Producción y usos de los alumbres

Alum crystals

1. La historia del alumbre

El alumbre, reconocido como una sal doble de sulfatos de potasio y aluminio, era conocido entre los antiguos griegos y romanos como astringente y mordiente para teñir la lana. Encontró diversas aplicaciones, que se extienden al procesamiento de la piel, la preservación de restos humanos y animales y la protección contra incendios de la madera.

En el siglo XVI, Paracelso fue el pionero en distinguir el alumbre del vitriolo de hierro. En el siglo XVIII, Chaptal y Vauquelin establecieron que el alumbre podía producirse a partir de sulfato de aluminio y sulfato de potasio y que el ion potasio podía sustituirse por amonio.

Durante la Edad Media, la industria del alumbre era importante y dependía de materiales como la piedra de alumbre (alunita) o la pizarra alumbre. La piedra de alumbre contenía los componentes necesarios en las proporciones correctas y su procesamiento implicaba tostación y lixiviación.

Al tostar, envejecer y lixiviar esquisto de alumbre, se puede producir una solución de aluminio que, cuando se trata con álcali, forma precipitación de alumbre.

La importancia de la producción industrial de alumbre disminuyó con la aparición de métodos económicamente viables para producir sulfato de aluminio de alta pureza, donde el contenido de aluminio tenía importancia práctica.

Muchas técnicas de producción de alumbre tienen ahora un valor histórico o limitado. Se emplearon materias primas como arcilla, silicatos que contienen álcalis, especialmente bauxita, y se realizó digestión con álcali o ácido.

Hoy en día, el alumbre se produce exclusivamente a partir de hidróxido de aluminio, derivado de la bauxita mediante el proceso Bayer.

Tabla de contenido

2. Propiedades generales de los alumbres

1. Fórmula general de los alumbres: Los alumbres son sales dobles cristalinas con la fórmula (catión 1)3+ (catión 2)3+ (anión2-)2 • 12 H2O. Los alumbres más comunes contienen cationes de aluminio trivalentes y aniones sulfato, denominados M+Al3+(SO2-)4 • 12 H2O.

2. Reemplazo de componentes: Los componentes de los alumbres se pueden reemplazar manteniendo la estructura cristalina y el contenido de agua. Los alumbres con diferentes cationes metálicos trivalentes pueden ser hierro, cromo, cobalto, manganeso, titanio, vanadio, galio, indio, escandio, rodio e iridio. El componente monovalente puede ser metales alcalinos, amonio, alquilamonio, arilamonio o talio.

3. Estructura cristalina: Los cristales de alumbre son octaédricos o cúbicos con una fuerte refracción de la luz.

4. Propiedades: Los alumbres poseen un sabor astringente y exhiben propiedades tales como resistencia a la putrefacción y precipitación de proteínas.

5. Comportamiento químico: Cuando se disuelven en agua, los alumbres presentan propiedades químicas inherentes a sus componentes. En soluciones muy diluidas, las propiedades físicas como el color, la conductividad eléctrica y la depresión del punto de congelación son aditivas. Sin embargo, en concentraciones más altas, pueden ocurrir formaciones complejas como [Al(SO4)2 • (H2O)2]-.

6. Solubilidades: La solubilidad del alumbre en agua disminuye de sodio a cesio.

7. Efectos del calentamiento: Los alumbres pierden parcial o totalmente su agua de cristalización cuando se calientan. Sin embargo, pueden reabsorber parte de esta agua en condiciones normales de temperatura y humedad.

3. Sulfato de potasio y aluminio

El sulfato de aluminio y potasio, también conocido como alumbre de potasio, tiene la fórmula química KAl(SO4)2 • 12 H2O y un peso molecular de 474,4 g/mol. Este compuesto y el sulfato de aluminio y amonio son los compuestos de aluminio más conocidos.

El alumbre de potasio se puede encontrar en la naturaleza como eflorescencia sobre esquisto de alumbre y en regiones volcánicas sobre traquita y lava como alumbre de plumas.

En su estado natural, el alumbre de potasio forma cristales octaédricos grandes, incoloros y transparentes que tienen un punto de fusión de 92,5 °C debido a su inherente agua de cristalización.

