SOLUBILIDAD Y RECRISTALIZACIÓN García Eduardo, Vega Amilvia. Universidad del Atlántico. Departamento de Ingeniería Química. Laboratorio química orgánica I. Palabras claves: solubilidad, recristalizacion, temperatura, punto de fusión, filtración, enfriamiento, impurezas.
En esta experiencia se realizó una práctica orientada al estudio de compuestos orgánicos en forma de cristales por el método de recristalización de una solución (proceso en el cual un soluto disuelto se separa de la disolución y forma cristales). El desarrollo de esta práctica tomó lugar a la solubilidad completa o no de las sustancias ligeramente miscibles utilizadas en el laboratorio la cuales fueron: acetanilida, acido benzoico, urea, glucosa y aceite de cristal para la elección del disolvente, donde se aplicó calor para favorecer el proceso de disolución del sólido en el disolvente líquido, ya que algunos solidos eran impuros. Posteriormente la mezcla se enfrió para poder obtener los primeros cristales de ácido benzoico, no obstante la mezcla contaba con impurezas, las cuales se retiraron en su mayoría utilizando filtración al vacío, luego de esto los cristales recuperados pasaron a la prueba del punto de fusión, con el fin de determinar el grado de pureza de los mismos.Con el fin de comprobar la purificación de sustancias solidas a través de la recristalización basandose en el aumento de solubilidad que experimentan la mayor parte de los sólidos en un disolvente al aumentar la temperatura.y conociendo asi la solubilidad de un soluto y su accion en el metdo de recristalizacion.
Introducción La solubilidad es un parámetro determinado experimentalmente y que se define como la cantidad de sustancia que se disuelve en 100 g de solvente a una temperatura determinada. Comúnmente se refiere a la interacción de dos sustancias para formar una mezcla homogénea. De igual manera se puede referir a soluciones insaturadas y sobresaturadas de manera relativa sin indicar la cantidad de sus componentes. Una solución es insaturada cuando contiene una cantidad menor de soluto de la que se puede disolver a una temperatura determinada. