Barrios Rodríguez Sofía Laboratorio Química Orgánica I Grupo: 8 Pruebas de Solubilidad en disolventes orgánicos: Cristalización Simple
Antecedentes 1) Encontrar el disolvente ideal: a) Solubilidad como fenómeno físico.
La disolución de un sólido supone la ruptura de los enlaces de la red cristalina y la consiguiente disgregación de sus componentes en el seno del líquido. Para que esto sea posible es necesario que se produzca una interacción de las moléculas del disolvente con las del soluto, que recibe el nombre genérico de solvatación. Cuando una sustancia sólida se sumerge en un disolvente apropiado, las moléculas (o iones) situadas en la superficie del sólido son rodeadas por las del disolvente; este proceso lleva consigo la liberación de una cierta cantidad de energía que se cede en parte a la red cristalina y permite a algunas de sus partículas componentes desprenderse de ella e incorporarse a la disolución. La repetición de este proceso produce, al cabo de un cierto tiempo, la disolución completa del sólido. En algunos casos, la energía liberada en el proceso de solvatación no es suficiente como para romper los enlaces en el cristal y, además, intercalar sus moléculas (o iones) entre las del disolvente, en contra de las fuerzas moleculares de éste. b) Relación entre solubilidad y estructura molecular.
La solubilidad depende de la estructura molecular del soluto y del solvente. Cuando las fuerzas que interactúan entre las entidades elementales del soluto y el disolvente por separado, no difieren mucho, se favorece el establecimiento de interacciones entre las entidades elementales del soluto y el disolvente y por lo tanto la solubilidad del soluto en el disolvente. Existe una regla: “lo semejante disuelve lo semejante” Los solutos polares
se disuelven generalmente en disolventes polares y los poco polares en disolventes apolares. c) Disolventes orgánicos.
Ácidos orgánicos (ácido acético), amidas, alcoholes (metanol, etanol), aminas (trietilamina), Aldehídos, cetonas (acetona), ésteres (acetato de etilo), Halogenuros (CHCL3, CH2CL2, CCL4), éteres (éter dietílico), aromáticos (benceno, tolueno), alcanos (Hexano, éter de petróleo). d) Propiedades físicas de los disolventes.
- Alcoholes (ROH).- Son compuestos de punto de ebullición relativamente elevados, son bastante solubles en agua. El grupo funcional de los alcoholes es polar. - Éteres (R-O-R).- Poseen puntos de ebullición de entre (-12 3°C- 258°C) y puntos de fusión en un intervalo de aproximadamente (-139°C- (-27°C)). - Halogenuros.- Son líquidos insolubles en agua. Sus puntos de ebullición varían entre (-24°C- 188° C), sus puntos de fusión varían entre 154°C- (-23°C)). - Aldehídos, Centonas.- Sus puntos de fusión varían entre 121°C- 48°C), sus puntos de ebullición varían entre (21°C- 306°C). - Ácidos carboxílicos.- Los de peso molecular bajo son solubles en agua. Sus puntos de fusión varían entre (-46°C210°C) sus puntos de ebullición varían entre (101°C- 303°C). - Esteres.- Son líquidos volátiles. Sus puntos de fusión varían entre ( -99°C- (-35°C)) y sus puntos de ebullición varían entre (32°C- 215°C). - Amidas.- Las más importantes son solidas o liquidas de elevado punto de ebullición.
- Alcanos.- Son sustancias no polares insolubles en agua y con densidad de menor a 1g/ml a 20°C. Sus puntos de fusión varían entre (-190°C- 37°C), sus puntos de ebullición están entre (-164°C- 343°C) e) Solubilidad, polaridad y orden de polaridad de los disolventes. Polaridad de los disolventes Polaridad decreciente
H20
Agua
RCOOH
Ácidos orgánicos
RCONH2
Amidas
ROH
Alcoholes
RNH2
Aminas
RCOR
Aldehídos, cetonas
RCOOR
Ésteres
R-X
Halogenuros
R-O-R
Éteres
Ar-H
Aromáticos
R-H
Alcanos
f) Solvatación e hidratación.
La solvatación se debe a la unión entre moléculas de soluto y de disolvente. Un factor importante que contribuye a ello es la atracción de una carga por un dipolo. Puesto que en el proceso de solvatación se realiza trabajo electroestático, el sistema pierde energía y se hace más estable. Además cuanto mayor es el momento dipolar del disolvente, mayor seria la atracción entre moléculas de soluto y disolvente, consecuentemente mayor será la estabilidad del sistema. La solvatación también puede deberse a la formación de puentes de hidrógeno entre las moléculas de disolvente (si es prótico) y de soluto (siempre que este pueda formar puentes de hidrógeno) 2) Cristalización: a) Fundamentos de cristalización.
La cristalización está fundamentada en las relaciones de solubilidad soluto-disolvente, por lo tanto el sólido debe presentar un comportamiento de solubilidad adecuado. La solubilidad de los compuestos orgánicos es una función de las polaridades del disolvente y el soluto. La técnica general incluye la disolución del sólido que va a ser cristalizado en un disolvente o mezcla de disolventes calientes a punto de ebullición y posteriormente, al enfriar la solución, cristaliza o precipita como sólido amorfo. A este fenómeno se le llama cristalización si el crecimiento del cristal es relativamente lento y selectivo y se denomina precipitación si el proceso es muy rápido y no selectivo. La cristalización es un proceso de equilibrio de las moléculas en una red cristalina con las moléculas en solución y de este proceso resulta un sólido puro.
b) Selección de disolvente ideal.