En la escala de Mohs, estos cristales tienen una dureza de 2. Son capaces de absorber casi por completo la radiación infrarroja de longitud de onda larga y, al mismo tiempo, permanecen transparentes a la luz visible.

Ciertas sustancias, incluidos hidróxidos, carbonatos, boratos, carbamidas, metales y tintes orgánicos, facilitan la formación de sulfato de aluminio básico al unir ácido sulfúrico libre dentro de las aguas madre. En estas condiciones, se vuelve más frecuente la forma cúbica, también conocida como alumbre cúbico o romano.

El alumbre potásico permanece estable en condiciones típicas de humedad del aire. La deshidratación comienza sólo por debajo de 30 °C y se produce una pérdida de nueve moles de agua a 65 °C. K2SO4, γ-Al2O3 y 3 K2SO4 • Al2(SO4)3 se forman a 780 °C, mientras que K2SO4, α-Al2O3 y K2O • 12 Al2O3 se generan a 1400 °C.

Cuando se calienta más allá de su punto de fusión, el alumbre potásico se deshidrata y se transforma en alumbre calcinado (alum ustum), representado como KAl(SO4)2. A temperaturas elevadas se libera SO3.

En términos de solubilidad, el alumbre potásico es soluble en ácidos diluidos pero casi insoluble en etanol anhidro, acetona y acetato de metilo. Su solubilidad en agua aumenta notablemente con la temperatura, facilitando una purificación por recristalización más sencilla en comparación con otras sales de aluminio. Este proceso, en particular, ayuda a eliminar el sulfato de hierro.

El alumbre de potasio forma fácilmente cristales mixtos con sulfato de amonio.

Otra variación es el sulfato básico de potasio y aluminio, K[Al(OH)2]3(SO4)2 • 3/2 H2O. Este compuesto se produce de forma natural y se puede producir sintéticamente como un polvo amorfo relativamente insoluble calentando sulfato de aluminio, agua y un exceso de sulfato de potasio.

Además, otro tipo de sulfato básico de potasio y aluminio, K[Al3(OH)6(SO4)2], que contiene menos agua, se encuentra en la naturaleza como piedra de alumbre (alunita).

3.1. Producción de alumbre potásico

Primero se disuelve el hidróxido de aluminio en agua para formar una solución de sulfato de aluminio. A continuación se añade ácido sulfúrico a la solución de sulfato de aluminio y la mezcla se calienta a una presión de 5-6 bar. La reacción entre el hidróxido de aluminio y el ácido sulfúrico produce una fusión de sulfato de aluminio.

A continuación se conduce la masa fundida de sulfato de aluminio a un recipiente de cobre, donde se añade una cantidad estequiométrica de sulfato de potasio. La solución se calienta a una temperatura de aproximadamente 100°C durante 2-3 horas y se ajusta a una gravedad específica de 40-44°Bé con aguas madre. Luego se filtra la solución para eliminar cualquier material insoluble.

Luego la solución filtrada se deja en cajas de cristalización durante 10 días. Durante este tiempo, el sulfato de aluminio cristaliza en la solución. Luego se retiran los cristales de alumbre de las cajas y se lavan con agua.

A continuación, los cristales de alumbre lavados se secan a una temperatura de 50-60°C. Luego, los cristales de alumbre secos se tamizan para eliminar las impurezas. Luego, los cristales de alumbre puro se envasan en bolsas de papel revestidas con polietileno.

La producción de alumbre potásico también se puede realizar haciendo reaccionar sulfato de aluminio con hidróxido de potasio. Primero se disuelve el sulfato de aluminio en agua para formar una solución de hidróxido de aluminio.

A continuación se añade hidróxido de potasio a la solución de hidróxido de aluminio y la mezcla se calienta a una temperatura de 5-6 bar. La reacción entre el hidróxido de aluminio y el hidróxido de potasio produce una fusión de alumbre de potasio.

A continuación, la masa fundida de alumbre potásico se procesa del mismo modo que la masa fundida de sulfato de aluminio.

La producción de alumbre potásico es un proceso relativamente sencillo. Sin embargo, es importante controlar cuidadosamente las condiciones de reacción para producir un producto de alta calidad.

