PRÁCTICA # 2 CRISTALIZACIÓN CON CARBÓN ACTIVADO Y EN PAR DE DISOLVENTES OBJETIVOS: • •
Purificar por medio de cristalización simple un sólido que contenga impurezas insolubles y coloridas. Purificar un sólido utilizando la recristalización por par de disolventes.
INTRODUCCIÓN: La purificación de las substancias sólidas se basa, en gran parte, en las diferencias de solubilidad en un disolvente o en una mezcla de disolventes. El proceso consiste básicamente en: Disolver la sustancia en un disolvente apropiado, en el punto mismo de ebullición o muy cerca de él, eliminar cualquier partícula insoluble, filtrando la mezcla caliente, dejar enfriar la solución caliente con lentitud, para que se depositen los cristales de la sustancia disuelta, separar los cristales de las aguas madres (sobrenadante), lavar los cristales con un disolvente frío para eliminar cualquier vestigio de aguas madres adherido, secar los cristales. Las propiedades que deben tener los disolventes de cristalización son: a.- Alta solubilidad a temperaturas elevadas y poca solubilidad a bajas temperaturas del compuesto que se va a cristalizar. b.- Alta solubilidad de las impurezas, incluso a temperaturas bajas, o insolubilidad para permitir la filtración. c.- Inercia con respecto al compuesto que va a cristalizarse. d.- Capacidad para producir cristales bien formados y que puedan separarse fácilmente de los disolventes. Los disolventes más usados y naturales son el agua, alcohol etílico y ácido acético de vinagre de vino. Algunas substancias se cristalizan debidamente utilizando pares de disolventes, siendo la sustancia muy soluble en un disolvente y muy insoluble en el otro, siendo el par de disolventes perfectamente miscibles. En este procedimiento el compuesto se disuelve primero en el disolvente en que es muy soluble y se filtra. La solución se calienta al punto de ebullición del disolvente, y el otro, en el que el compuesto es difícilmente soluble, comienza a agregarse en forma gradual. La adición se continúa hasta que se produce una ligera turbidez. En este punto se agrega una pequeña cantidad del primer disolvente, hasta que desaparece la turbidez. Cuando esta solución se deja enfriar lentamente a la temperatura ambiente o en una nevera, se obtienen cristales casi siempre. Para separar los cristales formados de las aguas madres se usa la filtración al vacío y sobre papel whatman 40 de preferencia. Una buena regla para seleccionar disolventes de recristalización es " Semejante disuelve a semejante " . Una sustancia polar es más soluble en disolventes polares y viceversa. FORMA DE REALIZAR PRUEBAS DE SOLUBILIDAD: • Colocar 30mg de muestra en cada tubo • Agregar gota a gota 5ml de disolvente • Llevar a ebullición en baño maría • Esperar a q enfrié y verificar la presencia de cristales • Repetir hasta completar 3ml como máximo. Si el enfriamiento es rápido, se tendrán cristales pequeños; y si es lento, se tendrán cristales grandes. Al extraer calor a un liquido puro experimenta un decremento en la energía de traslación promedio de las moléculas y de ahí su temperatura desciende hasta alcanzar el punto de congelación, en el cual las fuerzas de atracción reducen las velocidades de traslación de las moléculas y estas se ven obligadas a acomodarse en una configuración geométrica característica de cada sustancia.
