácido sulfúrico y del amoníaco. Constantes de disociación a 25C° 

Para el ácido sulfúrico (H2SO4):

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K1= Acido fuerte

K1= 1.20x10-2 [M] 

Para el amoníaco (NH3): K=1.8x10-5

[M]

8. CONCLUSIONES El mejor medio para diluir el sulfato de cobre es el agua, no solo porque allí se presento la mayor solubilidad, si no porque es el más económico, en cambio en el medio menos viable es el ácido sulfúrico, debido a la contaminación que este genera después del proceso. Se observó que el reactivo más apropiado para lixiviar minerales que contienen sulfato de cobre es el agua a 50 °C, desde el punto de vista de la química sería viable debido a la alta solubilidad que presenta, pero desde el punto de vista económico y ambiental no sería tan ventajoso debido a un considerable gasto energético. También se puede concluir que sería ideal que el agua estuviese pura ya que disolverá más sulfato tanto de níquel como de cobre, ya que si esta trae impurezas puede que disminuya la solubilidad debido a la interacción que estas pueden generar en los enlaces del sulfato y del agua. Dependiendo del grado de agitación que se utilice se disolverá más rápido la cantidad de sulfato, debido a la energía que este llega a suministrar en el proceso de disolución, es decir aumentado la energía para pasar de un sistema ordenado (mayor energía) a uno de menos orden(menor energía) además se aumentara la eficiencia del proceso debido a que habrá mayor contacto entre las fases. Debido al valor comercial tan elevado de la extracción del cobre y del níquel por procesos pirometalúrgicos, el cual va aumentando dependiendo de la selectividad, capacidad de extracción entre otras; En cambio si se utiliza la hidrometalurgia en este caso por solubilidad para la recuperación de metales de difícil extracción con alto valor en el mercado, este es más

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eficiente, este proceso ayuda a preservar el medio ambiente ya que la sustancia utilizada es de tipo orgánico y además por procesos hidrometalrúgicos se puede extraer metales en pequeñas cantidades y resulta rentable en cambio en procesos pirometalúgicos se debe realizar a gran escala.

La inmiscibilidad de ambas fases (agua y sulfato de cobre y/o sulfato de níquel) y su naturaleza son factores determinantes en este proceso, es por esto que se debe elegir bien la fase orgánica. Por esta razón condiciones importantes a tener en cuenta en la práctica es la agitación constante para que se produzca la separación de una manera más eficiente. Es necesario para este proceso el conocimiento de la función de los reactivos y el control del mismo, ya que de esta forma garantizamos una mejor eficiencia de extracción. Para el proceso de extracción por medio de solventes hay varios factores que se deben tener en cuenta con el fin de asegurar para que el proceso sea rentable, ya para aplicaciones industriales; entre estos factores se encuentran por ejemplo el pH, el cual debe dar las condiciones específicas, y más aún si el mecanismo empleado es el de intercambio catiónico; por otro lado la concentración del extractante debe ser la mayor posible para mejorar la calidad del proceso, aunque se debe tener en cuenta el incremento de los costos y verificar que realmente sea viable y por último la relación entre las fases acuosa y orgánicas es fundamental y se hace mucho más provechoso cuando se aplica una agitación que permita mayor área de contacto entre las dos fases. Se comprobo en el laboratorio que la cinética de extracción por solventes para la disolver sulfato de cobre es rápido, por lo cual favorece la utilización industrial de este método, pero no para todos, algunos pueden demorar muchas horas y hasta días. Los datos obtenidos la práctica de la solubilidad del sulfato de cobre al compararlos con los consultados (teóricos) son muy similares, lo que con lleva a que la prueba en el laboratorio fue exitosa, se presenta un pequeño error, esto es debido a que en la práctica se presentan errores humanos y además el ambiente ejerce efecto sobre la solubilidad, como son la presión y la temperatura del medio en el que se realizó la práctica.

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Como recomendación se debería utilizar más implementos de seguridad a la hora de realizar la práctica, debido a que se utilizó ácido sulfúrico, en caso de un error en la manipulación de este, no se convierta un accidente debido a la no utilización de todos los implementos necesarios, por ello se colocó una ficha técnica de este al comienzo del informe.

9. BIBLIOGRAFÍA Solubilidad en soluciones acuosas. Cita[18 de mayo del 2016].Disponible en internet: http://www.arschemia.net/Permanent_Files/Tables/Solubility_Product_Constant.p df DOMIC E, Hidrometalurgia, Santiago de Chile,2001

Chemicallland 21. Cita [19 de mayo del 2016]. Disponible en internet en: http://www.chemicalland21.com