Cómo preparar nitrato de potasio a partir de sustituto de sal y compresas frías

El nitrato de potasio es una sal que tiene muchos usos, en especial para experimentos caseros. Es uno de los componentes principales de la pólvora negra, y también se utiliza con frecuencia en distintos tipos de pirotécnicos para producir llamas de color púrpura claro o lila.

Por el mismo hecho de ser un ingrediente de la pólvora y de otros explosivos, el nitrato de potasio es difícil de conseguir en algunos países. De hecho, en algunos países su venta al público general está prohibida. Por esta razón, en el presente artículo mostramos cómo obtener esta sustancia a partir de materiales caseros que son fáciles de conseguir. Al mismo tiempo, aprovecharemos para resaltar algunos conceptos químicos importantes relacionados con las reacciones químicas, la solubilidad y la estequiometría.

¿Qué reacción química ocurre?

La reacción que se da en este experimento es una reacción de doble desplazamiento o de doble descomposición entre el nitrato de amonio y el cloruro de potasio para dar nitrato de potasio y cloruro de amonio. La ecuación química se presenta a continuación:

En esta reacción, el potasio desplaza al amonio, a la vez que el amonio desplaza al potasio. Los productos de la reacción inicialmente se encuentran todos en estado acuoso, es decir, disueltos en agua. Sin embargo, al enfriar la disolución, la solubilidad del nitrato de potasio disminuye abruptamente por lo que precipita, mientras que los demás permanecen en solución.

A 0°C, la solubilidad del nitrato de potasio es de 13,3 g por cada 100 g de agua, mientras que la del cloruro de amonio es de 29,4 g por cada 100 g de agua. Por esta razón, el nitrato de potasio comienza a precipitar primero que el cloruro de amonio, pudiéndose obtener el primero con una pureza aceptable al enfriar la disolución. Sin embargo, algo de cloruro de amonio puede terminar precipitando junto con el nitrato de potasio a bajas temperaturas, por lo que se debe llevar a cabo un proceso de purificación del nitrato de potasio para mejorar su calidad y hacerlo útil para distintos experimentos.

Reactivos y materiales necesarios

Reactivos

El presente experimento requiere los siguientes reactivos de partida:

• 150 g de sustituto de sal o sal libre de sodio. Esta es una sal recetada generalmente a pacientes hipertensos quienes no pueden consumir sodio en la dieta. Se trata en realidad de cloruro de potasio (KCl).
• 2 Compresas frías. La mayoría contiene nitrato de amonio (NH₄NO₃), otras contienen nitrato de amonio y calcio (CAN por sus siglas en inglés). Se debe tomar nota de cuál de los dos compuestos contiene ya que las cantidades varían según sea el caso.
• Agua pura. Se puede utilizar agua filtrada, pero, para mejores resultados, es preferible utilizar agua de batería (es agua desionizada o ultrapura).

Materiales e instrumentos

• Tijeras.
• Recipiente plástico de aprox. 1L de capacidad.
• Horno microondas.
• Guantes térmicos de cocina.
• 4 frascos de vidrio de 500 mL o de 1 L (muy limpios).
• 2 cucharas grandes.
• Balanza de cocina, preferiblemente una balanza digital para repostería que tenga una apreciación de 0,1g.
• De 2 a 4 filtros para café.
• 2 ligas o bandas de hule.

Procedimiento experimental

Parte 1: Síntesis del nitrato de potasio

Para sintetizar el nitrato de potasio se deben seguir los siguientes pasos:

1. Utilizando unas tijeras, cortar las compresas frías y extraer su contenido agregándolo en un recipiente plástico.
2. Colocar uno de los frascos de vidrio sobre la balanza y tarar (reajustar a cero).
3. Pesar dentro del frasco 108 g de nitrato de amonio (o 290 g si se trata de CAN).
4. En un segundo frasco pesar 200 g de agua pura. Para ello, coloque el frasco vacío en la balanza, tare (reajustar a cero) y luego, lentamente, agregar agua hasta llegar a 200 g. No es necesario que esta cantidad sea exacta, se puede pasar por un par de gramos y no afectará apreciablemente el resultado.
5. Mezclar el nitrato de amonio pesado en el agua agitando contantemente con una cuchara. El recipiente se enfriará considerablemente debido a que la reacción de disolución es fuertemente endotérmica.
6. Calentar esta disolución ligeramente en el horno microondas. La disolución probablemente tenga un aspecto turbio y puede que presente un residuo en forma de un polvo fino en el fondo del frasco. Esto es un agente antiaglomerante hecho generalmente de sílice y es una sustancia inerte, pero debemos eliminarla filtrando.
7. Colocar uno o dos filtros de café en el tercer frasco sujetado con la banda de goma y filtrar la solución caliente de nitrato de amonio. Una vez finalizado el filtrado, descartar los filtros y el sólido que contienen (se puede botar a la basura sin problemas).
8. En el cuarto frasco, pesar 100 g cloruro de potasio (sustituto de sal) siguiendo el mismo procedimiento que antes (colocar en la balanza, tarar y luego pesar).
9. Transferir los 100 g de KCl recién pesados al frasco que contiene la disolución filtrada y revolver enérgicamente.
10. Calentar la disolución en el microondas hasta ebullición o hasta una temperatura justo por debajo de la misma.
11. Mientras calienta, limpiar el primer frasco y ajustarle un filtro para café en la boca con la banda elástica.
12. Una vez caliente, utilizando los guantes de cocina para evitar quemarse, filtrar la disolución caliente para eliminar toda la turbidez que sea posible y cualquier cristal de KCl que no se haya disuelto.
13. Dejar la disolución enfriar hasta que esté tibia, luego introducirla al congelador y dejar reposar hasta que esté casi a la temperatura de congelación (el punto de congelación de esta disolución es mucho menor que el del agua pura, así que no se congelará en un refrigerador doméstico).
14. Al enfriar, deberían haberse formado una buena cantidad de cristales de nitrato de potasio de color blanco y con forma de agujas. El siguiente paso es filtrar el producto, esta vez manteniendo el sólido y descartando la disolución.
15. Dejar secar los cristales en papel absorbente o en una bandeja al aire. Una vez esté seco, pesar el producto.

