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• DANIEL ROBINSON HUAMANI RIVEROS

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UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERÍA FACULTAD DE INGENIERÍA QUÍMICA Y TEXTIL Á REA PROFESIONAL DE INGENIERÍA QUÍMICA

INFORME N° 6 LABORATORIO DE QUÍMICA INORGÁ NICA QU215B TÍTULO: REACCIONES COMPLETAS CON EL COBRE ALUMNOS:

Gonzá lez Á lvarez, Luis Gianfranco Huamani Riveros, Daniel Huamani Zorrilla, Leonardo Sebastiá n

PROFESORES:

Ing. Benites Mitma Wilman Ing. Cá rdenas Vargas Bertha

PERIODO ACADÉ MICO: 2018-1 REALIZACIÓ N DEL LABORATORIO: 22/05/18 ENTREGA DEL INFORME: 29/05/18 LIMA – PERÚ

NOTA

INDICE 1.

Objetivos…………………………………………………………………………………………………2

2. Fundamento Teórico……………………………………………………………………………….2 3. Pictogramas…………………………………………………………………………………………....3 4. Parte Experimental………………………………………………………………………………….5 4.1 Experiencia N°1: Reacciones completas con el Cobre a) b) c) d) e) f) g) h)

Observaciones experimentales………………………………………………….5 Diagrama de flujos…………………………………………………………………….5 Ecuaciones Químicas…………………………………………………………………6 Cálculos y Resultados………………………………………………………………..6 Explicación e interpretación de resultados……………………………….7 Observaciones finales……………………………………………………………….9 Comentarios y/o apreciaciones………………………………………………..9 Conclusiones…………………………………………………………………………….9

5. Cuestionario……………………………………………………………………………………………10 6. Bibliografía……………………………………………………………………………………………..13

1

1.

OBJETIVOS GENERALES



Aprender las condiciones experimentales que favorecen la culminación de una reacción química (Leyes de Berthollet) preparando una serie de compuestos, en una secuencia química que se inicia con una sustancia y termina con la sustancia inicial.



Desarrollar la habilidad en el trabajo científico de laboratorio, comprobado mediante el cálculo de la recuperación de la sustancia inicialmente utilizada.

2. FUNDAMENTO TEÓRICO En las reacciones químicas, los reactivos y los productos tienen el mismo número y tipo de átomos, aunque agrupados de forma diferente. Puesto que la masa de un compuesto (reactivo o producto) es la suma de las masas de los átomos que lo constituyen, y los átomos no cambian en una reacción química, la masa de los productos debe ser igual a la masa de los reactivos, de acuerdo con el Principio de Conservación de la Materia, que establece que la materia ni se crea ni se destruye. En esta práctica, se somete una determinada masa de cobre a una serie de reacciones químicas, transformándose el cobre en diferentes compuestos, y se recupera finalmente el elemento metálico. La masa del cobre recuperado debe ser igual a la masa de cobre inicial si no ha habido pérdidas de manipulación. En la práctica, probablemente se recupere algo menos de cobre de la inicial, definiéndose el rendimiento del proceso como:

Rendimiento ( % ) =

masa de Cu final x 100 % masa de Cu inicial

Con carácter general, el rendimiento de una reacción química (o serie de reacciones) es:

