Mineralogía química, 5 de noviembre de 2014

INTRODUCCION

Los métodos complementarios para realizar pruebas permiten la fácil identificación de las propiedades químicas y físicas de cada mineral. Pues de estas dependerán las demás propiedades que determinan su uso.

Las propiedades dependen de la disposición geométrica de los átomos constituyentes y de la naturaleza de las fuerzas que los unen.

La prueba final de un mineral es por consiguiente su composición química. Actualmente se debe tener en cuenta la estructura y la composición química.

En este trabajo se dan a conocer los principios generales que enlazan la química de los minerales a sus propiedades cristalográficas y físicas, bajo el título de cristaloquímica, se dan a conocer diferentes métodos de ensayos de los diferentes elementos encontrados en los minerales.

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OBJETIVOS

GENERAL

Identificar las propiedades químicas de distintos minerales mediante métodos de ensayo, determinando a fondo que estructura y que propiedades posee.

ESPECIFICO

Identificar los métodos de ensayos para los distintos tipos de minerales. Identificar los términos de cristaloquímica, mineralogía química,

instrumentos y métodos de ensayo de los elementos. Importancia de la química en los minerales.

LA CRISTALOGRAFÍA es la ciencia que se dedica al estudio y resolución de estructuras cristalinas. La mayoría de los minerales adoptan formas cristalinas cuando se forman en condiciones favorables. La cristalografía es el estudio del crecimiento, la forma y la geometría de estos cristales.

La disposición de los átomos en un cristal puede conocerse por difracción de los rayos X, de neutrones o electrones.

LA QUÍMICA CRISTALOGRÁFICA estudia la relación entre la composición química, la disposición de los átomos y las fuerzas de enlace entre éstos. Esta relación determina propiedades físicas y químicas de los minerales.

Cuando las condiciones son favorables, cada elemento o compuesto químico tiende a cristalizarse en una forma definida y característica. Así, la sal tiende a formar cristales cúbicos, mientras que el granate, que a veces forma también cubos, se encuentra con más frecuencia en dodecaedros o triaquisoctaedros. A pesar de sus diferentes formas de cristalización, la sal y el granate cristalizan siempre en la misma clase y sistema.

En teoría son posibles treinta y dos clases cristalinas, pero sólo una docena incluye prácticamente a todos los minerales comunes y algunas clases nunca se

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han observado. Estas treinta y dos clases se agrupan en seis sistemas cristalinos, caracterizados por la longitud y posición de sus ejes. Los minerales de cada sistema comparten algunas características de simetría y forma cristalina, así como muchas propiedades ópticas importantes.

También llamada cristalografía de moléculas pequeñas, esta técnica utiliza difracción de rayos X de mono-cristal (DRX o XRD) para, inequívocamente, determinar la estructura tridimensional de las moléculas. La técnica incorpora el uso de cristalografía para estudiar problemas primaria mente vinculados con la naturaleza química de las moléculas, y proporciona medidas más precisas que cualquier otro método. La cristalografía química puede ser aplicada a compuestos de interés químico y biológico, incluyendo: químicos sintéticos nuevos, catalizadores, farmacéuticos, y productos naturales.

La composición química es la propiedad más importante para identificar los minerales y para distinguirlos entre sí. Los minerales se clasifican sobre la base de su composición química y la simetría de sus cristales. Sus componentes químicos pueden determinarse también por medio de análisis realizados con haces de electrones.

Las diversas clases de compuestos químicos que incluyen a la mayoría de los minerales son las siguientes:

1) elementos, como el oro, el grafito, el diamante y el azufre, que se dan en estado puro o nativo, es decir, sin formar compuestos químicos.

2) sulfuros, que son minerales compuestos de diversos metales combinados con el azufre.

3) sulfosales, minerales compuestos de plomo, cobre o plata combinados con azufre y uno o más de los siguientes elementos: antimonio, arsénico y bismuto.

4) óxidos, minerales compuestos por un metal combinado con oxígeno, Los óxidos minerales que contienen también agua, o el grupo hidroxilo (OH), pertenecen también a este grupo.

5) los haluros, compuestos de metales combinados con cloro, flúor, bromo o yodo.

6) minerales que contienen un grupo carbonato.

7) minerales que contienen un grupo fosfato.

