"Año del Diál Diáloo o Rec Reconci onciliac liación ión Naci Nacional onal" "
Facultad de Ciencias Farmacéuticas y Bioquímica. Curso: Química Orgánica Tema: MÉTODOS DE EXTRACCIÓN DE COMPUESTOS ORGÁNICOS Profesor : MILLA FLORES, FELIX HUGO A lumnos : Angelo Brando Mayor Miranda, Chávez Moran Keren Joyce, Puchoc Quispe Sayuri Yasumi, Flor de María María
Mercedes Huayta S ecc ión : 1ª Ciclo: IV
Turno: Mañana
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Dedicamos este trabajo a: A nuestros padres por mostrarnos el camino hacia la superación y enseñarnos los valores correctos del esfuerzo y la dedicación para realizar nuestro presente trabajo
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27/04/2018
Dedicamos este trabajo a: A nuestros padres por mostrarnos el camino hacia la superación y enseñarnos los valores correctos del esfuerzo y la dedicación para realizar nuestro presente trabajo
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INDICE
INTRUDUCCIÓN……………………………………………………………………..…… . (1) OBJETVOS……………………………………………………………………………………
. (2)
MARCO TEÓRICO…………………………………………..……………………………. (3) PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL………………………………………………… (4) RESULTADOS…………………………………………………………………………………
(5)
Conclusiones……………………………………………………………………………. (6) BIBLIOGRAFÍA…………………………………………….……….. (7)
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INDICE
INTRUDUCCIÓN……………………………………………………………………..…… . (1) OBJETVOS……………………………………………………………………………………
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MARCO TEÓRICO…………………………………………..……………………………. (3) PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL………………………………………………… (4) RESULTADOS…………………………………………………………………………………
(5)
Conclusiones……………………………………………………………………………. (6) BIBLIOGRAFÍA…………………………………………….……….. (7)
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INTRODUCCIÓN La extracción es la técnica más empleada para separar un producto orgánico de una mezcla o de una fuente natural, también puede definirse como la separación de un componente de una mezcla por medio de un disolvente. Este método permite separar el producto que se desea y dejar en la mezcla los productos secundarios o bien extrae los productos secundarios y dejar el principal. Para lo cual hay que tener en cuenta la regla de solubili dad que dice “Lo seme jante disuelve a los semejante”, es decir que los solutos polares solo pueden disolverse en solventes polares y los no polares en solventes no polares. Los métodos de extracción pueden ser de dos tipos: Extracción Discontinua y Continua. Extracción Discontinua; también denominada Extracción Líquido – Líquido, Consiste en la transferencia de una sustancia de una fase a otra, llevándose a cabo entre dos líquidos i nmiscibles. Las dos fases líquidas de una extracción son la Fase Acuosa y la Fase Orgánica. En este caso el componente se encuentra disuelto en un disolvente A (generalmente agua) y para extraerlo se utiliza un disolvente B (un solvente orgánico como éter etílico, benceno, etc.) los que son inmiscibles entre sí. Los disolventes A y B se agitan en un embudo de separación y se deja reposar hasta que se separen las dos fases o capas, permitiendo que el compuesto presente se distribuya en las capas de acuerdo a sus Solubilidades Relativas. Extracción Continua; también denominada Extracción Sólido – Líquido, consiste en la separación de uno o más componentes de una mezcla sólida mediante un disolvente líquido. Tiene lugar en dos etapas, existe un contacto del disolvente con el sólido que cede el componente soluble (soluto) al disolvente. Este proceso puede llevarse a cabo a temperatura ambiente (precolación) o en caliente, en este caso a fin de evitar la pérdida de disolvente, suele realizarse una ebullición a reflujo. En la segunda parte hay una separación de la disolución del resto del sólido. Una vez que se ha saturado el disolvente, se separa del sólido que queda, normalmente por filtración.