Parte 2: Purificación del nitrato de potasio

En este punto ya tenemos el nitrato de potasio. Sin embargo, el cloruro de amonio está considerablemente contaminado, en especial con el segundo producto de reacción.

Si todo marchó bien y no hubo pérdidas considerables durante el experimento, deberíamos tener aproximadamente 120 g de nitrato de potasio impuro de los cuales alrededor de 13 son impurezas. Este debería poder disolverse completamente en 100 g de agua hirviendo, ya que su solubilidad de este compuesto a 100 °C es de 118,3 g/100 g H₂O. Una vez disuelto, se puede llevar a cabo una recristalización para obtener el producto puro.

Para la recristalización necesitaremos 2 frascos muy limpios (no importa que no estén secos) y dos filtros adicionales para café.

El procedimiento es el siguiente:

1. En un frasco se pesan 100 g de agua y se calienta hasta ebullición en el microondas.
2. Mientras tanto, se transfiere al primer frasco todo el nitrato de potasio impuro recién sintetizado. Si lo desea, puede pesar el sólido para determinar el rendimiento de la recristalización, pero no es necesario.
3. Se agrega el agua caliente al nitrato de potasio sólido y se agita hasta disolver. Es importante que no se enfríe la disolución, ni tampoco el primer frasco en el que se calentó el agua. Si es necesario, calentar todo de nuevo justo antes de filtrar.
4. Colocar el filtro para café en el recipiente vacío sujetado con la banda elástica y filtrar rápidamente la disolución caliente. Debería obtenerse una disolución completamente incolora y transparente, libre de turbiedad.
5. Dejar que la disolución de nitrato de potasio se enfríe lo más lentamente posible. Mientras más lentamente se enfríe, mejor será el proceso de recristalización, por lo que se obtendrán cristales más grandes y más puros. Para hacer que el proceso sea incluso más lento, se puede colocar el frasco en un baño de maría con agua hirviendo que se retirar de la hornilla. La mayor cantidad de agua hará que el enfriamiento sea más lento.
6. Al cabo de un par de horas, introducir el frasco en el refrigerador para reducir la temperatura aún más y así obtener una mayor cantidad de cristales.
7. Finalmente, utilizando otro filtro para café, filtrar la disolución fría y recuperar el sólido cristalino. Se puede dejar en una bandeja tapado con papel absorbente durante algunas horas para permitir que se seque al aire, y cuando esté seco al tacto se puede colocar la bandeja en un horno a alrededor de 50 o 60 °C durante una o dos horas más para culminar el proceso de secado.
8. Finalmente, pesamos nuestro producto final y lo embotellamos en un frasco de vidrio con sello hermético.

Después de esta recristalización, la gran mayoría del cloruro de amonio y cualquier otra impureza se debería haber eliminado. El sólido antes de recristalizar contenía aproximadamente 13 g de cloruro de amonio como impurezas. Como el sólido se disolvió en 100 g de agua y la solubilidad del cloruro de amonio a 0 °C es de 29 g por cada 100 g de agua, esos 13 gramos de impureza permanecerán disueltos mientras cristaliza el nitrato de potasio.

Gracias a lo anterior, se puede obtener un nitrato de potasio muy puro y de muy buena calidad para cualquier experimento que se desee llevar a cabo.

Referencias

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The effect of temperature on solubility – Solubility – GCSE Chemistry (Single Science) Revision – WJEC. (s. f.). BBC Bitesize. https://www.bbc.co.uk/bitesize/guides/z4s48mn/revision/2

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