Rendimiento(%)=

masaobtenida de producto x 100 % masaideal de producto

Donde la masa ideal de producto es la que se obtendría si la transformación fuera completa y no hubiera pérdidas de manipulación. Existen varios tipos de reacciones químicas: Las reacciones redox, o de oxidación reducción, son aquellas en que cambia el estado de oxidación de alguno de los átomos. La especie en la que aumenta el estado de oxidación ha sido oxidada, y es el reductor de la reacción, mientras que la especie en la que disminuye el estado de oxidación ha sido reducida (y es el oxidante de la reacción). En las reacciones ácido-base tiene lugar una transferencia de protones. El ácido cede un protón, y se transforma en su base conjugada, mientras que la base acepta un protón y se transforma en su ácido conjugado. En esta práctica hay reacciones redox y ácido-base, pero también reacciones de precipitación, en que aparece un precipitado, y de deshidratación, en que una especie pierde agua. Todas las reacciones van acompañadas de 4 cambios visibles como desprendimiento de gases, formación de precipitados o cambios de color, y, en algún caso, de un cambio detectable de la temperatura de la disolución. Aprender a observar, anotar e interpretar dichos cambios, forma parte de la formación de un químico. La centrifugación es una técnica que permite separar los sólidos presentes en una fase fluida gracias a la acción de la fuerza centrífuga, para lo cual es necesario que el precipitado sea más denso que el fluido. Para separar sólidos por centrifugación, es necesario utilizar un aparato denominado centrífuga o centrifugadora, que consta de un motor capaz de hacer girar a alta velocidad una pieza denominada rotor, que se coloca en el eje del motor, y en el que existen una serie de senos en los que se pueden colocar unos tubos de vidrio o de plástico denominados tubos de centrífuga. Para centrifugar una muestra, se coloca en un tubo de centrífuga el líquido en cuyo seno está el sólido que se desea separar, y en otro tubo gemelo se coloca agua, de forma que ambos tubos tengan igual masa, colocándose uno y otro tubo en senos del rotor diametralmente opuestos. Al finalizar la centrifugación, aparecerá el sólido que se desea separar en el fondo 2

del tubo (precipitado), quedando sobre él el fluido, que recibe el nombre genérico de sobrenadante.

3. PICTOGRAMAS Riesgos: Provoca quemaduras en un área de contacto. Reacciona con agua, ácidos y otros materiales. Precauciones: Diluir con el agua y limpiar, o absorber con un material inerte seco y colocar en un recipiente apropiado para desechos Si es necesario: Neutralizar el residuo con una solución diluida de ácido acético Primeros Auxilios: Inhalación: Trasladar al aire fresco. Si no respira, dar respiración artificial. Si la respiración es difícil, dar oxígeno. Conseguir atención médica. Contacto con los ojos: Lavar los ojos inmediatamente con abundante agua durante al menos 15 minutos, abriendo y cerrando los párpados ocasionalmente. Conseguir atención médica inmediatamente. Contacto con la piel: En caso de contacto, limpie el exceso de material de la piel luego lave inmediatamente la piel con abundante agua durante al menos 15 minutos. Usos o aplicaciones: El hidróxido de sodio se usa para fabricar jabones, crayón, papel, explosivos, pinturas y productos de petróleo. También se usa en el procesamiento de textiles de algodón, lavandería y blanqueado, revestimiento de óxidos, galvanoplastia y extracción electrolítica.

 

NaOH  

 

Riesgos: Riesgos de fuego y explosión: No es inflamable. Se produce gas inflamable cuando se encuentra en contacto con metales. Se generan vapores tóxicos e irritantes de cloruro de hidrógeno cuando se calienta. Riesgos a la salud: El ácido clorhídrico y concentraciones altas de gas, son altamente corrosivos a la piel y membranas mucosas Precauciones: Equipo de protección personal: Para su manejo es necesario utilizar lentes de seguridad y, si es necesario, guantes de neopreno, vitan o hule butílico, nunca de PVA o polietileno en lugares bien ventilados. No deben usarse lentes de contacto cuando se utilice este producto. Al trasvasar pequeñas cantidades con pipeta, siempre utilizar pro pipetas, NUNCA ASPIRAR CON LA BOCA. Si se manejan cantidades grandes de este producto, es necesario utilizar un equipo de respiración autónoma sin partes de aluminio. Primeros Auxilios: Inhalación: Mover al afectado al aire fresco. Si no respira, dar respiración artificial y mantenerlo caliente y en reposo, no dar a ingerir nada. Si está consiente, suministrar oxígeno, si es posible, y mantenerlo sentado, pues puede presentarse dificultad para respirar. Ojos: Lavar inmediatamente con agua corriente, asegurándose de abrir bien los párpados. Piel: Lavar inmediatamente la zona dañada con agua en abundancia. Si ha penetrado en la ropa, quitarla inmediatamente y lavar la piel con agua abundante. Ingestión: No provocar vómito. En caso de que la víctima esté inconsciente, dar respiración artificial y mantenerla en reposo y caliente Usos o aplicaciones: El ácido clorhídrico es un producto químico importante y de amplio uso. Los usos finales más grandes para el ácido clorhídrico son el decapado del acero, la acidificación de pozos de petróleo, la fabricación de alimentos, la producción de cloruro de calcio y el tratamiento de minerales