Cuando comienza esa cristalización se desprende calor, pero no se observa descenso de la temperatura , la cual permanece invariable en tanto la fase liquida y la fase sólida se encuentran presentes al seguir extrayendo calor se obtiene la cristalización de otras masas liquidas hasta lograr la solidificación total , únicamente entonces la temperatura comienza a descender , a la cantidad de calor desprendido por mol de partículas constitutivas de la sustancia en el proceso de cambio de estado , se le llama calor de transformación , la fusión es el proceso inverso de la cristalización , al calentar un sólido puro incrementa su energía de vibración hasta que en el punto de fusión algunas partículas vibran con suficiente energía para contrarrestar las fuerzas de adhesión y entonces el solido funda. Para una presión dada la temperatura de fusión es la misma d la cristalización y para que se efectué la fusión en toda la masa hay que suministrar calor que proporcione la energía que requiere todas las partículas, se denomina calor de fusión, a la cantidad de energía absorbida para realizar la trancision de un mol de partículas del estado sólido al liquido y esa cantidad es igual y designo contrario al calor de la cristalización de la sustancia depende de la naturaleza de la sustancia. La recristalización es el método mas cómodo para purificar sólidos a menudo son necesarias muchas recristalizaciones para obtener una sustancia pura , cuanto mayor sea la solubilidad al aumento de temperatura mas fácilmente puede reconstruirse el compuesto parte de el material original se pierde , pues permanece en solución después de enfriar , conforme la solución se enfría se sobrepasa la solubilidad de el soluto , pero a veces no precipita inmediatamente .hay dificultad para la formación de los primeros cristales y durante un tiempo el liquido puede contener una cantidad de soluto mayor que la correspondiente a la solubilidad normal , en esto consiste la sobresaturación existen métodos para la cristalización de una solución sobresaturada , es decir se induce. En un experimento típico de laboratorio, un sólido que se separa de un crudo de reacción suele ir acompañado de impurezas, por lo que es necesario someterlo a un proceso posterior de purificación mediante la técnica que se denomina recristalización. El procedimiento consiste en las siguientes etapas: 1) Disolver la sustancia en la mínima cantidad de disolvente en caliente (si el disolvente es orgánico calentar a reflujo). 2) Si los cristales de partida presentan coloración intensa debido a la presencia de impurezas, añadir un poco de carbón activo para eliminarlas 3) Calentar hasta ebullición la mezcla comprobando que se ha disuelto completamente el producto a recristalizar. 4) Filtrar la solución en caliente con un embudo cónico y filtro de pliegues para eliminar las impurezas insolubles y el carbón activo. (desechando el residuo sólido, compuesto por el carbón activo y las impurezas insolubles, que aparece en el filtro de pliegues). 5) A medida que la solución se enfríe se irán formando los correspondientes cristales del producto. 6) Finalmente, y una vez que el filtrado se enfría completamente, dichos cristales se filtran por succión; y se lavan (disolvente usado en la recristalización en frió) en un Büchner para eliminar las aguas madres adheridas, secándolos para eliminar las trazas de disolvente. Si la cristalización no ha sido exhaustiva, concentrar la aguas madres (calentando y dejando evaporar parte del disolvente) y repetir el proceso. Carbón activado: Esta sustancia está formada por carbón en forma de grafito de tamaño de partícula pequeño. Es utilizado principalmente para clarificar, desodorizar, decolorar y filtrar; se usa como pigmento para llantas de hule; para stencils de impresión y tintas para dibujo. El carbón activado tiene la propiedad de adsorber a otras substancias por lo que una vez que ha sido utilizado se desecha conteniendo substancias que bien pueden ser peligrosas o no. La adsorción es un proceso de separación y concentración de uno o más componentes de un sistema sobre una superficie sólida o líquida. Los distintos sistemas heterogéneos en los que puede tener lugar la adsorción son: sólido-liquido, sólido-gas y líquido-gas. Como en otros procesos de este tipo, los componentes se distribuyen selectivamente entre ambas fases. Se emplea, fundamentalmente, para retener contaminantes de naturaleza orgánica, presentes, en general, en concentraciones bajas, lo que dificulta su eliminación por otros procedimientos. Cabe citar la eliminación de compuestos fenólicos, hidrocarburos aromáticos nitrados,
