Informe N_03 - Destilación

DESTILACIÓN QUÍMICA ORGÁNICA II

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Conocer la destilación simple, fraccionada por arrastre

(vacío); sus

características y los factores que en ellas intervienen. intervienen. 

Manejar técnicas de purificación de compuestos orgánicos líquidos por destilación.

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Aprender a manejar los equipos de destilación.

La separación de los componentes de una mezcla liquida por destilación; consiste en el calentamiento del líquido hasta su punto de ebullición, produciendo así la evaporización del componente más volátil y su posterior recondensación a la fase liquida colectando este líquido (destilado o condensado) en un nuevo recipiente.

Universidad Nacional del Callao – Facultad de Ingeniería Química

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La destilación es la operación de separar, mediante evaporización y condensación, los diferentes componentes líquidos, sólidos disueltos en líquidos o gases licuados de una mezcla, aprovechando los diferentes puntos de ebullición (temperaturas de ebullición) de cada una de las sustancias ya que el punto de ebullición es una propiedad intensiva de cada sustancia, es decir, no varía en función de la masa o el volumen, aunque sí en función de la presión. En este laboratorio aprenderemos tres tipos de destilación como son:   

Destilación simple. Destilación fraccionada. Destilación por arrastre de vapor.

Aprenderemos sus características y su fundamento para la buena aplicación de la técnica que se desea utilizar.

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El equilibrio liquido vapor, temperatura, presión, composición, energía.

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El equilibrio entre el vapor y el líquido de un compuesto está representado por la relación de moles de vapor y líquido a una temperatura determinada, también puede estudiarse este equilibrio a partir de sus presiones de vapor.

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La temperatura influye en las presiones de vapor y en consecuencia de la cantidad de energía proporcionada al sistema, también influye en la composición del vapor y el líquido ya que esta depende de las presiones del vapor.

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La presión tiene directa influencia en los puntos de ebullición de los líquidos orgánicos y por tanto en la destilación.

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La composición es una consecuencia de la variación de las presiones de vapor, de la temperatura que fijan las composiciones en el equilibrio.

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Puntos de ebullición, son aquellos puntos o temperaturas de compuestos puros a las que sus presiones de vapor igualan a la presión atmosférica, produciéndose el fenómeno llamado ebullición.


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DESTILACIÓN SIMPLE Se denomina así porque es una operación que se realiza en una sola etapa. Se emplea cuando se quiere separar de una mezcla el único componente volátil que contiene. En casos excepcionales puede emplearse también para separar dos líquidos volátiles cuyos puntos de ebullición estén separados unos 80 100 º C. Para el caso más simple de una disolución binaria, el proceso se basa en la separación por destilación y posterior condensación del componente volátil, en tanto que el otro componente queda como residuo. La separación de los componentes será tanto más eficaz cuanto mayor sea la diferencia entre sus puntos de ebullición. La situación más favorable se dará para el caso en que el componente menos volátil sea un sólido, ya que entonces, su presión de vapor será prácticamente nula, con lo que la separación entre los dos componentes es total. La destilación simple es una de las técnicas de separación más utilizada para la purificación de compuestos líquidos, impurificados por compuestos sólidos o líquidos poco volátiles. Aunque la separación únicamente es total cuando las impurezas son compuestos sólidos (Presión de vapor cero), la destilación simple se puede utilizar para la separación de dos líquidos volátiles siempre que las diferencias entre sus puntos de ebullición sean como mínimo de unos 40 ºC.

