UNIVERSIDAD NACIONAL MAYOR DE SAN MARCOS si dad del Perú Per ú, DECANA DE AMERICA) (Uni ver sid
FACULTAD DE INGENIERÍA INDUSTRIAL E.A.P INGENIERÍA INDUSTRIAL
PURIFICACIÓN DE COMPUESTOS ORGÁNICOS: CRISTALIZACIÓN CURSO: LABORATORIO DE QUÍMICA ORGÁNICA PROFESOR: Br. GUSTAVO RUIZ PACCO ALUMNOS: LUCY BRAVO PALOMINO YESSICA ROJAS CCANTO JHOANNA ROSA MERA DÁVILA CARLOS ALBERTO VALENZUELA ZEGARRA PUERTA AGUILAR JOSE EDWAR GORA LAUREANO MAYKEL KEVIN TURNO: MARTES 6-8PM
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PURIFICACIÓN DE COMPUESTOS ORGÁNICOS: CRISTALIZACIÓN 1.-INTRODUCCIÓN Cuando realizamos una reacción los productos solidos obtenidos generalmente tienen impurezas lo que buscamos es una manera sencilla y efectiva de eliminarlas. Un método adecuado para la eliminación de impurezas de un sólido es la recristalización. La recristalización es una técnica instrumental muy utilizada en los laboratorios para llevar a cabo la purificación de sustancias sólidas que contienen pequeñas cantidades de impurezas. Esta técnica se basa en que la mayoría de los compuestos incrementan su solubilidad al aumentar la temperatura, de modo que la muestra a recristalizar se disuelve en un disolvente a su temperatura de ebullición. Posteriormente, se procede a enfriar de manera inducida de modo que se genera una disolución del compuesto sobresaturada lo que favorece la formación de cristales de este al encontrarse en mayor proporción. La formación y crecimiento de cristales en una red ordenada de forma lenta favorece la incorporación de moléculas del compuesto excluyendo de esta red cristalina las moléculas de las impurezas, de modo que al final se obtiene un sólido enriquecido en el compuesto que queremos purificar.
2.-MARCO TEÓRICO Elección del disolvente
La mejor forma de encontrar un disolvente adecuado para la recristalización de una sustancia determinada es ensayar experimentalmente distintos disolventes. No obstante, algunas generalizaciones, razonablemente válidas, pueden ayudar a simplificar la búsqueda. 1. Los compuestos iónicos (sales) se disuelven en disolventes polares y los compuestos no iónicos (orgánicos) en disolventes no polares. 2. Los compuestos no iónicos se pueden disolver en agua si sus moléculas se ionizan en solución acuosa o puedan asociarse con moléculas de agua a través de puentes de hidrógeno. Por este motivo, los hidrocarburos y sus derivados halogenados son prácticamente insolubles en agua, pero los compuestos en cuyas moléculas existen grupos funcionales tales como alcohol (-OH), aldehído (-CHO), cetona (R-CO-R), ácido carboxílico (-COOH) y amida (-CONH2)], que pueden formar puentes de hidrógeno con agua, son solubles en este disolvente, a menos que la relación del número total de átomos de carbono al de tales grupos funcionales en la molécula sea superior a 4 ó 5. 3. Los disolventes hidroxílicos asociados como metanol, etanol, ácido acético, presentan un oder intermedio entre agua y el éter etílico o benceno. Son buenos disolventes para los compuestos
orgánicos que pueden asociarse. Un disolvente ideal para una recristalización debe poseer las siguientes características: a) Un coeficiente de temperatura elevado para la sustancia que se va a purificar, esto es, debe disolver una gran cantidad de la misma a su temperatura de ebullición y sólo una pequeña cantidad a la temperatura ambiente o ligeramente por debajo de ella. Disolver en caliente la muestra. b) No disolver las impurezas en caliente. c) Al enfriarse debe suministrar rápidamente cristales bien formados del compuesto que se purifica, de los cuales debe ser fácilmente separable. d) No debe reaccionar con el soluto. e) Su utilización no debe ser peligrosa (inflamable). f) Debe ser barato FILTRACIÓN DE LA SOLUCIÓN CALIENTE
