UNIVERSIDAD NACIONAL DE COLOMBIA LABORATORIO DE ORGANICA I ‘SEPARACION Y PURIFICACION DE UNA MEZCLA DE ACIDO BENZOICO, NAFTALENO Y ARENA’ Informe No. 5 Presentado a: Profesor Luz Mary Salazar Profesor Auxiliar José Brango Cintia J. Torres Galvis (
[email protected]) 125049 José Aníbal Amaya Pinzón (
[email protected]) 125065
OBJETIVOS
Recuperar los componentes de una mezcla de ácido benzóico, naftaleno y arena en cloroformo en estado sólido. Reconocer el método adecuado para la obtención de cada sustancia, teniendo en cuenta sus propiedades físicas y químicas. Hacer los montajes necesarios para cada método de separación. Utilizar la técnica más apropiada de purificación para el ácido benzóico y naftaleno, obteniendo la sustancia con un alto grado de pureza. Comparar los resultados obtenidos con los reportados en la literatura, utilizando las constantes físicas como parámetro de pureza.
PROCEDIMIENTO SEPARACION
a) Separación de la arena Hacer el montaje mostrado en la Figura 1.
Verter la mezcla en el embudo con el papel filtro
Limpiar el embudo y el recipiente que contenía la muestra con cloroformo para evitar pérdidas
Retirar el papel filtro con la arena y dejar secar
b) Separación del ácido benzóico y del naftaleno
Realizar el montaje mostrado en la Figura 2.
No
Hacer una prueba del buen funcionamiento del embudo de decantación con agua
Agregar la mezcla de ácido benzóico + naftaleno + cloroformo en un embudo de decantación
Agregar tres veces 15 mL de una solución de bicarbonato de sodio al 10% (NaHCO3) agitando cada vez, cuidando de destapar el embudo al acabar la agitación para evitar sobrepresiones
Dejar reposar la mezcla en el embudo de decantación hasta que se observen dos fases
¿El equipo se encuentra en buen estado?
Arreglar los escapes o cambiar el equipo
Sí
Utilizar papel universal para determinar si el pH es básico, es decir, hasta que se torne azul
Recuperar la fase orgánica (Naftaleno + cloroformo)
Llevar al rotavapor (Destilar a presión reducida)
Recuperar la fase acuosa (Benzoato de sodio + Agua)
Agregar ácido clorhídrico (HCl) concentrado y agitar constantemente hasta que acabe la reacción
Pesar el naftaleno y determinar el punto de fusión de la sustancia impura
Abra la llave del embudo de decantación cuidadosamente para recuperar cada una de las fases
Dejar pasar una pequeña cantidad de la fase acuosa sobre la fase orgánica
Retire la fase acuosa en otro vaso de precipitados
Llevar a un baño de hielo
Filtrar al vacío Agregar Cloruro de calcio como agente desecante (CaCl2) para retirar el exceso de agua
Dejar secar el filtrado (ácido benzóico)
PROCEDIMIENTO DE PURIFICACION
a) Purificación del naftaleno por sublimación
Revisar la conexión del vacío y el agua en el dedo frío de sublimación como se muestra en la Figura 3. Utilizar una trampa para proteger la bomba de vacío.
Colocar una pequeña cantidad de la muestra utilizando la microespátula
Raspar con la microespátula del centro del dedo frío el naftaleno puro y determinar su punto de fusión.
b)
Conectar el vacío para comenzar la sublimación e inicie el calentamiento. Desconectar cuando se haya sublimado en su totalidad.
Purificación del ácido benzóico por recristalización
En la plancha de calentamiento calentar el embudo de vástago corto y al mismo tiempo calentar el agua hasta ebullición.
Adicionar al vaso de precipitado que contiene al ácido benzóico el agua caliente y agitar constantemente
Rápidamente hacer la filtración con el embudo caliente en un vaso de precipitado dispuesto en un baño de hielo previamente listo.
Realizar el montaje de la Figura 1. Si la filtración no es rápida, agregar un poco de etanol
Dejar secar el filtrado y determinar el punto de fusión del ácido benzóico puro
Hacer la filtración al vacío. (Asegurarse de proteger la bomba). Figura 4.
Para quitar el color amarillento de la solución y retirar algunas impurezas, agregar una pequeña cantidad de carbón activado con la microespátula.