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8) minerales que contienen un grupo sulfato.

9) silicatos, la clase más abundante de minerales, formada por varios elementos en combinación con silicio y oxígeno, que a menudo tienen una estructura química compleja, y minerales compuestos exclusivamente de silicio y oxígeno.

RELACION DE LA QUIMICA CON LA CLASIFICACION DE LOS MINERALES

Los minerales se dividen en clases que dependen del grupo aniónico característico gozan de indudablemente de semejanzas familiares que en general son más claras y marcadas que las que pueden tener los minerales que contengan el mismo catión.

Los minerales relacionados entre sí por la presencia del mismo anión, tienden a aparecer juntos o en medios geológicos parecido o idénticos, los sulfuros aparecen en asociaciones mutuas, unidos en filones o depósitos de reemplazamiento, mientras que los silicatos forman la gran mayoría de las rocas en la corteza terrestre.

Dicho esquema concuerda con la nomenclatura química y la sistemática de los compuestos inorgánicos.

Las propiedades químicas y físicas dependen de la composición

POLIMORFISMO: La composición química cuantitativa sirve como base para la clasificación exacta y rigurosa.

En la naturaleza existen dos compuestos estables que tienen el mismo porcentaje de calcio y carbonato en el análisis. Estos compuestos como el mineral calcita y aragonito no pueden distinguirse por medios químicos, pero difieren en casi todas las propiedades.

Los minerales se diferencian ligeramente en su peso específico y dureza.

En el mismo fenómeno en el cual la misma sustancia química puede presentarse en formas distintas físicamente se denomina polimorfismo o alotropía. Una sustancia se dice de forma cuando existe en dos modificaciones y trimorfas en tres.

ESTRUCTURA:

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Esta incluye:

1. la disposición geométrica en el espacio de los átomos, las moléculas, los iones o grupos iónicos que constituyen los bloques que edifican la materia.

2. El empaquetamiento de estos bloques3. El carácter y magnitud de las fuerzas eléctricas que las unen.

Ejemplos el diamante es más duro y más denso que el grafito, debido que sus partículas de carbono se encuentran más densamente empaquetadas y ligadas entre sí con mayor intensidad.

ATOMOS, IONES Y LA TABLA PERIODICA.

Un estudio revelo la existencia de 34 clases diferentes de partículas subatómicas.

El protón, neutrón y el electrón para obtener conocimiento del papel que desempeñan los átomos en la estructura de los cristales.

El átomo es la más pequeña subdivisión de la materia que conserva las características del elemento, se considera por tener un núcleo, con componentes como el electrón y el protón. Los átomos son muy pequeños que es imposible verlos, se miden los átomos con la unidad angstrom.

Niels Bohr en 1912 desarrollo el concepto del átomo planetario.

Los atributos químicos que le interesan a la mineralogía dependen de la súper estructura electrónica de sus átomos. Los electrones cuyo número dependen de la carga del núcleo, se consideran como dispuestos alrededor del núcleo en niveles energéticos o estratos llamados 1, 2, 3, 4, 5, 6 y 7. Cada estrato contiene un cierto número de subes tratos, capaz cada uno de contener dos electrones cuyo spin es tal que se anulan sus momentos magnéticos.

FUERZA DE LOS ENLACES EN LOS CRISTALES

Las fuerzas que unen entre si las partículas de los cristales tienen naturaleza eléctrica y la clase de intensidad es indispensable para determinar las propiedades físicas y químicas

Cuando mas fuerte es el enlace mas duro es el cristal. Las fuerzas eléctricas son enlaces químicos (iónico, covalente, metálico y van der Waals).

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Cada estructura cristalina representa una solución única del problema de encajar geométricamente unidades estructurales en el espacio compatible con la neutralidad eléctrica y un mínimo de energía reticular.

ENLACES QUIMICOS

es el proceso químico responsable de las interacciones entre átomos, moléculas e iones, que tiene una estabilidad en los compuestos químicos diatómicos y poliatómicos.

ENLACE IONICO

Todos los elementos tienden a completar a completar la configuración electrónica para llegar a encontrarse estables. En este caso un metal cede el electrón a un no metal para completar el último nivel de energía.

ENLACE COVALENTE

Estos son ambos no metales y este transfiere un electrón.