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INTRODUCCIÓN La extracción es la técnica más empleada para separar un producto orgánico de una mezcla o de una fuente natural, también puede definirse como la separación de un componente de una mezcla por medio de un disolvente. Este método permite separar el producto que se desea y dejar en la mezcla los productos secundarios o bien extrae los productos secundarios y dejar el principal. Para lo cual hay que tener en cuenta la regla de solubili dad que dice “Lo seme jante disuelve a los semejante”, es decir que los solutos polares solo pueden disolverse en solventes polares y los no polares en solventes no polares. Los métodos de extracción pueden ser de dos tipos: Extracción Discontinua y Continua. Extracción Discontinua; también denominada Extracción Líquido – Líquido, Consiste en la transferencia de una sustancia de una fase a otra, llevándose a cabo entre dos líquidos i nmiscibles. Las dos fases líquidas de una extracción son la Fase Acuosa y la Fase Orgánica. En este caso el componente se encuentra disuelto en un disolvente A (generalmente agua) y para extraerlo se utiliza un disolvente B (un solvente orgánico como éter etílico, benceno, etc.) los que son inmiscibles entre sí. Los disolventes A y B se agitan en un embudo de separación y se deja reposar hasta que se separen las dos fases o capas, permitiendo que el compuesto presente se distribuya en las capas de acuerdo a sus Solubilidades Relativas. Extracción Continua; también denominada Extracción Sólido – Líquido, consiste en la separación de uno o más componentes de una mezcla sólida mediante un disolvente líquido. Tiene lugar en dos etapas, existe un contacto del disolvente con el sólido que cede el componente soluble (soluto) al disolvente. Este proceso puede llevarse a cabo a temperatura ambiente (precolación) o en caliente, en este caso a fin de evitar la pérdida de disolvente, suele realizarse una ebullición a reflujo. En la segunda parte hay una separación de la disolución del resto del sólido. Una vez que se ha saturado el disolvente, se separa del sólido que queda, normalmente por filtración.
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OBJETVOS - El proceso de extracción por solventes (SX), se incorpora como parte de un sistema integral de recuperación de hidrometalurgia. En la mayoría de los casos, al integrar el proceso de SX en un círculo metalúrgico se busca cumplir los siguientes objetivos: -La separación y purificación de uno o más metales de interés de las soluciones que los contienen, las que suelen tener impurezas. -La separación consiste en extraer el o los metales deseados desde soluciones o a la inversa, extraer las impurezas de la solución, dejando el o los metales deseados en ella. -Concentración de los metales disueltos para disminuir los volúmenes a procesar y así reducir los costos del proceso siguiente (EW para el caso del cobre). -Transferencia de los metales disueltos desde una solución acuosa compleja a otra solución acuosa diferente, que simplifique el proceso siguiente.
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OBJETVOS - El proceso de extracción por solventes (SX), se incorpora como parte de un sistema integral de recuperación de hidrometalurgia. En la mayoría de los casos, al integrar el proceso de SX en un círculo metalúrgico se busca cumplir los siguientes objetivos: -La separación y purificación de uno o más metales de interés de las soluciones que los contienen, las que suelen tener impurezas. -La separación consiste en extraer el o los metales deseados desde soluciones o a la inversa, extraer las impurezas de la solución, dejando el o los metales deseados en ella. -Concentración de los metales disueltos para disminuir los volúmenes a procesar y así reducir los costos del proceso siguiente (EW para el caso del cobre). -Transferencia de los metales disueltos desde una solución acuosa compleja a otra solución acuosa diferente, que simplifique el proceso siguiente.
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MARCO TEÓRICO EXTRACCIÓN CON DISOLVENTES ORGÁNICOS Se busca cumplir al menos uno, muchas veces dos y ocasionalmente tres objetivos:
-
Concentración de los metales disueltos con el objetivo de disminuir los volúmenes a procesar y así reducir los
costos para el proceso siguiente.
-
Transferencia de los metales disueltos , desde una solución acuosa compleja a otra solución acuosa diferente,
que simplifique el proceso siguiente.
-
La s eparación y puri ficación de uno o más metales de interés, desde las soluciones que los contienen, que suelen tener impurezas. La separación consiste ya sea en extraer él o los metales deseados desde las soluciones, o a la inversa, extraer las impurezas de la solución, dejando él o los metales deseado en ella.
FUNDAMENTO TEORICO DE LA EXTRACCION POR DISOLVENTE
líquidas.