3.2. Usos del alumbre de potasio

El alumbre potásico tiene una variedad de usos, que incluyen:

  • Curtido de pieles: El alumbre potásico se utiliza en el curtido de pieles para fabricar cueros. Ayuda a eliminar el vello de la piel y a hacerla más flexible.
  • Mordiente en teñido: el alumbre potásico se utiliza como mordiente en teñido. Un mordiente es una sustancia que ayuda a que el tinte se adhiera a la tela. El alumbre de potasio ayuda a que el color del tinte sea más permanente.
  • Agente coagulante para látex: el alumbre potásico se utiliza como agente coagulante para látex. El látex es un líquido lechoso que se elabora a partir de la savia de los árboles de caucho. El alumbre potásico ayuda a coagular el látex, lo que facilita su manipulación y procesamiento.
  • Propiedades astringentes y precipitantes de proteínas: El alumbre potásico tiene propiedades astringentes y precipitantes de proteínas. Esto significa que puede encoger tejidos y precipitar proteínas. El alumbre potásico se utiliza en la industria farmacéutica y cosmética por estas propiedades. Por ejemplo, se utiliza en lápices astringentes para detener el sangrado.
  • Agente endurecedor y acelerador de fraguado para yeso: el alumbre de potasio se utiliza como agente endurecedor y acelerador de fraguado para yeso. El yeso es un mineral que se utiliza para fabricar yeso y hormigón. El alumbre potásico ayuda a que el yeso fragüe más rápidamente y a fortalecerlo.
  • Purificar el agua: Antiguamente el alumbre potásico se utilizaba para purificar el agua. Ayuda a eliminar las impurezas del agua y a dejarla más clara. Sin embargo, el alumbre potásico ya no se utiliza para este fin porque no es tan eficaz como otros métodos.
  • Encolado de papel: antiguamente se utilizaba alumbre potásico para encolar papel. El encolado es el proceso de recubrir el papel con una sustancia para hacerlo más resistente al agua. Sin embargo, el alumbre potásico ya no se utiliza para este fin porque no es tan eficaz como otros métodos.

En la industria del papel, el sulfato de aluminio se designa tradicionalmente, aunque incorrectamente, como alumbre. Esto se debe a que el sulfato de aluminio se elaboraba originalmente tratando el alumbre potásico con ácido sulfúrico. Sin embargo, el sulfato de aluminio ahora se elabora mediante un proceso diferente y no contiene potasio.

4. Sulfato de aluminio y amonio

El alumbre de amonio es una sal doble de sulfatos de amonio y aluminio, NH4Al(SO4)2 • 12 H2O. Es un sólido blanco, inodoro e insípido que cristaliza en grandes octaedros incoloros y transparentes. El alumbre amónico tiene un punto de fusión de 93,5°C y una densidad de 1,64 g/cm3. Es soluble en agua y ácidos diluidos, pero insoluble en alcohol absoluto.

El alumbre de amonio se produce naturalmente como shermigita. Los cristales de alumbre de amonio dopados con otros alumbre muestran birrefringencia. Esto significa que tienen diferentes índices de refracción para diferentes direcciones de la luz.

La solubilidad del alumbre de amonio en agua es similar a la del alumbre de potasio. El alumbre de amonio puede formar una serie continua de cristales mixtos con el alumbre de potasio.

El alumbre amónico es ligeramente soluble en ácidos diluidos y glicerol. Es insoluble en etanol absoluto.

En solución acuosa, el alumbre de amonio es neutro. Esto significa que no tiene un pH ni ácido ni alcalino.

Los datos sobre la pérdida de agua al calentar alumbre de amonio no son consistentes. Algunos estudios han demostrado que el agua de cristalización se libera en tres etapas. Primero se liberan 21 moles de agua para dar el hidrato con 21 moles de agua.

Luego se liberan 3 moles de agua para dar el hidrato con 3 moles de agua. Finalmente, se forma el producto anhidro. Otros estudios han demostrado que el agua de cristalización se libera en dos etapas. Primero se liberan 12 moles de agua para dar el hidrato con 3 moles de agua. Entonces se forma el producto anhidro.

Por encima de 193°C, el alumbre amónico comienza a descomponerse con liberación de amoníaco. Al brillar por encima de 1000°C, el trióxido de azufre se pierde, dejando un residuo de óxido de aluminio.

4.1. Producción de alumbre de amonio

El alumbre de amonio generalmente se produce disolviendo hidróxido de aluminio en ácido sulfúrico y agregando sulfato de amonio. Luego se evapora la solución resultante para cristalizar el alumbre de amonio. Este proceso es análogo a la producción de alumbre potásico.