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DESTILACIÓN FRACCIONADA


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En aquellos casos en que todos los componentes de una disolución son compuestos volátiles es imposible su separación por destilación simple, ya que el vapor destilado no será puro sino que tendrá una composición que dependerá de las presiones de vapor de los componentes de la disolución de partida. La presión de vapor de la disolución será siempre mayor que la de cualquiera de sus componentes puros. Del mismo modo, la temperatura de ebullición de la disolución también dependerá de su composición y estará comprendida entre los valores correspondientes a los puntos de ebullición de los componentes puros. Si el proceso evaporación/condensación se realiza un número suficiente de veces podríamos conseguir separar en la fase vapor prácticamente el componente A puro, en tanto que en el residuo de destilación quedaría el componente B prácticamente puro. Esto es precisamente lo que tiene lugar en un proceso de destilación fraccionada. Por lo tanto, será igual al de una destilación simple en el que el proceso evaporación - condensación se repite un número de veces suficientemente elevado.

En la práctica, la separación será tanto mayor cuanto mayor sea la diferencia entre los puntos de ebullición, o lo que es lo mismo, mayor sea la diferencia entre las presiones de vapor de los dos componentes. Obviamente, la Universidad Nacional del Callao – Facultad de Ingeniería Química

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separación será imposible si los dos componentes tienen el mismo punto de ebullición. La destilación fraccionada se lleva a cabo colocando una columna de destilación, llamada también de fraccionamiento, entre el matraz de destilación y la cabeza de destilación. En dicha columna se repite el proceso de evaporación - condensación un número de veces (n) que dependerá de su longitud. DESTILACIÓN DE ARRASTRE A VAPOR DE AGUA (AL VACÍO)

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La destilación por arrastre de vapor es un tipo especial de destilación que se basa en el equilibrio de líquidos inmiscibles. Según se ha visto anteriormente, la temperatura de ebullición de una mezcla de dos componentes inmiscibles es inferior a la temperatura de ebullición de cualquiera de ellos por separado. Supóngase que se desea recuperar un hidrocarburo pesado, ,que impregna un residuo sólido. Como la volatilidad de este compuesto es muy baja, habrá que elevar mucho su temperatura para alcanzar una velocidad de vaporización y, por tanto, de recuperación apreciable. A veces, por diversas razones, no es deseable alcanzar estas elevadas temperaturas, (descomposición térmica de los productos, cambio en sus propiedades, etc.). En estos casos, una solución técnica viable puede ser la destilación por arrastre de vapor. o

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La destilación por arrastre con vapor es una técnica usada para separar sustancias orgánicas insolubles en agua y ligeramente volátiles, de otras no volátiles que se encuentran en la mezcla, como resinas o sales inorgánicas. Cuando se tienen mezclas de líquidos que no son miscibles entre sí, se tiene un tipo de destilación que sigue la ley de Dalton sobre las presiones parciales.

Como resultado de este comportamiento, y cuando uno de los componentes es agua, al trabajar a presión atmosférica, se puede separar un componente de mayor punto de ebullición que el del agua a una temperatura menor a 100º (92º en el D.F.)


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Debido a lo anterior, con esta técnica se pueden separar sustancias inmiscibles en agua y que se descomponen a su temperatura de ebullición o cerca de ella, por lo que se emplea con frecuencia para separar aceites esenciales naturales que se encuentran en hojas, cáscaras o semillas de algunas plantas (té limón. menta, canela, cáscaras de naranja o limón, anís, pimienta, etc.,) Los aceites esenciales también pueden aislarse de sus fuentes naturales por medio de la extracción con disolventes orgánicos. Dependiendo de la técnica que se utilice para el aislamiento, será la pureza y rendimiento del aceite esencial.

Esta operación se puede llevar a cabo de varias formas:

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Se inyecta vapor saturado a través del residuo que contiene la sustancia a recuperar, mientras se mantiene una presión de operación de 1 bar. Parte del vapor condensará para calentar y vaporizar el hidrocarburo, formándose dos fases líquidas inmiscibles que alcanzan el equilibrio a una temperatura muy próxima. La cantidad de vapor de arrastre necesaria por cada mol de hidrocarburos a recuperar es: mol de vapor/ mol de HC. El consumo de vapor es, sin embargo, superior, ya que hay que contabilizar el vapor que condensa para calentar y vaporizar el hidrocarburo.