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La extracción con disolventes es una operación de transferencia de masas en un sistema de dos fases
MARCO TEÓRICO EXTRACCIÓN CON DISOLVENTES ORGÁNICOS Se busca cumplir al menos uno, muchas veces dos y ocasionalmente tres objetivos:
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Concentración de los metales disueltos con el objetivo de disminuir los volúmenes a procesar y así reducir los
costos para el proceso siguiente.
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Transferencia de los metales disueltos , desde una solución acuosa compleja a otra solución acuosa diferente,
que simplifique el proceso siguiente.
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La s eparación y puri ficación de uno o más metales de interés, desde las soluciones que los contienen, que suelen tener impurezas. La separación consiste ya sea en extraer él o los metales deseados desde las soluciones, o a la inversa, extraer las impurezas de la solución, dejando él o los metales deseado en ella.
FUNDAMENTO TEORICO DE LA EXTRACCION POR DISOLVENTE
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La extracción con disolventes es una operación de transferencia de masas en un sistema de dos fases
líquidas.
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Se basa en el principio por el cual un soluto (ión metálico) puede distribuirse en cierta proporción entre dos disolventes inmiscibles, uno de los cuales es usualmente agua y el otro un disolvente orgánico como benceno, keroseno, cloroformo o cualquier otro que sea inmiscible en el agua -
La cinética de la extracción con di solventes es generalmente MUY RÁPIDA.
El requisito fundamental para poder beneficiarnos de esta ventaja es lograr un buen contacto entre ambas fases. Para ello es necesario realizar la mezcla con una agitación intensa. Pero debe tenerse cuidado, ya que si nos pasamos el tamaño de gota puede ser muy pequeño y podríamos llegar a perder mucho disolvente mezclado con la fase acuosa. De hecho esta es una de las causas había cual s de bajo rendimiento de este tipo de procesos
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Se basa en el principio por el cual un soluto (ión metálico) puede distribuirse en cierta proporción entre dos disolventes inmiscibles, uno de los cuales es usualmente agua y el otro un disolvente orgánico como benceno, keroseno, cloroformo o cualquier otro que sea inmiscible en el agua
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La cinética de la extracción con di solventes es generalmente MUY RÁPIDA.
El requisito fundamental para poder beneficiarnos de esta ventaja es lograr un buen contacto entre ambas fases. Para ello es necesario realizar la mezcla con una agitación intensa. Pero debe tenerse cuidado, ya que si nos pasamos el tamaño de gota puede ser muy pequeño y podríamos llegar a perder mucho disolvente mezclado con la fase acuosa. De hecho esta es una de las causas había cual s de bajo rendimiento de este tipo de procesos
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EL COEFICIENTE DE REPARTO Para que la extracción del metal tenga lugar mediante el disolvente es necesario que el coeficiente de reparto del metal entre ambas fases sea favorable para el disolvente: Cuando tenemos dos fases con un soluto común en ambas, el soluto se reparte entre ellas de acuerdo a una cte. denominada coeficiente de reparto.
E l coefici ente de reparto es la relación entre la concentración del metal en ambas fases. Este coeficiente, además de la naturaleza de las fases y del soluto depende también de la temperatura.
E = [M]o / [M]a Coeficiente de reparto
Los coeficientes de reparto de muchos metales en muchos disolventes y en fase acuosa se conocen y están tabulados
EL FACTOR DE SEPARACIÓN Como en el lixiviado tenemos mas de un metal. La relación entre los coeficientes de reparto de ambos metales con el disolvente orgánico seleccionado se conoce como Factor de Separación. Factor de separación
α
= EM1 / EM 2
EL COEFICIENTE DE REPARTO Para que la extracción del metal tenga lugar mediante el disolvente es necesario que el coeficiente de reparto del metal entre ambas fases sea favorable para el disolvente: Cuando tenemos dos fases con un soluto común en ambas, el soluto se reparte entre ellas de acuerdo a una cte. denominada coeficiente de reparto.
E l coefici ente de reparto es la relación entre la concentración del metal en ambas fases. Este coeficiente, además de la naturaleza de las fases y del soluto depende también de la temperatura.
E = [M]o / [M]a Coeficiente de reparto
Los coeficientes de reparto de muchos metales en muchos disolventes y en fase acuosa se conocen y están tabulados
EL FACTOR DE SEPARACIÓN Como en el lixiviado tenemos mas de un metal. La relación entre los coeficientes de reparto de ambos metales con el disolvente orgánico seleccionado se conoce como Factor de Separación. Factor de separación
α
= EM1 / EM 2
Si el factor de separación es inferior a 2, ambos metales no pueden ser eficazmente separados mediante el disolvente elegido.