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ENLACES METALICOS

Un enlace metálico es un enlace químico que mantiene unidos los átomos (unión entre núcleos atómicos y los electrones de valencia, que se juntan alrededor de éstos como una nube) de los metales entre sí.

Cuando un metal reacciona con el agua o el aire es blando lustroso, opaco, sectil y buen conductos del calor de la corriente eléctrica. El análisis por difracción de rayos x nos revela que las unidades estructurales están ordenadas de la misma manera que los del cloruro de sodio en una fórmula regular periódica de un verdadero solido cristalino.

Las propiedades del metal difieren de las sales y de los gases solidificados.

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ENLACE DE VAN DER WAALS

Se establece entre moléculas apolares, debido a las asimetrías en las capas electrónicas exteriores que provocan dipolos instantáneos. Estos dipolos se atraen entre sí. Ejemplo: entre moléculas de I2.

Los dipolos son instáneos y las fuerzas de atracción van cambiando a la vez que los dipolos.

Las fuerzas de Van der Waals son menos intensas que los puentes de hidrógeno, pues en éstos los dipolos son permanentes y las fuerzas se establecen con una mayor localización. 

DERIVACION DE UNA FORMULA QUIMICA POR EL ANALISIS DE UN MINERAL.

Todas la formulas químicas de los minerales han sido calculadas a partir de análisis químicos, un análisis da los porcentajes de constituyentes de un mineral.

Se considera en la siguiente tabla los análisis de la calcopirita.

PORCENTAJES PESO ATOMICO PROPORCIONES ATOMICAS

RELACION ATOMICA

Cu = 32.44 63.6 = 0.539 1

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Fe = 30.59 55.9 = 0.547 1

S = 34.82 32.06 = 1.086 2

En la columna 1 se encuentran los porcentajes de cada uno de los minerales, el porcentaje se dividen en cada caso por el peso atómico del elemento y se obtienen las proporciones atómicas y por consiguiente las relaciones atómicas.

En los óxidos se calcula con la suma de los pesos atómicos de los elementos y con este resultado se divide los porcentajes. Como por ejemplo:

PORCENTAJES PESO MOLECULAR

PROPORCIONES MOLECULARES

RELACION MOLECULARES

CaO = 32.44 56.1 = 0.578 1

So3 = 46.61 80.06 = 0.582 1

H2O = 20.74 18.0 = 1.152 2

Se desea determinar la composición teórica de un mineral partiendo de su fórmula química como comprobación de la validez de un mineral.

Para explicarlo se toma un ejemplo como el de la calcopirita S2CuFe.

PROCESO: se suman los pesos atómicos de los diferentes elementos presentes y se obtiene el peso molecular del conjunto.

PESOS ATOMICOS

Cu = 63.6

Fe = 55.9

S2 = 32.06 x 2 = 64.12

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Pesos molecular de S2CuFe = 183.62

En los 183.62 parte del peso de calcopirita. 63,6 partes son de cobre.

INSTRUMENTOS Y METODOS DE ENSAYO.

Los minerales son elementos o compuestos químicos y su propiedad más importante es la composición. Los ensayos al soplete es un excelente procedimiento de determinación.

SOPLETE Y SU EMPLEO:

El soplete corriente está formado por un tubo cónico que termina en una pequeña abertura a través de la cual el aire sale en forma de chorro potente y delgado. Cuando esta corriente de aire se dirige hacia una llama luminosa, la combustión es más rápida y completa, produciendo una llama muy caliente.

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La embocadura se coloca en el extremo superior del tubo y el aire procedente de los pulmones, sale por la pequeña abertura del otro extremo. La punta del soplete se coloca en el interior de una llama, rica en carbón, de una vela o de gas del alumbrado ordinario.

El método mas recomendado para utilizar una llama para soplete es el mechero bunsen para que produzca una llama luminosa

EL ARTE USAR EL SOPLETE

Se necesita de práctica para producir una llama de soplete continua y firme. La operación requiere de tiempo y esto hace que el tiempo que permite los pulmones no sea suficiente y esto impide el éxito del experimento.