Para obtener un alumbre de amonio de alta pureza, necesario para algunas aplicaciones como la producción de gemas sintéticas, se deben utilizar materiales de partida muy puros. El contenido de óxido de hierro del alumbre de amonio debe ser inferior al 0,0001%.

El alumbre de amonio también se puede producir haciendo reaccionar gas amoníaco con sulfato de aluminio y ácido sulfúrico. Este proceso es menos común, pero puede usarse para producir alumbre de amonio con un alto contenido de óxido de hierro.

El alumbre de amonio es un intermedio en el proceso «aloton», que es un método para producir hidróxido de aluminio y óxido de aluminio. Este proceso se utilizó en Alemania y Estados Unidos antes de 1945, pero ya no se utiliza mucho.

4.2. Usos del alumbre de amonio

El alumbre de amonio se utiliza en una variedad de aplicaciones, que incluyen:

  1. Curtido: El alumbre de amonio se utiliza para vestir pieles en curtido. Ayuda a encoger el pelaje y hacerlo más flexible.
  2. Producción de partículas de óxido de aluminio: El alumbre de amonio se puede utilizar para producir partículas de óxido de aluminio muy finas, que se utilizan para pulir superficies metalográficas.
  3. Desinfectante: En algunos países fuera de Europa, el alumbre de amonio se utiliza como desinfectante. Puede usarse para matar bacterias y otros microorganismos.
  4. Polvo para hornear: el alumbre de amonio es un ingrediente del polvo para hornear. Ayuda a leudar los productos horneados liberando gas dióxido de carbono.
  5. Producción de gemas sintéticas: El alumbre de amonio se utiliza como materia prima para la producción de gemas sintéticas, como rubíes y zafiros. Cuando se calienta a 1000°C, el alumbre de amonio se descompone para formar óxido de aluminio, que es el componente principal de estas gemas.

En Europa, el alumbre amónico no se utiliza en grandes cantidades. Sin embargo, se usa más ampliamente en los Estados Unidos, donde es un ingrediente importante del polvo para hornear. El alumbre amónico también está ganando importancia como material de partida para la producción de gemas sintéticas.

5. Sulfato de aluminio y sodio

El sulfato de sodio y aluminio (NaAl(SO4)2·12H2O), también conocido como alumbre sódico, es un compuesto inorgánico de aspecto cristalino de color blanco. Es soluble en agua, pero insoluble en alcohol absoluto. El alumbre de sodio se funde a 61°C y se presenta naturalmente como el mineral mendozita.

Los datos sobre la deshidratación térmica del alumbre sódico no son consistentes. Algunos estudios han demostrado que pierde agua de forma escalonada, mientras que otros han demostrado que pierde agua en un solo paso.

Los dos principales retos para la obtención de alumbre sódico libre de hierro son:

  • Es difícil producir comercialmente polvo de alumbre sódico (forma cristalina muy fina).
  • El alumbre de sodio es muy soluble en agua, lo que dificulta la eliminación de las impurezas de hierro.

Debido a estos desafíos, el alumbre sódico no ha ganado la misma importancia que otros alumbre. En Europa se ha abandonado su uso. Sin embargo, todavía se utiliza en cantidades relativamente grandes (alrededor de 3.000 toneladas por año) en los Estados Unidos, principalmente en polvo para hornear.

Aquí hay algunos detalles adicionales sobre las propiedades del alumbre de sodio:

  1. La masa molar del alumbre sódico es 242,10 g/mol.
  2. La densidad del alumbre sódico es 1,67 g/cm3.
  3. El punto de fusión del alumbre sódico es 61°C.
  4. El punto de ebullición del alumbre sódico es 330°C.
  5. La solubilidad del alumbre sódico en agua es de 39,1 g/100 ml (a 20 °C).

5.1. Producción de sulfato de aluminio y sodio

El alumbre de sodio se produce en los Estados Unidos agregando una solución transparente de sulfato de sodio al sulfato de aluminio. La solución se diluye a 30 Baumé y se calienta. Luego se agrega un lodo de sulfato de potasio, silicato de sodio y sosa cáustica para mejorar la pureza del producto.