A pesar de la rápida cinética, la eficiencia de la extracción en la purificación, es decir, en la separación de dos metales presentes en el lixiviado, depende del factor de separación, α, y del volumen necesario de disolvente orgánico en comparación con el volumen de lixiviado. Dicho de otro modo, que por muy rápida que sea la cinética, e incluso si el factor de separación es muy bueno, si el volumen de fase orgánica necesario para extraer el metal es muy grande, el proceso va a ser poco eficiente. Vamos a ver de manera somera los parámetros n que se basa la extracción
A pesar de la rápida cinética, la eficiencia de la extracción en la purificación, es decir, en la separación de dos metales presentes en el lixiviado, depende del factor de separación, α, y del volumen necesario de disolvente orgánico en comparación con el volumen de lixiviado. Dicho de otro modo, que por muy rápida que sea la cinética, e incluso si el factor de separación es muy bueno, si el volumen de fase orgánica necesario para extraer el metal es muy grande, el proceso va a ser poco eficiente. Vamos a ver de manera somera los parámetros n que se basa la extracción
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La planta SX recibe la solución rica generada en la etapa de lixiviación en pilas de minerales de cobre. Esta solución se caracteriza por tener una baja concentración de cobre disuelto, junto con impurezas como el Fe, Cl, Al, Mn, Mg, Na y otros disueltos durante el proceso. El objetivo del proceso SX es extraer selectivamente el cobre contenido en esta solución rica impura, mediante intercambio iónico entre la fase acuosa (solución rica) y el reactivo orgánico. Este reactivo es capaz de descargar el cobre en una etapa posterior del proceso a una solución de alta pureza y concentración de cobre y ácido, formando un electrolito apto para ser electro depositado en el sector EW.
Extracción La solución rica proveniente de las pilas es mezclada con la fase orgánica (orgánico descargado), para extraer SELECTIVAMENTE el cobre obteniendo una solución pobre en cobre, llamada refino, que es reciclada a la etapa de lixiviación en pilas. Se obtiene en esta etapa una fase orgánica cargada, que es avanzada a la siguiente etapa. El proceso SX se basa en la siguiente reacción de intercambio iónico que es reversible:
El reactivo orgánico se contacta con la solución acuosa impura de lixiviación y extrae selectivamente desde la fase acuosa los iones de cobre, incorporándolos en la fase orgánica. El ión cúprico reacciona con el extractante formando un
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La planta SX recibe la solución rica generada en la etapa de lixiviación en pilas de minerales de cobre. Esta solución se caracteriza por tener una baja concentración de cobre disuelto, junto con impurezas como el Fe, Cl, Al, Mn, Mg, Na y otros disueltos durante el proceso. El objetivo del proceso SX es extraer selectivamente el cobre contenido en esta solución rica impura, mediante intercambio iónico entre la fase acuosa (solución rica) y el reactivo orgánico. Este reactivo es capaz de descargar el cobre en una etapa posterior del proceso a una solución de alta pureza y concentración de cobre y ácido, formando un electrolito apto para ser electro depositado en el sector EW.
Extracción La solución rica proveniente de las pilas es mezclada con la fase orgánica (orgánico descargado), para extraer SELECTIVAMENTE el cobre obteniendo una solución pobre en cobre, llamada refino, que es reciclada a la etapa de lixiviación en pilas. Se obtiene en esta etapa una fase orgánica cargada, que es avanzada a la siguiente etapa. El proceso SX se basa en la siguiente reacción de intercambio iónico que es reversible:
El reactivo orgánico se contacta con la solución acuosa impura de lixiviación y extrae selectivamente desde la fase acuosa los iones de cobre, incorporándolos en la fase orgánica. El ión cúprico reacciona con el extractante formando un
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compuesto organometálico insoluble en agua, totalmente soluble en el disolvente orgánico (queroseno, ...), con la cual se produce la extracción del cobre desde la fase acuosa a la orgánica. Mediante este mecanismo, cada ion de cobre se intercambia con dos iones de hidrogeno que pasan a la fase acuosa donde, de este modo, se regenera el ácido sulfúrico en una proporción de 1.54 kg de ácido / kg de cobre.