HCl 3

 

Riesgos: Cuando se disuelve en agua es una solución alcalina. Reacciona violentamente con los ácidos y es corrosivo al aluminio y zinc. Reacciona violentamente con los ácidos para formar Dióxido de Carbono. Precauciones: No fumar. Acatar las indicaciones. Procurar una buena ventilación, portando la ropa de protección personal reglamentaria. Primeros Auxilios: Inhalación: Remover al aire fresco. Si no respira dar respiración artificial. Si respirar se le dificulta, dar oxígeno. Conseguir atención médica inmediatamente. Contacto con los ojos: Inmediatamente lavar ojos con abundante agua por lo menos 15 minutos. Abrir y cerrar los párpados ocasionalmente. Conseguir atención medica inmediatamente. Contacto con la piel: Lavar piel con abundante agua y jabón mientras se remueve la ropa contaminada. Conseguir atención médica. Lavar ropa antes de volver a usar. Lavar zapatos antes de volver a usar. Ingestión: No inducir al vomito. Dar grandes cantidades de agua. Nunca dar cosas a la boca de una persona inconsciente. Conseguir atención médica inmediata. Usos o aplicaciones: El carbonato de sodio se usa como fundente en los hornos de vidrio. Como fuente de alcalinidad y de ion sodio en la fabricación de productos químicos. El carbonato de sodio es usado como materia prima para saponificación de los ácidos grasos en la fabricación de detergentes.

Na2CO3

 

Riesgos: Contacto con otros materiales puede provocar un incendio. CORROSIVO. Provoca graves quemaduras en todas las áreas de CONTACTO. Si se ingiere o se inhala, Afecta al sistema respiratorio, el hígado, riñones, ojos, piel y sangre. Puede causar reacción alérgica. Puede causar cáncer. El riesgo de cáncer depende de la duración y el nivel de exposición Precauciones: Ventilar el área de derrame o escape Descargas de este material pueden contaminar el ambiente. Evite que el material derramado salga al ambiente exterior. Primeros Auxilios: Inhalación: En caso de paro respiratorio, emplear método de reanimación cardiopulmonar. Si respira dificultosamente se debe suministrar Oxígeno Contacto con los ojos: Lavarse con abundante Agua en un lavadero de ojos, como mínimo por 20 minutos, separando los párpados. Contacto con la piel: Lavar con abundante Agua, a lo menos por 15 minutos. Utilizar una ducha de emergencia. Ingestión: Lavar la boca con bastante Agua - Dar a beber abundante Agua. Usos o aplicaciones: El ácido nítrico es empleado en algunos casos en el proceso de pasivación. El ácido nítrico es utilizado en grabado artístico (aguafuerte), también se usa para comprobar el oro y el platino. HNO3

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4. PARTE EXPERIMENTAL Experimento 1: Reacciones completas en el cobre a. Observaciones experimentales   

 

Al agregar carbonato de calcio a la solución observamos que del fondo de la solución se forman pequeñas burbujas hacia la superficie. Se forma un pequeño precipitado y la solución es de color turquesa. Al agregar el ácido clorhídrico, el precipitado se disuelve completamente y se forma una solución color verdoso. Al agregar la base (hidróxido de sodio) observamos la formación de un precipitado color blanquecino también notamos que se incrementa la temperatura de la solución por lo tanto es exotérmica. Luego de agregar la base y someter a calentamiento se obtuvo un precipitado color negro. Al agregar el ácido sulfúrico la solución se torna de color celeste. Al agregar la granalla de zinc la solución empieza a burbujear alrededor de la granalla y la solución de torna incolora. Obtenemos un precipitado color marrón.

b. Diagrama de procesos

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c. Ecuaciones químicas 

3Cu(s) + 8HNO3(ac) → 3Cu(NO3)2(ac) + 2NO(g) + 4H2O(l) Reacción redox, se le da calor (reacción endotérmica), libera gas de color rojo (muy toxico)



Cu(NO3)2(ac) + Na2CO3(ac) → CuCO3(s) + NaNO3(ac) + CO2(g) Se forma un precipitado, reacción de metátesis, reacción exotérmica



CuCO3(s) + 2HCl(ac) → CuCl2(ac) + H20(l) + CO2(g) Reacción de doble desplazamiento



CuCl2(ac) + 2NaOH(ac) → Cu(OH)2(s) + 2NaCl(ac) Reacción de doble desplazamiento, se forma el precipitado de color azul



CuO(s) + H2SO4(ac) → CuSO4(ac) + H20(l) Reacción exotérmica de doble desplazamiento



CuSO4(ac) + Zn(s) → Cu(s) + ZnSO4(ac) Reacción Redox de simple desplazamiento, exotérmica

d. Cálculos y resultados i.

3Cu(s) + 8HNO3(ac) → 3Cu(NO3)2(ac) + 2NO(g) + 4H2O(l) 

ii.

Observaciones:  La lámina de cobre desaparece.  Hay desprendimiento de gas (marrón amarillento).  La solución se torna de color celeste turquesa. Cu(NO3)2(ac) + Na2CO3(ac) → CuCO3(s) + NaNO3(ac) + CO2(g)



iii.

Observaciones:  Se observan pequeñas burbujas.  Aparece un precipitado turqués. CuCO3(s) + 2HCl(ac) → CuCl2(ac) + H20(l) + CO2(g)



iv.

Observaciones:  El precipitado desaparece.  La solución final es de un color verde muy claro.

CuCl2(ac) + 2NaOH(ac) → Cu(OH)2(s) + 2NaCl(ac) 

Observaciones:  La solución se torna de verde claro a celeste tenue. 6

v.

CuO(s) + H2SO4(ac) → CuSO4(ac) + H20(l) 

Observaciones:  La solución cambia de negro a celeste tenue.  El precipitado desaparece.

vi. CuSO4(ac) + Zn(s) → Cu(s) + ZnSO4(ac) (1 granalla)  Observaciones:  La solución final se vuelve incolora.  Se observa burbujeo violento alrededor de las granallas de zinc.  Se forma un precipitado que flota en la superficie de color marrón.

e. Interpretación de resultados i.

3Cu(s) + 8HNO3(ac) → 3Cu(NO3)2(ac) + 2NO(g) + 4H2O(l)

EXPLICACION:  La lamina de cobre se oxida debido al ácido nítrico formando ion cobre 2+ que posteriormente se forma Cu(NO3)2.   

ii.

El gas desprendido de color marrón amarillento es el NO(g) (toxico). El cambio de color de la solución a turquesa es debido a la formación del Cu(NO3)2. Antes de continuar se neutraliza el ácido nítrico sobrante con NaOH, esto es para evitar el medio acido en la segunda reacción. Cu(NO3)2(ac) + Na2CO3(ac) → CuCO3(s) + NaNO3(ac) + CO2(g)

EXPLICACION:  Las escasas burbujas que se observan son debido al desprendimiento de CO2.  El precipitado turquesa tenue es el carbonato cúprico. iii.

CuCO3(s) + 2HCl(ac) → CuCl2(ac) + H20(l) + CO2(g)

EXPLICACION:  Al momento de lavar el CuCO 3(s) presente en el papel filtro con HCl este reacciona ahí mismo, por lo que no se percibe el desprendimiento del gas CO 2 en forma de burbujeo.  El color verde claro de la solución final en el vaso, es debido a la formación del CuCl2(ac).

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iv.

CuCl2(ac) + 2NaOH(ac) → Cu(OH)2(s) + 2NaCl(ac)

EXPLICACION:  El color final de la solución lo aporta el Cu(OH)2(s) que le da ese color de celeste tenue tan característico de esta sustancia.

v.

CuO(s) + H2SO4(ac) → CuSO4(ac) + H20(l)

EXPLICACION:  El CuO(s) obtenido por calentamiento de la solución de Cu(OH)2(s) de color negro, desaparece al reaccionar con ácido sulfúrico por doble desplazamiento, se obtiene como producto principal el sulfato cúprico que le da ese característico color de turquesa a la solución final. vi. CuSO4(ac) + Zn(s) → Cu(s) + ZnSO4(ac) EXPLICACION:  El sulfato cúprico reacciona con el granaje de zinc solido por desplazamiento simple debido que el zinc es mas reactivo que el cobre, en la seria de actividad dando como producto el sólido cobre y ZnSO4(ac).  El cobre solido formado es de apariencia porosa y flota en la superficie con la apariencia de una costra.