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Supóngase ahora que se inyecta vapor sobrecalentado y que, gracias al aporte de una fuente externa de calor, el vapor no condensa.


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En estas condiciones, la relación de equilibrio es: P = Pagua + PºHC, y la temperatura de operación se puede fijar independientemente para cualquier presión de operación. Asumiendo que ésta es de 1 bar y que la temperatura se fija en 204º C gracias a la fuente externa de calor, la presión parcial de vapor de agua será: Pagua = 1 - PºHC (204º C) = 1 - 0,0442 = 0,9558. Las necesidades de vapor serán ahora: Mol de vapor/ mol de HC Puede observarse cómo al operar a mayor temperatura se reducen las cantidades de vapor de arrastre. En contrapartida, hay que aportar calor mediante una fuente externa que evita la condensación de parte del vapor.

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Es posible ahorrar más vapor aún, si se opera a presión reducida. En efecto, si se mantiene como temperatura de operación 204º C, pero la Universidad Nacional del Callao – Facultad de Ingeniería Química

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presión de operación se reduce a 0,2721 bar, la presión parcial que debe aportar el vapor de agua es: El consumo de vapor de arrastre es ahora: Mol de vapor/ mol de HC En este caso sigue siendo necesario aportar energía mediante una fuente externa para calentar y vaporizar el hidrocarburo y, además, emplear un sistema de vacío, que también consumirá energía.

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MATERIALES            

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Soporte universal Pinza de nuez Trípode Mechero bunsen Rejilla de asbesto Termómetro Balón de destilación Tubo refrigerante Tubo de desprendimiento Vaso de precipitación Matraz Erlenmeyer Columna de fraccionamiento

REACTIVOS    

Cáscara de naranja Alcohol etílico Agua Acetona


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DESTILACIÓN FRACCIONADA Para esta experiencia se utilizara 100 ml de acetato de etilo, para ello se armó el equipo de destilación fraccionada. Una vez realizada la destilación fraccionada por los procedimientos indicados en la teoría. Antes mencionaremos que en esta destilación usaremos la torre de fraccionamiento o tubo de fraccionamiento de vidrio dentro el cual se encuentran unas esferas que cumple el papel de fraccionar las sustancias que pasan por ahí como se indicó en la teoría ( es muy usado para el petróleo y la cerveza a nivel industrial). También mencionaremos al enfriador de serpentín un poco más pequeño que en la simple. Sustancia

Temperatura

Acetato de Etilo

63°C

La ebullición se debió completar a 75°C pero no se pudo porque el compuesto tenía muchas impurezas.

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DESTILACIÓN POR ARRASTRE DE VAPOR DE AGUA


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Para poder realizar la destilación por arrastre de vapor de agua, realizamos el armado del equipo. El balón izquierdo contiene agua y el balón derecho contiene la muestra problema (pedazos de cáscara de naranja). El refrigerante es diferente este es también de serpentín pero arrastra el agua por fuera del serpentín y por adentro va el vapor lo que lo hace más efectivo. Procedemos a calentar el balón izquierdo hasta que los vapores de agua pasen al balón derecho de las sustancias activadas en la muestra problema, obteniéndose en el matraz una solución de color amarilla traslúcida, que luego de haber destilado una cantidad considerable se puede observar dos fases.


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TERPENO DE LA CASCAR DE NARANJA El limoneno es una sustancia natural que se extrae del aceite de las cáscaras de los cítricos y que da olor característico a las naranjas y los limones. Pertenece al grupo de los terpenos, en concreto a de los limonoides, que constituyen una de las más amplias clases de alimentos funcionales y fitonutrientes, funcionando como antioxidantes. : C10H16

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DESTILACIÓN SIMPLE Se trabajó para la destilación simple una muestra de ron de quemar, de la cual se obtuvo metanol al llegar a la temperatura de 65°C al calentar.