FUSION POR MEDIO DE LA LLAMA DEL SOLPLETE

Una buena llama de soplete puede alcanzar una temperatura de 1500 °C, aunque la temperatura varía algo, según el tipo de gas que se emplea y la mezcla de gas y aire. La determinación de grado de fusibilidad de un mineral es una ayuda importante en su identificación. Debe hacerse notar que, aunque la temperatura de la llama del soplete sea elevada, la cantidad de calor es pequeña. Por tanto, para obtener buenos resultados se deben emplear pequeños fragmentos de tamaño uniforme los fragmentos pequeños de mineral con los que se efectúan las pruebas con el soplete se conocen con el nombre de muestras.

Al hacer el ensayo de fusión, la muestra, a ser posible un fragmento de mineral puntiagudo y con aristas, deberá colocarse con la llama del soplete justamente delante de la punta del cono interno, donde la combustión es más rápida y la temperatura más elevada. Si se funde y redondea, perdiendo su forma puntiaguda se dice que se funde a la llama del soplete.

Por lo tanto los minerales pueden dividirse en dos clases: los que son fusibles y los que no los son con esta llama. Los minerales que son fusibles pueden clasificarse todavía de acuerdo con la facilidad con que se fundan. Para ayudar en esta clasificación se ha escogido una serie de seis minerales que muestran diferentes grados de fusibilidad y a esta escala puede referirse todos los minerales fusibles. Por ejemplo cuando se dice de un mineral que tiene un fusibilidad 3, significa que se funde tan fácilmente como el mineral que aparece en el tercer

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lugar de la escala. Al efectuar estas pruebas comparativas, es necesario emplear fragmentos del mismo tamaño y mantener uniforme las condiciones de los experimentos.

N° 1 MINERAL PUNTO DE FUSION APROXIMADO

OBSERVACIONES

1 Estibina 525°c Funde fácilmente a la llama de una vela.

2 calcopirita 800°c Un pequeño fragmento funde fácilmente a la llama de un mechero bunsen

3 Granate (almandino)

1050°c Infusible a la llama de mechero Bunsen pero fácilmente fusible a la llama del soplete.

4 Actinolita 1200°c Una astilla puntiaguda funde con poca dificultad en la lama del soplete.

5 ortosa 1300°c Las aristas de los fragmentos son redondeadas con dificultad por la llama de soplete

6 broncita 1400°c Prácticamente infusible a la llama del soplete. Solamente se redondean los extremos finos de las astillas.

7 cuarzo 1710°c Infusible a la llama del soplete.

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LLAMAS OXIDANTES Y REDUCTORAS

La reducción consiste en esencia, en extraer oxigeno de un compuesto químico, y la oxidación consiste en añadírselo. Estas dos relaciones químicas opuestas, pueden ser realizadas por medio de un mechero bunsen o por la llama del soplete.

El cono contiene monóxido de carbono, es conocido como agente reductor porque tiene la capacidad de tomar oxigeno con el fin de convertirse en dióxido de carbono.

Si ha de efectuarse la oxidación se deberá situar al mineral enteramente fuera de la llama, donde el oxígeno del aire puede tener libre acceso, pero en un punto en donde puede llegarle todo el calor de la llama. En estas condiciones si las reacciones son posible, se añadirá oxígeno al mineral y la sustancia quedara oxidada. La parte oxidada de la llama del soplete es el punto o.

EJEMPLO DEL CARBON VEGETAL CON EL SOPLETE

Se emplean en un gran número de ensayos en carbón de 10 cm de longitud, 3 cm de anchura y 1 cm de espesor. El carbón vegetal debe ser de grano fino y uniforme. No ha de ser tan blando que se deshaga fácilmente entre los dedos, ni tan duro que no pueda ser cortado con facilidad y raspado con un cuchillo. El carbón vegetal se emplea como soporte sobre el cual se efectúan varias reacciones.

En muchos casos es imposible extraer el metal de ciertos minerales por el método ordinario del soplete. Otros pueden ser reducidos por medio de un fundente y unos pocos calentados en el carbón vegetal. La mezcla de carbonato de sodio y carbón vegetal en proporciones iguales conocida con el nombre de mezcla reductora sirve como un buen fundente en muchas reducciones.