La solución caliente se debe filtrar de tal forma que no cristalice nada de soluto ni en el papel de filtro ni en el embudo. Generalmente, para ello se requiere una filtración rápida con un mínimo de evaporación en el embudo de vástago corto, previamente calentado en una estufa, y provisto de un filtro de pliegues para aumentar la velocidad de filtración ENFRIAMIENTO Durante el enfriamiento de la solución caliente se pretende que cristalice la máxima cantidad de la sustancia deseada con un mínimo de impurezas. El proceso se realiza en un matraz erlenmeyer. Generalmente, es preferible que los cristales tengan un tamaño medio, porque los cristales grandes pueden incluir gran cantidad de disolvente, el cual lleva impurezas disueltas, y los cristales pequeños presentan una gran superficie sobre la que éstas quedan adsorbidas. El tamaño de los cristales se puede controlar por la velocidad de cristalización; una cristalización rápida favorece la formación de cristales pequeños y una cristalización lenta origina cristales grandes. Generalmente lo mejor es dejar que el enfriamiento de la disolución sea lento o al menos moderado. Si la cristalización es demasiado lenta, se puede favorecer rascando con una varilla de vidrio la superficie interior del erlenmeyer (para que se formen pequeñísimos fragmentos de vidrio que actúen como núcleos de cristalización), o bien, añadiendo, durante el enfriamiento y de vez en cuando, un pequeño cristal del producto para sembrar la solución y provocar su cristalización.
SEPARACIÓN DE LOS CRISTALES En este paso se pretende separar los cristales formados, quitándoles la mayor cantidad posible de aguas madres, con una evaporación mínima. Generalmente esto se consigue empleando un embudo Büchner unido a un kitasato, que a su vez se conecta a la trompa de vacío (Figura 1). Los kitasatos deberán sujetarse mediante unas pinzas a un soporte. El Büchner debe ser de tamaño adecuado, eligiéndose el más pequeño que permita la recogida con holgura de toda la masa cristalina sin que ésta llegue a rebosar el borde superior del embudo. (Figura 1)
El papel de filtro debe cubrir por completo todos los orificios de la placa del Büchner, pero su diámetro debe ser ligeramente inferior al de esta placa. Al colocarlo debe quedar Figura 7. Filtración en frio a través de un embudo Buchner completamente liso y sin arrugas para que no pueda pasar nada de sólido por sus bordes. Esto se consigue fácilmente humedeciendo el papel con disolvente y haciendo succión. Después, sin succión, o mejor, sólo con una ligera succión, para evitar evaporaciones innecesarias, se echa la mezcla (o parte de ella) dentro del embudo. Entonces se aplica todo el vacío (o el máximo deseado). Se debe utilizar una varilla de vidrio o una espátula para que, ayudándose con ella, se pueda pasar lo más rápidamente posible toda la masa cristalina al embudo. Si algunos cristales quedan adheridos a las paredes del Erlenmeyer, se pueden lavar y echar en el embudo con pequeñas cantidades del disolvente frío. Tan pronto como la masa sólida se hace suficientemente rígida, se presiona, con cuidado pero con firmeza, con un corcho o tapón de frasco invertido. Cuando cesa el paso de líquido a través del filtro se interrumpe la succión. En este momento, si el filtrado tiene valor, se deberá transferir a otro recipiente. Entonces se procederá al lavado de los cristales para eliminar todo el disolvente que llevan adherido (que, desde luego, contendrá impurezas solubles). Sin succión, se cubrirán los cristales con una pequeña cantidad de disolvente puro y frío. En este momento conviene agitar la mezcla cuidadosamente, para no romper el papel de filtro, con una espátula o varilla de vidrio roma para asegurar que todos los cristales se humedecen con el disolvente. Entonces se aplica de nuevo la succión y los cristales se presionan con un tapón como antes. Este proceso se puede repetir varias veces. Con frecuencia, por concentración de las aguas madres (filtrado) se puede obtener una
nueva cantidad de cristales. Sin embargo, éstos son casi siempre algo menos puros que los cristales obtenidos en primer lugar.
3.PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL
1. En primer lugar se utilizó el resultado de la práctica anterior al obtener por un proceso de cristalización de la acetanilida.