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derivados clorados, sustancias coloreadas, así como otras que comunican olor y sabor a las aguas. La operación es menos efectiva para sustancias de pequeño tamaño molecular y estructura sencilla, que suelen ser fácilmente biodegradables y, por ello, susceptibles de tratamiento biológico. Los adsorbentes más empleados son el gel de sílice, la alúmina y, sobre todo, el carbón activo y determinadas resinas sintéticas. Estas últimas son particularmente interesantes para la eliminación de compuestos polares. Además, son fácilmente regenerables, lo que las hace competitivas frente al carbón activo en muchos casos. = PARTE EXPERIMENTAL = MATERIAL Agitador de vidrio Matraz erlenmeyer 50ml Matraz erlenmeyer 125ml Matraz erlenmeyer 250ml Vaso de pp.-150ml Vaso de pp. 250ml Tubos de ensayo 16x150ml Pipeta de10ml Probeta de25ml vidrio de reloj Embudo Büchner con alargadera
CANTIDAD 1 2 2 1 2 1 10 1 1 1 1
MATERIAL espátula mechero con manguera tela de alambre c/asbesto anillo de fierro pinza para tubo de ensayo pinza de 3 dedos c/nuez gradilla recipiente de peltre recipiente eléctrico b.m. embudo de vidrio Kitasato 250 ml c/manguera
SUSTANCIAS Ácido benzóico Benzoina metanol etanol
CANTIDAD SUSTANCIAS acetona hexano 20mL cloruro de metileno 20 mL acetato de etilo
CANTIDAD 1 1 1 1 1 1 2 1 1 1 1 CANTIDAD 20 mL 20 mL 20 mL 20 mL
EQUIPO Bomba de vacío Balanza PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL: Problemas.- Se le proporcionará 2 sustancias sólidas: La sustancia A (ácido benzóico) que deberá purificar por recristalización empleando carbón activado. La sustancia B (benzoina) que purificará por recristalización por par de disolventes. 1.-Recristalización simple con eliminación de impurezas coloridas (sustancia A). a) Pese 0.5g de la sustancia “A” y colóquela en un matraz Erlenmeyer de capacidad adecuada (50 ó 125 ml). b) agregue un poco de disolvente caliente, agite, agregue cuerpos porosos, lleve a ebullición hasta disolución total deje enfriar la solución y agregue carbón activado en la proporción adecuada (1% en relación al peso del sólido). Caliente empleando la técnica de filtración rápida, colecte el filtrado en otro matraz Erlenmeyer y deje enfriar la solución primero a temperatura ambiente y luego en baño de hielo para que ocurra la cristalización. Separe, los cristales formados, por filtración al vacío, lávelos con un poco de disolvente frío, déjelos secar, péselos y calcule el rendimiento de la cristalización. 2.- Recristalización por par de disolventes (sustancia B). a) Con la sustancia sólida “B” efectúe pruebas de solubilidad en los disolventes señalados en la tabla, tanto en frío como en caliente, para encontrar el par de disolventes apropiados para la recristalización. b) Una vez que ha encontrado el par de disolventes para purificar la sustancia sólida proceda a recristalizarla.
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c) Pese 0.5 g de la sustancia “B” y colóquela en un matraz Erlenmeyer de capacidad, adecuada, agregue poco a poco el disolvente que la solubiliza agitando y calentando hasta disolución total, deje enfriar la solución caliente en el embudo de filtración rápida precalentado en la estufa y colecte el filtrado en otro matraz Erlenmeyer. d) A esta solución caliente añádale gota a gota el disolvente en el que es insoluble el sólido hasta que aparezca turbidez, agite y si la turbidez desaparece agregue más gotas del mismo disolvente y vuelva a agitar el matraz. e) Siga este procedimiento hasta que la turbidez permanezca. Enseguida elimine la turbidez calentando el matraz en baño maría y agitando. f) Luego déjelo enfriar un poco a temperatura ambiente y después en baño de hielo hasta que cristalice el soluto. g) Separe los cristales filtrando al vacío, lávelos con un poco de disolvente frío, déjelos secar péselos y calcule el rendimiento de la cristalización.