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NITROBENCENO El benceno se emplea para la producción de medicinas y de otros derivados importantes como la anilina y el fenol. Recientemente se ha tenido en cuenta la condición de agente cancerígeno. El nitrobenceno es un líquido oleoso de un olor fuerte a almendras amargas, y de fórmula C6H5NO2. Es un derivado del benceno en el que un grupo nitro (NO2) ha sustituido a un hidrógeno: Tiene un punto de ebullición de 209 °C y una densidad relativa de 1,2. Es tóxico, insoluble en agua y muy buen disolvente de compuestos orgánicos. Se obtiene por tratamiento en frío del benceno con una mezcla de ácido sulfúrico y ácido nítrico concentrados. Siendo su estructura:

Por lo anterior se observa que los puntos de ebullición son de gran importancia para poder obtener el nitrobenceno, debido a esto el método más apropiado será el método de destilación por arrastre, similar al que se realizó en laboratorio.


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El que una sustancia determinada destile o se arrastre más o menos de prisa en una corriente de vapor de agua, depende de la relación entre la tensión parcial y de la densidad de su vapor y las mismas constantes físicas del agua. Si denominamos P1 y P2 las presiones de vapor de la sustancia y del agua a la temperatura que hierve su mezcla, y D1 y D2 sus densidades de vapor, los pesos de sustancia y de agua que destilan estarán en la relación:

Si el valor de esta fracción es grande, la sustancia destila con poca agua y lo contrario ocurre cuando dicha relación es pequeña. Por ejemplo, una mezcla de nitrobenceno y de agua hierve a 99ºC bajo una presión de 760 mmHg. La tensión de vapor de agua a esa temperatura es de 733 mmHg, de manera que la tensión de vapor del nitrobenceno será 760 – 733 = 27 mmHg. Las densidades del vapor de agua y del nitrobenceno están en la relación 18/123 (la de sus pesos moleculares), de modo que la relación entre los pesos del agua y del nitrobenceno que destilan estarán en la relación de las cantidades a usar.


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ACEITE ESENCIAL DE CANELA Aceites esenciales o esencias son mezclas complejas de sustancias, de olor aromático intenso, generalmente líquidos volátiles, arrastrables por el vapor del agua, contenidos en los vegetales. La esencia de canela se obtiene por destilación en corriente de vapor de agua de 2 especies del gen, Cinnamomum; C. ceylanicum, originaria de la India y C. cassia. Ambas son representantes de las Lauráceas y contienen 1 a 2% de esencia agradablemente aromática que se caracteriza por ser más densa que el H20; su principal componente, el aldehído cinámico, se encuentra en aproximadamente 70 %. La esencia de canela de Ceylán contiene además cantidad apreciable de eugenol, que no está presente en la de la China. La esencia tiene propiedades tónicas. Siendo su estructura:

Para la obtención de las esencias el método más recomendado es la de destilación mediante arrastre es por ello que se usará este método para extraer la esencia de la canela.


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ANILINA Se utiliza el nitrobenceno como producto intermedio en la obtención de anilina y en otras síntesis de colorantes. Los productos de la reducción de los grupos nitro dependen de si el medio reductor es acido, básico o básico. La reducción en medio acido puede efectuarse tratando con ácido clorhídrico el estaño y cloruro de estaño o al hierro. Los dos primeros además de ser costosos pueden derivar clorados, por lo que el hierro, el ácido clorhídrico y la hidrogenación catalítica son los reductores preferidos. En algunos casos se puede utilizar como reductores o sales ferrosas, sulfuro de poli sulfuro de amonio.