Uno de los usos más importantes del bloque de carbón vegetal es la obtención sobre su superficie de aureolas de óxido características. En algunos casos se obtienen aureolas más características cuando a la muestra se le han añadido algunos reactivos químicos. El reactivo más importante es el llamado yoduro o fundente de bismuto, que es una mezcla de yoduro potásico y azufre. Cuando se

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emplea este reactivo puede obtenerse aureolas de colores de los yoduros respectivos.

ELEMENTO COLOR Y CARÁCTER DEL GLOBULO

OBSERVACIONES

ORO (Au) Amarillo, blando sin pátina: permanece brillante.

El oro metálico puede ser reducido en los teluros de oro sin fundente.

PLATA (Ag)

Blanca, blanda sin pátina, permanece brillante.

Normalmente es necesario emplear mezclas reductoras. Para distinguirlo de otros glóbulos, disuélvase en ácido nítrico, añádase ácido clorhídrico para obtener precipitado blanco de cloruro de plata.

ESTAÑO (Sn)

Blanco, pierde el brillo al enfriarse. Pátina blanca de óxido.

Los glóbulos se forman con dificultad aun con mezcla reductora. El glóbulo metálico se oxida en ácido nítrico y pasa al hidróxido blanco.

COBRE (Cu)

Rojo, blando cuando se enfría. En su superficie es negro difícil de fundir.

Los minerales de cobre deben ser tostados para extraerles el azufre, arsénico y antimonio, antes de mezclarlo con mezcla reductora.

PLOMO (Pb)

Gris, blando, fusible, brillante en la llama

El carbón vegetal incandescente recudirá el plomo. Para distinguirlo de otros glóbulos disuélvase en ácido nítrico y de la solución

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reductora: tornasolado en llama oxigenada.

clara precipite el sulfato de plomo añadiendo acido sulfúrico.

EMPLEO DE YESO

Los bloques de yeso pueden hacerse extendiendo una fina capa de masa de yeso sobre una placa de cristal cuya superficie hay sido previamente untada con aceite. Mientras el yeso permanece húmedo, se corta en tiras rectangulares de 3 x 8 cm. Una vez haya fraguado el yeso, puede romperse en bloques ya secos. El materia a ensayar se coloca en una pequeña depresión hecha cerca del extremo de un bloque y se calienta entonces con el soplete.

El bloque de yeso se emplea para obtener el color de los sublimados que se observan mal sobre el fondo negro del carbón vegetal. Las aureolas de los yoduros se aprecian así muy bien.

Ensayos más importantes:

ELEMENTO COMPOSICION DE LA AUREOLA

COLOR Y CARÁCTER DE LA AUREOLA EN CARBON VEGETAL

OBSERAVCIONES

As Oxido de arsénico

As2O3

Blanco y volátil depositándose a alguna distancia de la muestra.

Normalmente acompañado por olor a aios.

Sb Oxido de antimonio Sb2O3, Sb2O1

Blanco y volátil depositándose cerca de la muestra.

Menos volátil que el óxido arsénico.

Se Oxido de selenio SeO2

Blanco, volátil de color rojo en el exterior; gris

Acompañado de un color peculiar. La

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cerca de la muestra aureola atacada por llama de reducción colorea la llama de azul.

Te Oxido de teluro TeO2

Blanco denso, volátil en el exterior, de gris a castaño claro.

En llama de reducción en una llama de color gris azulado.

Zn Óxidos de zinc Si se mezcla con carbonato sódico sobre el carbón vegetal da, cerca de la muestra un sublimado no volátil, amarillo al calentarse, blanco al enfriarse.

La aureola humedecida con nitrato de cobalto y calentada se vuelve verde.

Sn Oxido de estaño Cuando está caliente, amarillo pálido, blanco cuando se enfría. No volátil en la llama de oxidación

La aureola, humedecida con nitrato de cobalto y calentada se vuelve verde azulada.

Mo Oxido de molibdeno

En caliente amarillo pálido, blanco en frio. Puede ser cristalino. Volátil en la llama de oxidación.

Si se toca la aureola por un momento con una llama reductora se vuelve azul oscura.

Pb Oxido de plomo Amarillo cerca del mineral y blanco lejos de él. Volátil.

Su aureola puede estar formada por sulfito blanco y sulfato de plomo

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además del oxido.

Yoduro de plomo

Amarillo de cromo. Volátil .