RESULTADOS: 1) CRISTALIZACIÓN CON CARBÓN ACTIVADO: Muestra inicial de ácido benzóico Masa papel filtro Papel filtro + cristales Masa de los cristales
% Re n dim iento =
0.5078g 1.3041 1.5202 0.2161
0.2161 × 100 = 42.56% 0.5078
2) CRISTALIZACIÓN CON PARES DE DISOLVENTES: * Pruebas de solubilidad: DISOLVENTE SOLUBILIDAD EN FRÍO EN CALIENTE CRISTALIZACIÓN •
AGUA
METANOL
ETANOL
ACETONA
ACETATO DE ETILO X
HEXANO
X X X X X X X X (+) -------------------------POLAR------------- ------------------------------------------------------- (-)
Par de disolventes utilizado: Agua y Etanol
Muestra inicial de benzoina Masa papel filtro Papel filtro + cristales Masa de los cristales
% Re n dim iento =
0.4998 g 1.0768 1.4383 0.3615
0.3615 × 100 = 72.33% 0.4998
*Tabla de resultados: Par de disolventes Rendimiento p.f. después de recristalizar Agua y Etanol 72.33% 137º
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DISCUSIÓN DE RESULTADOS: En esta práctica se realizaron dos tipos de cristalización: con carbón activado y por par de disolventes. En el primer procedimiento se añadió carbón activado ya que la solución de ácido benzóico presentaba una coloración intensa e impurezas insolubles (debido al azul de metileno que lo acompañaba) ya que el carbón activado tiene la propiedad de adsorber a otras sustancias, por lo que al filtrar por gravedad las impurezas de coloración quedaron en el carbón activado en el papel filtro y la solución filtrada quedo transparente y poco después de inducir la cristalización comenzaron a aparecer cristales grandes entre transparentes y blancos. La muestra que tomamos de ácido benzóico era de 0.5078g y al filtrar por vacío, secar y pesar nos dio un total de cristales de 0.2161g con un rendimiento del 42.56%; esto debido a que las impurezas que contenía la muestra eran demasiadas, además de que en las aguas madres observamos después una mínima cantidad de cristales formadas después de una media hora aproximadamente que suponemos es la parte de la muestra faltante de cristales, razón por la cuál obtuvimos ese rendimiento de menos del 50%. Sin embargo ya no se filtraron los cristales formados en las aguas madres debido a falta de tiempo. En el segundo procedimiento al realizar las pruebas de solubilidad en el metanol , etanol, acetona y acetato de etilo, la benzoina era soluble en frío y por lo tanto en caliente y en ninguno se formo cristalización. En el hexano y agua no fue soluble ni en frío mi en caliente y solo se formaron cristales en el agua. Elegimos como par de disolventes al agua y etanol ya que el agua si cristalizaba y el reactivo era insoluble en ella y al etanol debido a su polaridad y a que era miscible en el agua. Nuestra muestra inicial fue de 0.4998g y obtuvimos 0.3615g de cristales después de la recristalización por par de disolventes con un rendimiento del 72.33% tomando en cuenta que al filtrar por gravedad obtuvimos bastantes impurezas y algunas más en las aguas madres; por lo que concluimos que el 27.67% restante era únicamente de las impurezas de la muestra original. CUESTIONARIO: 1. ¿Cuáles son las principales etapas a seguir en la cristalización de un sólido que tiene impurezas insolubles? Una vez que se han realizado las pruebas de solución en frió y en caliente, pesar la muestra a cristalizar, disolver con la mínima cantidad de disolvente en caliente, filtrar por gravedad, dejar enfriar lentamente hasta llegar a los 0º C para que de esta forma los cristales se formen paulatinamente generando así una libre cristalización si impurezas ; Si no se generan los cristales de manera natural hay que inducirla por medio de diferentes técnicas como pueden ser el raspado de paredes de los cristales, cultivo con la materia original cristalizada, con CO2. Filtrar por gravedad; Filtrar a vació, secar , pesar. 2. ¿Cuáles son las etapas a seguir en la recristalización de un sólido que tiene impurezas insolubles e impurezas coloridas? Disolver la sustancia en la mínima cantidad de disolvente caliente, añadir un poco de carbón activado (agente que absorbe las impurezas coloridas e insolubles), calentar a ebullición, filtrar por gravedad, inducir la cristalización, filtrar a vacío, secar y pesar. 3. Un sólido que no tiene disolvente ideal ¿podrá purificarse por recristalización? Explique. Si, el proceso es conocido como cristalización por par de disolventes, donde debemos obtener dos disolventes con características diferentes el primero debe de disolverlo en frió y en caliente, el segundo no debe disolverlo por ninguno de los métodos una vez que tengamos los dos disolventes es necesario mezclarlos para que combinen sus propiedades y se conviertan en un disolvente de polaridad media. 4. ¿Qué características deben tener los disolventes empleados para una recristalización por par de disolventes? No tóxicos, Miscibles entre si, Que uno lo disuelva en frió y en caliente y el otro no lo disuelva por ningún método, polaridades cercanas y punto de ebullición cercano entre ellos. 5. Factores que deben considerarse para obtener un buen rendimiento en una cristalización. Propiedades Físicas de los disolventes, Propiedades Químicas de los disolventes Controlar el enfriamiento lento para una buena cristalización, Pureza de los reactivos