MONTAJES
Figura 1. Filtración simple
Figura 2. Embudo de decantación
Figura 3. Sublimación
Figura 4. Filtración al vacío
Figura Anexa: Rotavapor
METODO DE EXTRACCION CONTINUA EN CALIENTE
a) Extracción continua sólido-líquido La extracción sólido-líquido se utiliza frecuentemente para extraer un producto sólido de una fuente natural, como una planta. Se escoge un solvente que disuelva selectivamente el compuesto deseado, dejando atrás el sólido insoluble. El sólido se coloca en un dedal de papel filtro u otro material similar. Se utiliza un solvente de bajo punto de ebullición como el dietil éter, y este se coloca en el balón de destilación y se calienta hasta que se observe reflujo. El vapor sube por el brazo izquierdo del condensador donde se licúa. El condensado gotea en el dedal que contiene el sólido. El solvente caliente empieza a llenar el dedal y extrae el compuesto deseado del sólido. Una vez el dedal se llena del solvente, el brazo de la derecha actúa como un sifón, y el solvente, que contiene el compuesto deseado se devuelve al balón de destilación. Este proceso se repite muchas veces concentrando el producto deseado en el balón de destilación. Esto sucede porque el producto tiene un punto de ebullición mayor al del solvente pues es un sólido.1 (Figura 5)
b) Extracción continua líquido-líquido Cuando un producto es muy soluble en agua se tiene un coeficiente de distribución desfavorable. Es por esto que se necesita extraer la solución acuosa varias veces con tandas frescas de un solvente orgánico inmiscible para retirar el producto deseado del agua. Esta técnica involucra el uso de un aparato de extracción continua líquido-líquido. En el caso donde el solvente es menos denso que el agua, la fase acuosa se coloca en el extractor que se llena con el solvente hasta el brazo lateral. El balón de destilación se encuentra parcialmente lleno con el solvente. El solvente se calienta hasta reflujo en el balón y el vapor se licúa en el condensador con agua fría. El solvente gotea en el tubo central y fluye a través de la fase acuosa. El solvente extrae el compuesto deseado y el solvente se recicla en el balón de destilación. En el caso en que el solvente es más denso que el agua, se utiliza otro montaje con una salida en la parte inferior del tubo. Esto hace que el solvente vaya al balón de destilación para evaporarse nuevamente e ir arrastrando la sustancia deseada2. (Figura 5)
1 ,2
Pavia; Kriz; Lampman; Engel; ‘Introduction to laboratory techniques’, 1998, Harcourt Brance & Company, Pág 702, 703,704.
Figura 5. Montajes para extracción continua en caliente
DATOS
Ácido benzoico Naftaleno Arena Cloroformo
Pto. De ebullición. (ºC)
Pto. De Fusión. (ºC)
Densidad (g/ ml.)-20°C
249 218 2900 61.17
122.35 80.26 1414 -63.41
1.2659 1.0253 2.5 1.4788
2.9 0,3 0,0 0,8
Tabla 1. “Constantes físicas de cada uno de los componentes de la mezcla”3
Peso del vidrio de reloj (g) Peso del vidrio de reloj mas arena (g) Peso del vaso de precipitados(g) Peso vaso de precipitados más ácido benzoico(g) Peso del vaso de precipitados(g) 3
th
CRC Handbook of chemistry and physics. 87 ed.(2006-2007)
Solubilidad en agua g/L ºC
36.821 37.635 18.066 18.376 19.472
25 25 --20
Peso del vaso de precipitados mas el naftaleno(g) 20.015
Tabla 2. Datos de la separación de la mezcla
Compuesto Peso del vidrio de reloj(g) Peso del vidrio de reloj + ácido benzoico(g) Punto de fusión de la muestra impura(°C) Punto de fusión de la muestra pura (°C)
Naftaleno --------------74-78 79 79
Ácido benzoico 36.815 36.900 N/A 121-122
Tabla 3. Datos de la purificación del naftaleno y del ácido benzoico.