2. Ahora pasamos a desprender con ayuda de la bagueta los cristales colocarlo en una vaso con 4 ml. De agua destilada. 3. Esta solución se lleva a alta temperatura en la hornilla para obtener una mayor solubilidad de la mezcla.
4. Estando aún con la temperatura alta, se procede a filtrar la solución hacia un beaker y posteriormente se lleva a los tubos de ensayo.
5. Se enfría los tubos de ensayo conteniendo los líquidos a chorro de agua.
6. Se filtra nuevamente la solución en frío teniendo cuidado de guardar los cristales resultantes.
7. Finalmente se guarda en un frasco limpio y seco los cristales obtenidos.
ESQUEMA DE PRACTICA
4.CONCLUSIONES: * La purificación en este experimento fue eficiente por que no encontramos muchas impurezas debido a que fue buena la purificación en el experimento anterior. * Se tiene que escoger un solvente ideal para poder obtener más precipitado y que de esa manera el experimento sea más eficiente. * La cantidad de cristales obtenidos en esta parte experimental es consecuencia del experimento anterior. * El experimento fue casi en su totalidad satisfactorio porque se logró conseguir los cristales, no en las proporciones deseadas pero se logró el objetivo, purificar la acetanilida.
5.CUESTIONARIO 1- ¿Qué otras técnicas de purificación de compuestos orgánicos se conocen? Detallar cada uno de los métodos. Entre las técnicas de purificación tenemos: Destilación: Una de las principales técnicas para purificar líquidos volátiles es mediante la sepa ra ci ón u la purif icac ión p or d esti laci ón. En la dest ilac ión s e ha ce u so d e la diferencia entre los puntos de ebullición de las sustancias que constituyen las mezclas. Las fases en una destilación son: la vaporización o transformación del líquido en vapor y la c onde nsac ión o tran sfor mac ión d el va por en l íqui do. E xi st en v ar ia s c l a s e s d e d e s t i l a c i ó n , l a e l e c c i ó n e n c a d a c a s o s e h a c e d e a c u e r d o c o n las propiedades del líquido que se pretenda purificar y de las impurezas que lo contaminan.
Tipos de destilación: -Destilación simple: Esta técnica se utiliza en la purificación de líquidos cuyo punto de ebullición menor de 150º C a la presión atmosférica y sirve para eliminar impurezas no volátiles. Esta técnica también se emplea para separar dos líquidos cuyos puntos de ebullición difieran al menos en 25º C .Ejemplo: Sistema butano-etanol, agua-metanol.El líquido se destila desde el matraz de destilación, ocurriendo primeramente la vaporización, estableciéndose el equilibrio liquido vapor. Parte del vapor se condensa en las paredes del matraz, pero la gran parte pasa por la salida lateral condensándose debido a la circulación del agua fría por el tubo refrigerante, a este producto se le conoce como, “destilado”, y a la porción que queda en el balón de destilación el “residuo”.
-Destilación al vacío: Muchas sustancias no pueden purificarse pordestilación a la presión ordinaria, porque se descomp onen atemperaturas cercanas a su punto de ebullición normal, en otros casos la destilación requiere de inmensas inversiones o utilización de energía en gran cantidad, o finalmente poseen
problemas de equilibrio liquido-vapor, en consecuencia se emplea el método de destilación al vacío o a presión reducida. Sabemos que un líquido empieza a hervir cuando su presión de vapor iguala a la presión atmosférica o de operación, por lo tanto sireducimos la presión de operación tendremos la ebullición atemperaturas bajas. -Destilación Fraccionada: La destilación fraccionada no es nada más que una técnica para realizar una serie completa de pequeñas separaciones (destilación simple), en una operación sencilla y continua. Una columna de destilación fraccionada proporciona una gran superficie para elintercambio de calor, en las condiciones de equilibrio, que se establece entre el vapor que asciende y el líquido (condensado) que desciende.Esto tiene como consecuencia una serie completa de evaporaciones y condensaciones parciales en toda la longitud de la columna de fraccionamiento. Cuando el condensado en algún punto de la columna toma calor del vapor, parte se evapora de nuevo y el vapor formando el más rico en el componente más volátil (el de menor ebullición).Al mismo tiempo, cuando el vapor cede calor al condensado, parte del mismo se condensa, siendo este condensado más rico en el componente menos volátil (el de m ayor punto de ebullición). -Destilación por arrastre de vapor: Es una técnica que sirvefundamentalmente para separar sustancias insolubles en agua yliteralmen te volátiles, de otros productos no volátiles mezclados con ellas. Este método es un buen sustituto de la destilación al vacío, y tiene algunas ventajas, ya que la destilación se realiza a temperaturas bajas.El comportamiento de la destilación de un sistema de dos fasesmiscibles, donde cada líquido ejerce su propia presión de vapor y la suma de ambas es de la presión de operación, y son independientes de las cantidades relativas de la mezcla. Estos hechos constituyen la base para la purificación de sustancias por el arrastre de una corriente de vapor.Existen varios compuestos orgánicos de punto de ebulliciónrelativamente alto que con agua co-destilan en una cantidad en peso lo suficientemente grande para ser destilados con cierta rapidez por debajo del punto de ebullición del agua. Cristalización:
La cristalización es la técnica más sencilla y eficaz para poder purificar compuestos orgánicos sólidos. Se basa en la disolución de un sólido impuro en la menor cantidad de disolvente adecuado en caliente. Bajo estas condiciones se genera una disolución saturada que al enfriar se sobresatura produciéndose la cristalización. El proceso de cristalización es un proceso dinámico, de manera que las moléculas que están en la disolución están en equilibrio con las que forman parte de la red cristalina. El elevado grado de ordenación de una red cristalina excluye la participación de impurezas en la misma. Para ello, es conveniente que el proceso de enfriamiento se produzcalentamente de forma que los cristales se formen poco a poco y el lento crecimiento de la red cristalina excluya las impurezas, caso contrario, el enfriamiento de la disolución es muy rápido las impurezas pueden quedar atrapadas en la red cristalina. Se utiliza el criterio de “lo semejante disuelve a lo semejante” para la elección de un disolvente de cristalización. Los disolventes más usados, en or den de polaridad creciente son el éter de petróleo, cloroformo, acetona, acetato de etilo, etanol y agua. Es mejor utilizar un disolvente con un punto de ebullición que sobrepáselos 60°C, pero que a su vez sea por lo menos 10°C más bajo que el punto de fusión del sólido que se desea cristalizar. En muchos casos se necesita usar una mezcla de disolventes y conviene probar diferentes mezclas para encontrar aquella que proporciona la cristalización más efectiva.
UNIVERSIDAD NACIONAL MAYOR DE SAN MARCOSEXP. N-03 Sublimación:
Para la química, la sublimación (fenómeno también definido como volatilización) es el procedimiento que se basa en modificar el estado sólido de un material por el de estado gaseoso, sin necesidad de llevarlo hacia el estado líquido. El concepto también permite nombrar al método opuesto (el traspaso directo entre el estado gaseoso y el sólido),aunque es más habitual que se hable de sublimación inversa ocristalización.El punto de sublimación, o temperatura de sublimación, es aquella en la cual l a presión de vapor sobre el sólido es igual a la presión externa. La capacidad de una sustancia para sublimar dependerá por tanto de la presión de vapor a una temperatura determinada y será inversamente proporcional a la presión externa. Cuanto menor sea la diferencia entre la presión externa y la presión de vapor de una sustancia más fácilmente sublimará. Generalmente, para que una sustancia sublime debe tener una elevada presión de vapor es decir, las atracciones intermoleculares en estado sólido deben ser débiles. Así, los compuestos que subliman fácilmente tienen una forma esférica o cilíndrica, que no favorece unas fuerzas intermoleculares fuertes La sublimación es un método excelente para la purificación de sustancias relativamente volátiles en una escala que oscila entre los pocosmiligramos hasta 10 gramos
Cromatografía:
La cromatografía es un método poderoso para separar componentes de mezclas como las que se forman en reacciones químicas. Está técnica se utiliza para obtener los componentes individuales puros de una mezcla y también para determinar la proporción de estos componentes. En la cromatografía, las moléculas se distribuyen en dos fases distintas, y la separación tiene relación directa con la diferencia de solubilidad quelas diferentes moléculas muestran en cada fase.Además como los componentes difieren en cuanto a movilidad, lacromatografía sirve también para determinar una correspondencia entre un compuesto y una muestra de referencia de estructura conocida. Las técnicas cromatografías son muy variadas, pero en todas ellas hay como ya se mencionó dos fases diferentes, una fase móvil que consiste en un fluido (gas, líquido o fluido súper crítico) que arrastra a la muestra través de una fase estacionaria que se trata de un sólido o un líquido fijado en un sólido. Los componentes de la mezcla interaccionan en distinta forma con la fase estacionaria estacionaria.De este modo, los componentes atraviesan la fase estacionaria adistintas velocidades y se van separando. Clasificación de la cromatografía por tipos: Las distintas técnicas cromatográficas se pueden dividir según cómo esté dispuesta la fase estacionaria: -Cromatografía plana. La fase estacionaria se sitúa sobre una placa plana o sobre un papel. Las principales técnicas son: Cromatografía en papel. Cromatografía en capa fina.