R e extracción El orgánico cargado se pone en contacto con electrolito pobre proveniente del proceso de electro obtención, de alta acidez (150-200 g/l H2SO4). El cobre pasa de la fase orgánica a la fase acuosa, obteniéndose una fase orgánica descargada que se recicla a la etapa de extracción y un electrolito rico que avanza hacia la electro obtención. El mecanismo que opera para que en esta etapa se revierta el proceso de la etapa anterior se debe al efecto del cambio de acidez en la fase acuosa, revertiendo la reacción y generando un electrolito de alta pureza y alta concentración en cobre.
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compuesto organometálico insoluble en agua, totalmente soluble en el disolvente orgánico (queroseno, ...), con la cual se produce la extracción del cobre desde la fase acuosa a la orgánica. Mediante este mecanismo, cada ion de cobre se intercambia con dos iones de hidrogeno que pasan a la fase acuosa donde, de este modo, se regenera el ácido sulfúrico en una proporción de 1.54 kg de ácido / kg de cobre.
R e extracción El orgánico cargado se pone en contacto con electrolito pobre proveniente del proceso de electro obtención, de alta acidez (150-200 g/l H2SO4). El cobre pasa de la fase orgánica a la fase acuosa, obteniéndose una fase orgánica descargada que se recicla a la etapa de extracción y un electrolito rico que avanza hacia la electro obtención. El mecanismo que opera para que en esta etapa se revierta el proceso de la etapa anterior se debe al efecto del cambio de acidez en la fase acuosa, revertiendo la reacción y generando un electrolito de alta pureza y alta concentración en cobre.
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ISOTERMA D EXTRACCIÓN Por tanto, es más eficaz extraer con un mismo volumen en varias etapas, que realizar una única extracción. La isoterma de extracción se determina experimentalmente, realizando experimentos en embudos de decantación, y posterior análisis de las muestras.
Lo que nos interesa es saber cómo realizar la extracción en continuo y contracorriente: Se calcula mediante el diagrama de McCabeThiele.
DIAGRAMA McCABE-THIELE A la isoterma de extracción, mediante un análisis del balance de masas se le une en el mismo gráfico la denominada Recta de operación.
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ISOTERMA D EXTRACCIÓN Por tanto, es más eficaz extraer con un mismo volumen en varias etapas, que realizar una única extracción. La isoterma de extracción se determina experimentalmente, realizando experimentos en embudos de decantación, y posterior análisis de las muestras.
Lo que nos interesa es saber cómo realizar la extracción en continuo y contracorriente: Se calcula mediante el diagrama de McCabeThiele.
DIAGRAMA McCABE-THIELE A la isoterma de extracción, mediante un análisis del balance de masas se le une en el mismo gráfico la denominada Recta de operación.
Esta une los puntos verdes que hemos definido en el diagrama, referidos a las composiciones de partida y finales en ambas fases (acuosa y disolvente).
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Composición de la alimentación de disolvente DIAGRAMA McCABETHIELE Ahora, tenemos una disolución de concentración [M ini] y queremos conocer el número de etapas necesarias para la extracción eficaz en contracorriente....
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DISOLVENTES ORGÁNICOS En el lixiviado el metal se encuentra en forma de catión, es decir un ión Positivo, disuelto en una “sopa” iónica.
Los iones metálicos se encuentran generalmente solvatados: están rodeados de moléculas de agua que se unen por puentes de hidrógeno. Los disolventes para extracción son generalmente orgánicos y de un peso molecular suficientemente grande como para ser inmiscibles con el medio iónico del lixiviado.
El disolvente suele estar formado por tres compuestos: -el diluyente: El diluyente es un compuesto apolar e inmiscible en agua, barato, que sirve para transportar al extractante
-el extractante: El extractante es el compuesto que reaccionará con el metal a extraer.