La mezcla se bombea a un recipiente agitado y se mezcla durante varias horas. Durante esta etapa, la relación entre sulfato de aluminio y sulfato de sodio se ajusta a la cantidad estequiométrica.

Luego, la masa fundida se bombea a un evaporador y se concentra hasta que solidifica formando una torta dura cuando se vierte en un tanque de enfriamiento. Luego se calienta la torta de alumbre sódica y se muele hasta alcanzar el tamaño deseado (99% a través de un tamiz de malla 100).

6. Toxicología

Las soluciones de alumbre son conocidas por sus efectos astringentes, lo que significa que pueden provocar la contracción de los tejidos. Esto puede resultar útil en algunas aplicaciones, como los lápices astringentes. Sin embargo, las soluciones de alumbre también pueden ser dañinas si se inhalan o ingieren en grandes cantidades.

Se estableció un TLV de 2 mg/m3 para las sales de aluminio solubles en agua. TLV significa valor límite umbral, que es el nivel de una sustancia en el aire que se considera segura para la mayoría de las personas durante una jornada laboral de ocho horas.

Esto significa que no se espera que la inhalación de 2 mg de sales de aluminio solubles en agua por metro cúbico de aire cause ningún problema de salud a la mayoría de las personas.

Sin embargo, es importante tener en cuenta que el TLV es sólo un valor promedio. Algunas personas pueden ser más sensibles a los efectos de las soluciones de alumbre que otras. También es importante considerar la duración de la exposición.

Inhalar o ingerir incluso pequeñas cantidades de soluciones de alumbre durante un largo período de tiempo puede provocar problemas de salud.

Éstos son algunos de los problemas de salud que pueden causar las soluciones de alumbre:

  • Irritación de ojo
  • Irritación de la piel
  • Irritación respiratoria
  • Náuseas
  • Vómitos
  • Diarrea
  • Problemas de riñon
  • Problemas hepáticos
  • Problemas del sistema nervioso central

Referencia

Preguntas más frecuentes

El alumbre potásico, también conocido como alumbre potásico o sulfato de potasio y aluminio, es un compuesto químico con la fórmula KAl(SO4)2 · 12 H2O. Es una sal doble de sulfato de potasio y sulfato de aluminio, comúnmente utilizada por sus propiedades astringentes y mordientes.

El alumbre potásico generalmente se considera seguro cuando se usa en cantidades y aplicaciones adecuadas. Se ha utilizado en diversas industrias durante siglos. Sin embargo, como ocurre con cualquier compuesto químico, se debe evitar su uso excesivo o inadecuado.

Si bien tanto el alumbre potásico como el aluminio son elementos químicos, no son lo mismo. El alumbre potásico es un compuesto específico compuesto de potasio, aluminio, azufre y oxígeno. El aluminio, por otro lado, es un elemento con el símbolo Al y se usa comúnmente en diversas aleaciones y productos.

El alumbre potásico tiene diversas aplicaciones. Históricamente se ha utilizado en curtido, teñido y purificación de agua debido a sus propiedades astringentes y coagulantes. Además, se utiliza en cosméticos, productos farmacéuticos y como agente astringente para detener el sangrado. Su importancia en diversas industrias ha evolucionado con el tiempo.

El alumbre de amonio, o sulfato de amonio y aluminio, es un compuesto con la fórmula NH4Al(SO4)2 • 12 H2O. Al igual que el alumbre potásico, se ha utilizado por sus propiedades astringentes y coagulantes en diversas industrias.

El alumbre de amonio se puede producir mediante la reacción de hidróxido de aluminio con ácido sulfúrico, seguido de la adición de sulfato de amonio. El proceso implica pasos precisos para obtener el producto deseado controlando las impurezas.

El alumbre de amonio cumple funciones similares al alumbre de potasio y encuentra aplicación en el curtido, el teñido y el tratamiento del agua. También se utiliza como material de partida para producir óxido de aluminio de alta pureza necesario para sintetizar piedras preciosas como el corindón.

El alumbre de sodio, también conocido como sulfato de sodio y aluminio, se ha empleado en diversas aplicaciones, incluidas la decoración de pieles, el pulido de superficies metalográficas y un uso limitado como desinfectante en regiones específicas. En Estados Unidos se utiliza en la producción de levadura en polvo.