Esta reacción se produce cuando los minerales de plomo se calientan con fundente de yoduros.

Bi Oxido de bismuto

Amarillo cerca del mineral y blanco más lejos. Volátil.

Se distinguen del óxido de plomo por el ensayo del yoduro.

Yoduro de bismuto

Rojo brillante con anillos amarillos cerca de la muestra

Esta reacción se produce cuando los minerales de bismuto se calientan con fundente de yoduros.

ELEMENTOS COMPOSICION DE LA AUREOLA

COLOR Y CARÁCTER DE AEUREOLA SOBRE EL BLOQUE DEL YESO

OBSERVACIONES

Se Oxido de selenio Rojo a carmesí. Volátil. Se volatiza dando un humo rojizo y un olor característico.

Te Oxido de telurio Castaño oscuro. Volátil.

La aureola de la llama reductora un

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color verde azulado.

Cd Oxido de cadmio Amarillo verdoso con castaño cerca y lejos de la muestra.

No volatil

Pb Yoduro de plomo Amarillo de plomo con fundente de yoduros.

Bi Yoduro de bismuto

Castaño chocolate con rojo por debajo, con fundente de yoduros.

Sometido a los vapores de amoniaco, a la aureola se hace primero amarillo naranja y después roja.

ENSAYOS DE TUBO ABIERTO.

Se emplea un tubo de vidrio fuerte, el tubo con un tubo abierto se emplea ordinariamente para ensayos de oxidación. Una pequeña cantidad de mineral que haya de ensayarse se reduce a polvo y se introduce en el tubo en una zona situada aproximadamente en el tercio de su longitud total. Una estrecha banda de papel doblado en un pliegue servirá de navecilla para introducir el polvo dentro del tubo.

Este se inclina con el máximo cuidado hasta un ángulo tal que permita extender el mineral hasta el extremo inferior del tubo, el cual se mantendrá sobre la llama de un mechero Bunsen del tal forma que llama su parte más alta.

Esto convierte el tubo inclinado en una chimenea en la cual fluye una corriente de aire. Pasado un momento se cambia de posición el tubo hasta que la llama calienta un punto situado justamente encima de donde se encuentra el mineral, en

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ciertos casos la llama puede dirigirse directamente debajo del mineral. El mineral se calienta en estas condiciones en una corriente constante de aire, y será oxidado si ello es posible. Pueden producirse óxidos en forma de gases y bien escapan por el extremo del tubo o se condensan como sublimados sobre sus paredes, el cuadro que se da a continuación contiene una lista de elementos que producen reacciones características en tubos abiertos.

ELEMENTOS COMPOSICIÓN COLOR Y CARÁCTER

OBSERVACIONES

S Anhídrido sulfuroso So3

El So2 un gas incoloro, se desprende del extremo superior del tubo.

El gas tiene un color penetrante e irritante. Si se coloca una tira húmeda de papel de tornasol azul en el extremo superior del tubo se vuelve rojo, debido a la reacción del acido sulfuroso.

As Oxido arsenioso Blanco, volátil y cristalino

El sublimado se condensa a considerable distancia de la porción caliente en pequeños cristales octaédricos.

Sb Oxido de antimonio

Blanco, volátil y cristalino

El sublimado forma un anillo blanco mas próximo que el oxido de arsénico a la parte calienta el tubo. Se obtiene de compuestos de antimonio que no contengan azufre.

Sb Tetróxido de Amarillo pálido Este se obtiene del sulfuro

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antimonio en caliente, blanco en frio. Denso no volátil, amorfo.

de antimonio y de los sulfantimoniuros, se concentra principalmente en la parte inferior del tubo y normalmente va acompañado de Sb2O3.

Mo Trióxido de molibdeno

Cristales amarillos pálidos a blancos, forman un reticulado cerca de la parte caliente.

Si se tocan los cristales con la llama de reducción se vuelven azules.

Hg mercurio Glóbulos metálicos, grises

Los glóbulos pueden unirse entre si con un trozo de papel. El calor debe ser aplicado con cuidado para asegurar una perfecta oxidación.

BARIO

1. COLOR DE LA LLAMA. Los minerales de bario excepto los silicatos de vario dan un color verde a marillento a la llama, cuando se calientan intensamente.

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RESUMEN