La elección del disolvente para cristalizar un sólido se realiza mediante pruebas de solubilidad del sólido por purificar con una variedad de disolventes. El sólido debe ser ligeramente soluble o insoluble en el disolvente a temperatura ambiente y totalmente soluble a la temperatura de ebullición del disolvente; otras características que debe reunir el disolvente son: No debe reaccionar con el sólido, tener punto de ebullición inferior al punto de fusión del solido por purificar, para evitar que se funda en lugar de disolverse. Debe presentar volatilidad moderada para eliminarlo con cierta facilidad de los cristales. El disolvente que reúna estas características será el ‘ideal’ para cristalizar un sólido
c) Secuencia para realizar una cristalización simple con o sin carbón activado.
La disolución del sólido se realiza de preferencia en matraces Erlenmeyer para proteger a la solución del polvo y evitar evaporación del disolvente. El sólido se pulveriza antes de disolverlo, la pérdida de solido en el líquido madre se evita con la saturación adecuada de la solución. Antes de iniciar el calentamiento de un disolvente es necesario agregarle un pequeño fragmento de material poroso para evitar el sobrecalentamiento del mismo. El disolvente se calienta a punto de ebullición, se agrega la cantidad necesaria al sólido para disolverlo y la mezcla se calienta nuevamente hasta que alcance la ebullición. Es común que el sólido presente partículas de impurezas insolubles, para eliminar estas impurezas, se utiliza la filtración por gravedad en caliente en el embudo de vidrio de tallo corto. Es conveniente, antes de filtrar, precalentar el embudo y el matraz donde se va a recibir el filtrado para evitar la cristalización del sólido en el tallo del embudo. La solución caliente se filtra por gravedad para eliminar las impurezas insolubles y restos de carbón activado. Si los cristales empiezan a formase en filtro, se adiciona una cantidad mínima de disolvente caliente. La solución filtrada se deja reposar a temperatura ambiente durante 5 min y posteriormente se enfría en un baño de hielo.
d) Métodos para inducir una cristalización.
1) Sembrar la solución con cristales puros de la misma sustancia que se esta purificando y que sirven como núcleos de cristalización 2) Raspado de las paredes del matraz con una varilla o espátula. Este movimiento debe ser vertical y firme para producir vibraciones de alta frecuencia que induzcan la cristalización. 3) Si no se logra la cristalización utilizando las técnicas s eñaladas en los incisos a y b, puede deberse al exceso d e disolvente, si es el caso, es necesario evaporarlo un poco y volver a enfriar, repitiendo lo indicado en los incisos.
e) Tipos de adsorbentes y fenómeno de adsorción.
Los sustratos sólidos adsorbentes normalmente utilizados son tales como el carbón activado, las resinas sintéticas, los polímeros. El proceso de adsorción involucra la separación del elemento o sustancia desde una fase como consecuencia de la acumulación o concentración en el adsorbente. Cabe distinguir tres tipos de adsorción según que la atracción entre el soluto y el adsorbente sea de tipo eléctrico, de Van der Waals o de naturaleza química. La adsorción del primer tipo cae de lleno dentro del intercambio iónico y a menudo se le llama adsorción por intercambio, que es un proceso mediante el cual los iones de una sustancia se concentran en una superficie como resultado de la atracción electrostática en los lugares cargados de la superficie. La adsorción que tiene lugar debido a las fuerzas de Van del Waals se llama generalmente adsorción física. En estos casos, la molécula adsorbida no está fija en un lugar específico de la superficie, sino más bien está libre de trasladarse dentro de la interfase. Esta adsorción, en general, predomina a temperaturas bajas. La adsorción de la mayoría de las sustancias orgánicas en el agua con carbón activado se considera de naturaleza física. Si el adsorbato sufre una interacción química con el adsorbente, el fenómeno se llama adsorción química, adsorción activa.
f) Soluciones saturadas y sobresaturadas.
Una solución saturada es una solución que contiene tanto soluto como puede disolverse en el disolvente utilizando los medios normales. El soluto disuelto se encuentra en equilibrio dinámico con cualquier soluto disuelto. Es decir, la velocidad de disolución de cualquier soluto no disuelto es i gual a la velocidad de cristalización del soluto disuelto. Una disolución sobresaturada es aquella en la que la concentración de soluto es realmente mayor que la de una disolución saturada (en equilibrio) bajo las mismas condiciones. Esta disolución es inestable y se revertirá a una disolución saturada si se agrega más soluto. g) Diversos tipos de filtración.
La filtración a vacío se utiliza para separar los cristales del líquido madre. El material necesario es el siguiente: embudo Buchner, adaptador de hule, matraz kitasato, tubo de hule para vacío, pinzas, soporte y papel filtro circular a la medida para que cubra todos los orificios pero que no suba por las paredes del embudo Buchner