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f. Observaciones finales 

La cantidad de cobre al final del proceso no es el mismo que al inicio ya que depende de nuestra eficiencia y precisión al momento de hacer los procesos.



Cuando en las observaciones iniciales se menciona un desprendimiento de gas color rojo pardo, esto se debió a la formación del NO(g)



Al realizar la reacción de neutralización se formó Cu(OH) 2(s) en forma de cristales y de color celeste.



Cuando en las observaciones iniciales mencionas un precipitado negro, nos referimos al CuO(s} y el cambio de color al agregar H2SO4(ac) se debió a la formación de CuSO4(ac).

g. Comentarios y/o Apreciaciones 

Se vio que se necesitó suficientes gotas de cada solución para que haya una alta eficiencia de cobre



Debido al alto poder corrosivo y tóxico del HNO3(ac), la realización de la primera parte de la experiencia se hizo en la campana extractora de gases.



Debido a que el sulfato de cobre se encuentra en solución acuosa, probablemente el azufre y el agua producen Sulfuro de Hidrógeno H 2S(g) ↑ y/o Óxido de Azufre (IV), SO4 (g) ↑.

h. Conclusiones 

La lámina de cobre es purificada por una serie de reacciones como las que se forman en la experiencia, habiendo reacciones redox, doble desplazamiento, reacciones endotérmicas, reacciones exotérmicas y reacciones de descomposición.



El potencial de reducción del ion que pasa a Cu+2 es mayor que el potencial de reducción de Zn. Lo que hace que el Cu sea un agente oxidante y el Zn un agente reductor, permitiendo así que el zinc pase de Zn a zn+2



Se concluye que no será posible obtener un rendimiento del 100%, pero sí aproximarse a lo ideal, en nuestra experiencia el error fue de 30%.



Este proceso está asociado a un ciclo, debido a que siempre, al final obtendremos cobre, la eficiencia varía según el método que utilicemos.



Se pierde masa en el proceso de decantación debido a que está implícito el error que la persona comete al realizar este proceso. 9

5. CUESTIONARIO 2) Cuando reaccionan 8mL de nitrato de plomo 0,2M con 6mL de sulfato de cobre 0,3 M: a) Calcule la masa en g, de cada reactivo usado inicialmente b) Determina el reactivo limitante del producto c) Indica el nombre, la formula y el color del producto obtenido Solución: M(Pb(NO3 )2 )= 0,2

1L mol −4 mol X 3 = 2 x 10 L ml 10 ml

V(Pb(NO3)2) = 8ml n( Pb(NO3)2)=MV= 1,6 x 10−3 mol masa=(masa atómica)x(número de moles)=(331

M(CuSO4)= 0,3

g x1,6 x 10−3 mol ¿=0,5296 g mol

mol 1L mol x 3 =3 x 10− 4 L 10 ml ml

V(CuSO4)= 6ml n( CuSO4)= 1,8 x 10−3 mol masa=(masa atómica)x(número de moles)=(127

g x 1,8 x 10−3 mol ¿= 0,2286g mol

Puesto que la ecuación de la reacción química es la siguiente: CuSO4 + Pb(NO3)2  Cu(NO3)2

+ PbSO4

Se puede observar que la relación molar de los reactantes es de 1:1, de donde deducimos según los datos dados, que el reactivo limitante es el Pb(NO3)2.

El producto principal obtenido es el Cu(NO3)2 cuyo nombre es el nitrato de cobre (II) ,el cual es acuoso y es de un color azul.