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6. ¿Qué daños ecológicos pueden causar al arrojar frecuentemente al drenaje disolventes con residuos sólidos? Contaminación genera la muerte de microorganismos que sirven como alimento para diferentes especies en el mundo marino. Muerte en las plantas ya que los disolventes destruyen los enlaces de la materia orgánica CHONSP como consecuencia acaba con la vida de toda criatura orgánica 7. Mencione las características que deben reunir los disolventes para poder ser utilizados En una recristalización Que no disuelvan al soluto en frió pero si en caliente ,Que la polaridad y electronegatividad sean similares a la del soluto, Que sea semejante en composición al soluto , con puntos de ebullición bajo, que no reaccione con el soluto, que no sea flamable. 8. En la purificación de un sólido por recristalización con un disolvente, ¿qué es aconsejable? ¿Enfriar la solución rápida o lentamente? Lentamente ya que las impurezas deben separarse, asentarse, y cuando la temperatura de la solución disminuya y empiece la solidificación las impurezas queden en la solución y no en nuestro cristal, además de que obtendremos cristales más grandes y bien formados. 9. Se tiene 10 g de una mezcla AB (85-15) y se quiere purificar por recristalización. Con base en el siguiente cuadro de solubilidad, elija el disolvente ideal para purificar por recristalización. Con base en el siguiente cuadro de solubilidades, elija el disolvente ideal para purificar la mezcla y explique el porqué de su elección (considere costos, riesgos, etc.). Solubilidad g/100 ml Muestra Acetona Agua Cloroformo Éter T°C O°C P. eb. 0°C P.eb 0°C P.eb 0°C P.eb A 1 5 10 20 0 10 0.5 7 B 0 0 4 10 2 5 8 15 Acetona debido a que es el que tiene el punto de ebullición más bajo, es barato. 10. ¿Qué propiedades del carbón activado lo hace buen agente de adsorción? La porosidad en sus paredes además de su alta electronegatividad que permite atraer las moléculas sueltas en la disolución CONCLUSIONES: En esta práctica aprendimos a purificar sustancias por medio de dos técnicas de cristalización: con carbón activado y por pares de disolventes. El carbón activado sirve para separar impurezas insolubles y coloridas ya que tiene la propiedad de adsorberlas, es decir, distribuye selectivamente los componentes del sistema heterogéneo (la solución), eliminando así compuestos fenólicos, hidrocarburos aromáticos nitrados, derivados clorados, sustancias coloridas, así como otras que comunican olor y sabor. La técnica de cristalización por pares de disolventes se utiliza cuando una sustancia no tiene disolvente ideal, por lo que se hace una mezcla de dos disolventes que se eligen por las características de ser miscibles entre sí, que uno disuelva al sólido en frío y que el otro no lo disuelva ni en frío ni en caliente, que tengan polaridades y puntos de ebullición cercanos entre ellos para así tener un disolvente medio que será adecuado para poder purificar la sustancia. BIBLIOGRAFÍA: • •
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http://www.geocities.com/Athens/Academy/1369/Tecnitrab2-s.htm (sept/04/2006) QUIMICA, CONCEPTOS Y PROBLEMAS. Mosqueira & Mosqueira, edit. Limusa, 2ª edicion 2003, México D.F. pp.385-395 www.ugr.es/~quiored/lab/oper_bas/recrist.htm - 10k(sept/04/2006) http://www.fcen.uba.ar/ecyt/recri/sld005.htm (autor: bioquimica prof diana beckerman) (4 sept/2006) http://www.ine.gob.mx/ueajei/publicaciones/libros/283/cap1.html(04/sep/2006) Roberts R.M., Gilbert J.C., Rodewald L.B. and Wingrove A.S. Modern Experimental Organic Chemistry, 3rd. Ed. Holt. Reinehart and Winston, N.Y., (1979).
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Vogel A.I. Texbook Practical Organic Chemistry. #rd. ed. Longmans. London, (1962). Brewster R.Q., Vande Werf C.A. y Mc. Ewen W.E. Curso Práctico de Química Orgánica. 3ª.Ed. Ed. Alambra S.A. Madrid, (1979). Moore J.A. and Dalrymple D.L. Experimental Methods in Organic Chemistry. 2a. Ed. W. B. Saunders Co. Philadephia, (1976).
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