CALCULOS
a) Cálculos para hallar los pesos de los componentes separados de la mezcla: Peso de la arena = Peso del vidrio de reloj mas arena - Peso del vidrio de reloj Peso de la arena = 37.635g - 36.821g = 0.814g Peso del naftaleno= Peso del vaso de precipitados mas el naftaleno - Peso del vaso de precipitados Peso del naftaleno=20.015g - 19.472g= 0.543g
Peso del ácido benzoico = Peso del vaso de precipitados mas el ácido bezoico - Peso del vaso de precipitados Peso del ácido benzoico=18.376g-18.066g= 0.310g b) Cálculo para hallar el peso del ácido benzoico purificado:
Peso Ácido benzoico = 36.900g - 36.815g=0.085g c) Cálculo para hallar el rendimiento de la purificación por recristalización del ácido benzoico:
%Rendimiento =
%Rendimiento=
= 27.4%
d) Cálculo para hallar el rango del punto de fusión de las sustancias ∆ Punto de fusión del naftaleno impuro= Punto de fusión final – Punto de fusión inicial ∆ Punto de fusión del naftaleno impuro = 78°C - 74°C = 4°C ∆ Punto de fusión del naftaleno puro= Punto de fusión final – Punto de fusión inicial
∆ Punto de fusión del naftaleno puro=79°C -79°C =0°C
∆ Punto de fusión del ácido benzoico puro= Punto de fusión final – Punto de fusión inicial ∆ Punto de fusión del ácido benzoico=122°C -121°C =1°C e) Cálculo del error del punto de fusión de las sustancias purificadas. Naftaleno Error absoluto =| Dato observado – Dato de literatura| Error absoluto =| 79 – 80.26|=1.26
%error=
%error=
= 1.57%
Ácido benzoico Error absoluto =| Dato observado – Dato de literatura| Error absoluto =| 122 – 122.35|= 0.35
%error=
%error=
RESULTADOS Y DISCUSION DE RESULTADOS
= 0.28%
Sustancia Peso de la sustancia separada de la mezcla(g) Peso de la sustancia purificada(g) Rango del punto de fusión(°C) % Rendimiento de la purificación % de error del punto de fusión
Naftaleno 0.543 N/A 0 N/A 1.57%
Ácido Benzoico 0.310 0.085 1 27.4% 0.28%
Arena 0.814 N/A N/A N/A N/A
Tabla 4. Resultados de la práctica
Se realizó la filtración simple de la muestra. Para esto se utilizó un embudo y papel filtro. Al momento de realizar este paso se perdió parte de la muestra debido a un error personal. Luego, se utilizó más disolvente (cloroformo) para obtener la muestra que queda en el filtrado y adherida a las paredes del vaso. Se tomó el filtrado y se dejó secar. De allí se obtuvieron El remanente, el cual contenía el ácido benzoico y el naftaleno, se colocó en un embudo de decantación. Se agregó NaHCO3 al remanente (hasta que el papel universal cambió a azul), el cual reaccionó con el ácido benzoico, con la ecuación: NaHCO3 + C6H5COOH
C6H5COONa + H2O + CO2(g)
Se puede observar que se produce CO2 gaseoso, por lo cual se debía tener la precaución de destapar el embudo continuamente para evitar sobrepresiones. Se dejó reposar la mezcla en el embudo de decantación hasta que se observaron dos fases claramente delimitadas. Una de estas fases (la fase orgánica) correspondía al Naftaleno + Cloroformo, mientras que la fase acuosa estaba compuesta de agua y una sal (Benzoato de sodio) soluble en ella. Luego se abrió la llave del embudo para obtener la fase orgánica. Se pudo identificar que esta fase era la de la parte inferior del embudo pues el cloroformo tiene una densidad de 1.4788 a 20°C, es decir, es más denso que el agua. Se dejó pasar un poco de la fase acuosa sobre la fase orgánica, la que después fue retirada con Cloruro de calcio (CaCl2) como agente desecante. Este se agregó y se agitó constantemente hasta que ya no se observó que la fase orgánica se encontrara turbia. Una vez seca se llevó esta fase al rotavapor, donde se obtuvo el naftaleno libre del solvente. De esta operación se obtuvieron 0,543g de Naftaleno como se reporta en la Tabla 4 de resultados. Ya que se necesitaba obtener el ácido benzoico y no el benzoato de sodio, fue necesario hacer reaccionar la fase acuosa con HCl concentrado para devolver el protón perdido en la primera reacción y así obtener nuevamente el ácido. Esto corresponde a la ecuación: C6H5COONa
+
HCl
C6H5COOH +
NaCl
Se hizo una filtración al vacío para obtener el ácido benzóico. Una vez fue recuperado se procedió a hacer la purificación de las sustancias.