-los modifi cadores : Los modificadores sirven para evitar la reacción de otros metales con el extractante, o para incrementar la extracción. Son muy importantes
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PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL Materiales y Métodos: -Embudo de decantación
Tubo de prueba
-Solución acuosa de Iodo
Lugol
-Diclorometano
Éter de petróleo
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Extracción simple: En un embudo de decantación depositar 15 mL de solución acuosa de Iodo 1% y adicionar 8 mL. De Bencina. Extraer y separar la fase orgánica hacia un tubo de prueba (1) La fase acuosa transvasar hacia el tubo de prueba (2). Conservar los 2 tubos para compararlos con los tubos que se harán en la múltiple.
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Extracción múltiple: En un embudo de decantación depositar 15 mL de solución acuosa de Iodo y adicionar 4 mL de Bencina. Extraer y separar la fase orgánica hacia un tubo de prueba a la fase acuosa remanente, volver a depositarlo en el embudo de decantación y agregarle otros 4mL de Bencina y volver a extraer, separando la fase organica hacia el tubo de prueba. La fase acuosa transvasar hacia el tubo de prueba.
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RESULTADOS 1. Indicar el peso de ácido benzoico obtenido después de la extracción y el porcentaje recuperado. ¿Cuál es el valor de su punto de fusión medido experimentalmente? 2. Imaginar que se ha llevado a cabo la separación del benzoato sódico en la fase acuosa, pero al añadir HCl hasta pH 2-3 no se observa la formación de precipitado ¿cómo se conseguiría separar dicho ácido de la fase acuosa? Describir detalladamente el procedimiento que se emplearía. 3. Si tenemos 2 g de un compuesto X disueltos en 200 mL de agua y disponemos de 100 mL de diclorometano, ¿cuándo se extraerá más compuesto X, al extraer una vez con los 100 mL de diclorometano, o dos veces con 50 mL de diclorometano cada vez? Demostrarlo cuantitativamente a partir del valor del coeficiente de reparto K del compuesto X en los disolventes indicados K = cdiclorometano/Cagua = 7,8 (c = g/100 mL) 4. ¿Cómo se podría separar por extracción una mezcla de un compuesto ácido A, un compuesto básico B y un tercer compuesto neutro C? Realizar un esquema del procedimiento experimental propuesto.
Conclusiones Como veremos, el yodo es soluble en la solución de tetracloruro de carbono, no así la sal común. Al agitar y luego dejar en reposo, se distinguen claramente las dos fases; en una de ellas, está el yodo soluble en el tetracloruro de carbono, la cual aparece coloreada de violeta. Finalmente, se separan por evaporación de dicho solvente y la posterior cristalización del yodo.
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BIBLIOGRAFÍA 1) Leo, A.; Hansch, C.; Elkins, D. “Partition Coefficients and Their Uses”, Chemical Reviews 1971, 71, 525. 2) Palleros, D. “Liquid-liquid Extraction: Are n Extractions with V/n mL of solvent Really More Effective than One Extrac tion with V mL?”, Journal Chemical Education 1995, 72, 319. 3) Dean, J. A. Lange’s Handbook of Chemistry, 15a ed. Cap. 5. Ed. McGraw-Hill, 1999. 4) Windholz, M. The Merck Index, 10a ed. Ed. Merck & Co., 1983. 5) Martínez Grau, M. A.; Csákÿ, A. G. Técnicas experimentales en síntesis orgánica. Cap. 6. Ed. Síntesis, 1998. 6) Bates R.B. y Schaefer J.P. Técnicas de Investiaación en Química Orgánica, Prentice-Hall internacional. Madrid. 1977. 7) Domínguez X.A. y Domínguez S., X.A., Química Orgánica ExperimentalLimusa-Noriega, México, 1990. 8) Fessenden R.J. and Fessenden J.S. Organic Laboratory Techniques. Brooks/Cole, USA. 1993. 9) Moore J.A. and Dalrymple D.L. Experimental Methods ¡n Organic Chemistry. W. B. Saunders, (USA), 1976. 10) Pavia, D. L., Lamp man, G. M. and Kris, G. S., Introduction to Organic Laboratory Techniques. Saunders College, Fort Worth, 1988. 11) Vogel A.l. Practical Organic Chemistry, 5a ed.. Longman Scientific & Technical. London. 1989. 12) Avib Z. G. et ¿l Química Orgánico. Experimentos con un enfoque ecológico, Dirección General de Publicaciones y Fomento Editorial, UNAM, México, 200'1.
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