-Cromatografía en columna. La fase estacionaria se sitúa dentro de una columna. Según el fluido empleado como fase móvil se distinguen: Cromatografía de líquidos. Cromatografía de gases. Cromatografía de fluidos supercríticos.
Tipos Cromatografía en papel Cromatografía en capa fina Cromatografía de gases Cromatografía líquida en fase reversa
Fase móvil
Fase estacionaria
Líquido
Papel de celulosa.
Líquido
Gel de sílice o alúmina. Columnas capilares de sílice fundida, con recubrimientos inter nos de varios
Gas
tipos de siloxanos enlazados, columnas empaquetadas con tierras diatomeas hechas de tubos de vidrio o metal.
Líquido (polar)
Cromatografía
Líquido
líquida
(menos
en fase normal
polar)
Relleno de siloxano de octilo o siloxano de octadecilo.
Relleno de sílice, alúmina o un soporte al que se unen químicamente grupos polares (ciano, amino, etc).
Cromatografía líquida
Líquido
de intercambio
(polar)
Resinas de intercambio iónico.
iónico Cromatografía líquida
Líquido
de exclusión
Relleno de pequeñas partículas de sílice o políme ros con red de poros uniforme.
Cromatografía líquida
Líquido
Partículas finamente divididas de sílice o de alúmina.
de adsorción Cromatografía de fluidos supercríticos
Líquido
Columnas abiertas de sílice fundida con recubrimientos internos de varios tipos de siloxanos enlazados y de enlaces cruzados.
Fase móvil es la fase que se mueve en una dirección definida. Puede ser un líquido (cromatografía de líquidos o CEC). Un gas (cromatografía de gases) o un fluido supercrítico (cromatografía de fluidos supercríticos). La muestra que está siendo separada/analizada (formada de analito/s y el disolvente) se inyecta en la fase móvil que se mueve a través de la columna. En el caso de la cromatografía líquida de alta resolución, HPLC, la fase móvil es un disolvente no-polar como el hexano (fase normal) o bien algún disolvente polar (cromatografía de fase reversa). Fase estacionaria es la sustancia que está fija en una posición durante la cromatografía. Un ejemplo es la capa de gel de sílice en la cromatografía en capa fina.
2- ¿Qué es la recristalización?
Los productos sólidos que se obtienen en una reacción suelen estará acompañados de impurezas que hay que eliminar para poder disponer del p r o d u c t o d e s e a d o e n e l mayor grado de pureza posible. El método más adecuado para la eliminación de las impurezas que contamina un sólido es por cristalizaciones sucesivas bien en un disolvente puro, o bie n en una mezcla de disolventes. Al procedimiento se le da el nombre genérico de recristalización .La técnica comprende los siguientes pasos: • Disolución del material impuro en una cantidad mínima de solvente • Filtración de la solución caliente, después de añadir un adsorbente, para eliminar las impurezas
insolubles. • Enfriamiento de la solución y recolección de los cristales. • Lavado de los cristales con solvente frío para remover el líquido madre. • Secado de los cristales puros.
Y se continúa con el mismo proceso hasta que se logre purificar la muestra en estudio pura que se desea obtener. 3- ¿Qué son las aguas madres?¿Qué utilidad le daría usted?