El método más adecuado para la obtención de anilina deberá ser la destilación por arrastre con vapor: Se vierte el nitrobenceno en un matraz de 500 ml y añadir 20g de granallas de estaño, agregar 10 ml de ácido clorhídrico concentrado, en seguida comienza una reacción exotérmica que hace necesario sumergir el matraz en agua fría para evitar pérdidas de sustancias por ebullición, intentar mantener el contenido del matraz caliente pero por debajo del punto de ebullición. Continuar con la adición de ácido de esta misma manera hasta terminar 35 ml. En ese momento unir un refrigerante de reflujo al matraz, sujetar el conjunto a un soporte y hervir el contenido del matraz durante 10 minutos. Luego apagar el mechero, separar el matraz del refrigerante y enfriar hasta que el contenido no esté a más de 50ºC, añadir entonces 5ml de solución de hidróxido de sodio agitar el matraz y enfriarlo para que no se escapen vapores. Al principio se recogerán gotas aceitosas de anilina en el colector, pero hacia el final de la destilación la escasa cantidad de anilina que salga lo hará disuelta en agua. La anilina pura y recién destilada (pe 184,4 ºC) es prácticamente incolora. Se oscurece por exposición a la luz y al aire. Si la que se obtiene presenta un color naranja se debe a que la reducción del nitrobenceno no ha sido completa. Universidad Nacional del Callao – Facultad de Ingeniería Química

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PUNTO DE EBULLICIÓN: 210.5 °C

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PUNTO DE EBULLICIÓN: 249°C

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PUNTO DE EBULLICIÓN: 169°C


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Son insolubles en gua, muy solubles en disolvente no polares, casi siempre son menos densos que el agua; sus puntos de ebullición aumentan, conforme disminuye su peso molecular. Los puntos de fusión no dependen únicamente del peso molecular, sino también de su estructura. La relación que existe, entre la estructura y los puntos de fusión es compleja. Sin embargo, se observa que, entre los isómeros menos disustituidos del benceno, los isómeros para, que son los más simétricos, generalmente funden a temperatura más elevadas y son menos solubles, debido a que tanto en la disolución como en la fusión, se tienen que vencer las fuerzas de atracción intermolecular, y entre más simétrico un compuesto, mejor se ajusta en la red.

La razón principal es que si se llena el balón, el líquido va a saturar el refrigerante lo que hace que pueda salir líquido sin ser destilado, otra de las razones es porque si se llena al empezar a bullir se forman burbujas, que se puede evitar con piedritas de ebullición, estas también pueden salpicar y colarse en el destilado.


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Casi todos los líquidos tienden a sobrecalentarse (alcanzar una temperatura algo superior al punto de ebullición). Se encuentran entonces en un estado metaestable que se interrumpe periódicamente al formarse súbitamente una gran burbuja de vapor en el seno del líquido. Se dice entonces que este hierve a saltos. Para evitar esto, antes de iniciar la destilación se añaden al líquido uno o dos trocitos de porcelana porosa, cuyos pequeños poros constituyen un lugar adecuado para la formación de núcleos de burbujas, hirviendo así el líquido normalmente al alcanzarse la temperatura de ebullición. Si el líquido se abandona cierto tiempo a una temperatura inferior a su punto de ebullición, entonces los poros de la porcelana se llenan de líquido y ésta pierde su efectividad. Para la adición de un nuevo trocito, el líquido debe enfriarse por debajo de su punto de ebullición; la adición de un trocito de material poroso a un líquido sobrecalentado provoca una ebullición repentina que puede ser violenta (peligro de incendio y quemaduras).

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En el proceso de destilación simple será óptima para sustancias que presenten una diferencia de puntos de ebullición considerable (APROX.40°C). Para aplicar la destilación por arrastre de vapor a determinada sustancia, esta debe ser insoluble en agua. Para destilar sustancias sólidas se utiliza el método de destilación por arrastre de vapor de agua, porque al utilizar otros métodos (destilación simple o destilación fraccionada) la sustancia se quemaría. Las columnas utilizadas en la destilación fraccionada, realizan el equivalente a varios cientos de destilaciones sencillas. La destilación es un medio muy eficaz para lograr separar un líquido de impurezas, así como dos sustancias distintas que se encuentran mezcladas.


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Química orgánica Química orgánica segunda edición Experimento de química orgánica

MORRISON WADE,L.G CUEVA LEON GOMEZ


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Informe N_03 - Destilación

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