Para la purificación del naftaleno, se utilizó el método de la sublimación, pues al tener una estructura bicíclica simétrica, el momento dipolar se hace pequeño4, haciendo que la presión de vapor sea lo suficientemente alta para sublimarse fácilmente. Se conectaron las líneas de agua y de vacío al dedo frío de sublimación, se inició el calentamiento y en pocos minutos se obtuvo el naftaleno purificado. Se hicieron dos sublimaciones de purificación de naftaleno, en las cuales resultaron ser idénticas en su punto de fusión (79°C) el cual fue medido con ayuda de un fusiómetro. Para la purificación del ácido benzóico se utilizó el método de recristalización5 aprovechando el comportamiento de solubilidad del ácido en agua. Este ácido es poco soluble en agua fría pero muy soluble en agua caliente (Tabla 1). La filtración en caliente no fue lo suficientemente rápida, por lo que fue necesario adicionar etanol. Además se observó un color amarillento en la fase acuosa, por lo que se utilizó carbón activado, el cual logró limpiar algunas impurezas. Luego se realizó una filtración al vacío y se recuperó el ácido benzóico. Se midió con ayuda de un fusiómetro el punto de fusión de la sustancia obtenida resultando esta de 122°C. Ya que se obtuvieron porcentajes de error bajos (1,57% Naftaleno y 0,28% Acido benzoico) se puede decir que se obtuvo una buena purificación de las sustancias. En cuanto a la separación, se pueden predecir pérdidas de masa de la muestra original a partir del error personal de la filtración simple y del uso de los diferentes recipientes de vidrio, pues a pesar que se intentó perder lo menos posible, era difícil recuperar las sustancias adheridas a la superficie del vidrio.
CONCLUSIONES Para separar y purificar una sustancia es necesario conocer sus propiedades físicas y químicas y así utilizar el método más adecuado. En este caso gracias a las propiedades químicas del ácido benzoico fue posible hacerlo reaccionar con una base para formar una sal y así hacerlo más soluble en agua, separándolo así del naftaleno ya que este no es polar y por lo tanto no es soluble en agua. Al dividirse la mezcla en dos fases, una polar y una orgánica, fue posible, con un embudo de decantación, separarlas, obteniendo en cada una un componente de la mezcla. El ácido benzoico es casi insoluble en agua fria, pero soluble en agua caliente, por esto se escogió la recristalización como método de purificación de esta sustancia. Para lograr una buena purificación es necesario hacer la filtración en caliente rápidamente para no perder muestra. Además se debe tener cuidado de no agregar más agua de la necesaria para solubilizar el ácido, ya que si esto sucede, la solución no estará saturada y el ácido no recristalizará. Durante la sublimación del naftaleno, es recomendable no calentar con llama directa por mucho tiempo, ya que la muestra se puede descomponer.
4
Pavia; Kriz; Lampman; Engel; ‘Introduction to laboratory techniques’, 1998, Harcourt Brance & Company, Pág 825. 5 Germán Moreno Morales. Guías de laboratorio de Química Orgánica I. Pag 27.
Ya que se obtuvieron porcentajes de error bajos (1,57% Naftaleno y 0,28% Acido benzoico) se puede decir que se obtuvo una buena purificación de las sustancias. En cuanto a la separación, se pueden predecir pérdidas de masa de la muestra original a partir del error personal de la filtración simple y del uso de los diferentes recipientes de vidrio, pues a pesar que se intentó perder lo menos posible, era difícil recuperar las sustancias adheridas a la superficie del vidrio. Una forma de mejorar el rendimiento es utilizar la menor cantidad de recipientes posible, ya que en cada cambio de recipiente se pierde parte de la muestra.
BIBLIOGRAFIA ,2,4
Pavia; Kriz; Lampman; Engel; ‘Introduction to laboratory techniques’, 1998, Harcourt Brance & Company, Pág 702, 703,704. 3 CRC Handbook of chemistry and physics. 87th ed.(2006-2007) Germán Moreno Morales. Guías de laboratorio de Química Orgánica I. Pag 27.