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3) Explique el método de lixiviación de un mineral cobre, seguido de la cristalización, hasta obtener el producto final el sulfato de cobre pentahidratado.  Lixiviación en pilas ¿Cuál es el objetivo? La lixiviación es un proceso hidrometalúrgico que permite obtener el cobre de los minerales oxidados que lo contienen, aplicando una disolución de ácido sulfúrico y agua. Este proceso se basa en que los minerales oxidados son sensibles al ataque de soluciones ácidas. ¿Cómo se realiza el proceso? Chancado el material extraído de la mina (generalmente a rajo abierto), que contiene minerales oxidados de cobre, es fragmentado mediante chancado primario y secundario (eventualmente terciario), con el objeto de obtener un material mineralizado de un tamaño máximo de 1,5 a ¾ pulgadas. Este tamaño es suficiente para dejar expuestos los minerales oxidados de cobre a la infiltración de la solución ácida. Las pilas deben ser regadas con una solución de ácido sulfúrico, la que circula por cañerías distribuidas homogéneamente.   Formación de la pila el material chancado es llevado mediante correas transportadoras hacia el lugar donde se formará la pila. En este trayecto el material es sometido a una primera irrigación con una solución de agua y ácido sulfúrico, conocido como proceso de curado, de manera de iniciar ya en el camino el proceso de sulfatación del cobre contenido en los minerales oxidados. En su destino, el mineral es descargado mediante un equipo esparcidor gigantesco, que lo va depositando ordenadamente formando un terraplén continuo de 6 a 8 m de altura: la pila de lixiviación. Sobre esta pila se instala un sistema de riego por goteo y aspersores que van cubriendo toda el área expuesta. Bajo las pilas de material a lixiviar se instala previamente una membrana impermeable sobre la cual se dispone un sistema de drenes (tuberías ranuradas) que permiten recoger las soluciones que se infiltran a través del material. Sistema de riego a través del sistema de riego por goteo y de los aspersores, se vierte lentamente una solución ácida de agua con ácido sulfúrico en la superficie de las pilas. Esta solución se infiltra en la pila hasta su base, actuando rápidamente. La solución disuelve el cobre contenido en los minerales oxidados, formando una solución de sulfato de cobre, la que es recogida por el sistema de drenaje, y llevada fuera del sector de las pilas en canaletas impermeabilizadas. El riego de las pilas, es decir, la lixiviación se mantiene por 45 a 60 días, después de lo cual se supone que se ha agotado casi completamente la cantidad de cobre lixiviable. El material restante o ripio es transportado mediante correas a botaderos donde se podría reiniciar un segundo proceso de lixiviación para extraer el resto de cobre. 11

¿Qué se obtiene del proceso de lixiviación? De la lixiviación se obtienen soluciones de sulfato de cobre (CUSO4) con concentraciones de hasta 9 gramos por litro (gpl) denominadas PLS que son llevadas a diversos estanques donde se limpian eliminándose las partículas sólidas que pudieran haber sido arrastradas. Estas soluciones de sulfato de cobre limpias son llevadas a planta de extracción por solvente.

A continuación, mostramos un diagrama de flujo del proceso de lixiviación y obtención del sulfato de cobre pentahidratado

4) ¿Cuántas toneladas de concentrado de cobre al 65% se pueden obtener por el método de flotación a partir de una mena cuya ley es de 1,5% de cobre por tonelada de mineral a procesar?

1,5% por tonelada de cobre Entonces en

1tonelada de cobre



15Kg cobre puro (100%)

Luego como queremos cobre al 65% = 0,65 tenemos

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Cobre al 65%



15 =23,077 kg Cu al 65 % 0,65

Luego seria 0,023 toneladas de cobre al 65%

6 BIBLIOGRAFIA Libros Rayner-Canham, G. , Química Inorgánica Descriptiva, México, Pearson Educación, 2000.  Wulfsberg, GPrincipios de la Quimica Inorganica descriptiva, Mill Valley, Ca., University Science Books,1991.  Greenwood,N. N., Earnshaw, A., Chemistry of the Elements, 2nd. Ed. Oxford, Butterworth Heinemanm, 1998.  Swaddle, T. W., Inorganic Chemistry, An industrial and environmental perspective, San Diego, Ca., Academic Press, 1997.  Lee, J. D., Conscise Inorganic Chemistry, 4th Ed. London, Chapman & Hall, 1991.   Web http://ull.chemistry.uakron.edu/erd/ http://www.ilpi.com/msds/#What https://issuu.com/jjulian86/docs/ciclo_del_cobre http://www.quimica.ucr.ac.cr/LQG1/experimentos/exp11.html

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