Reciben el nombre de aguas madres las soluciones que contienen quedan luego de la precipitación, son el residuo de una solución salina que se ha hecho cristalizar. Una vez filtradas, las aguas madre pueden recuperarse y podemos esperar la cristalización de si se elimina parcialmente el disolvente. En este caso hay que tener en cuenta que la proporción entre el producto que queremos cristalizar y las impurezas ha variado y por tanto aumenta la probabilidad de que también precipite alguna impureza. La pureza de los cristales obtenidos se puede comprobar mediante el punto de fusión o por cromatografía de capa fina; además, puede compararse el resultado obtenido con el de una cromatografía en capa fina de las aguas madre. Podemos darle otra utilidad purificando estas aguas para poder reutilizarla. 4. ¿Qué tipos de cristales existen?¿Qué parámetros influyen en su formación?
Tipos de cristales: Cristales Sólidos: Estos se diferencian de los sólidos amorfos porque su estructura es prácticamenteinsuperable en cuanto a superiodicidad. En general, se presenta en forma de agregado de pequeños cristales(o poli cristalinos) como en el hielo, la rocas muy duras, los ladrillos, el hormigón, los plásticos, los metales muy proporcionales, los huesos, etc., o mal cristalizados como las fibras de madera corridas.
Cristales Líquidos: Los cristales líquidos son sustancias que comparten características de los líquidos y los sólidos. En un líquido, todas las moléculas pululan de forma desordenada y sin una posición fija. Por otra parte, en un sólido las moléculas se encuentran pegadas unas a otras deforma rígida, pero siguiendo algún patrón en el que se encuentra ordenadas. Su formación está influenciada por la forma alargada y de sus moléculas de sus componentes. Cristales Iónicos: Gracias a las fuerzas de electroestática es posible unir los iones negativos y positivos para conformar este tipo de cristales. Al no poseer electrones libres resultan pésimos conductores de electricidad y calor. Sólo los iones comienzan a movilizarse y ser conductores de electricidad cuando el cristal es calentado. Cloruro de Potasio (KCl)
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Cristales Covalentes: Los átomos de los cristales covalentes se mantienen unidos en una red tridimensional únicamente por enlaces covalentes. Este tipo de cristal son extremadamente duros y difíciles de deformar, y son malos conductores del calor y por lo tanto de la electricidad (ya que sabemos que el calor y la conductividad tienen una relación directa) ya que no existen electrones libres que trasladen energía de un punto a otro. Un ejemplo típico de este tipo de cristal es el Diamante. Diamante
Cristales Moleculares: Son sustancias cuyas moléculas son no polares, la característica fundamental de este tipo de cristal es que las moléculas están unidas por las denominadas fuerzas de Van der Waals; estas fuerzas son muy débiles y correspondes a fuerzas de dipolos eléctricos. Su conductividad es nula; es decir no son conductores ni del calor y la electricidad y son bastante deformables.
Cristales Metálicos: La estructura resulta muy sencilla ya que cada uno de los puntos del cristal es reemplazado por átomos que pertenezcan a un metal igual. En sus capas externas, está dotado por algunoselectrones que no están unidos de forma muy resistente. Resulta un conductor de calor y electricidad muy bueno gracias a los electrones libres que posee. Pirita
+++++++++++++++++++++++++++++++ BIBLIOGRAFIA .Germán Fernández.. (2015). Recritalización. 2015, de Copyright ©2005-2015 Sitio web: http://www.quimicaorganica.net/recritalizacion.html
.http://ocw.unizar.es/ocw/ciencias-experimentales/tecnicas-basicas-de-laboratorioquimico/teoria/Recristalizacion_teoria.pdf .ROMINA TORRES. (2013). QUÍMICA ORGÁNICA GUÍA DE TRABAJOS PRÁCTICOS. 03/10/2015, de ESCUELA TÉCNICA ORT Sitio web:
file:///C:/Users/usuario/Downloads/guia%20tp%202013.pdf .Gran Enciclopedia TIME LIFE. Tomo 3 de Química Orgánica. Dirección editorial SACRAMENTO NIETO .Enciclopedia Escolar Temática. Tomo 8 Química y Física. Dirección General Luis Molina Iglesias. Edición Grafitecnica LTDA 2008. Editorial REYMO
6.ANEXOS
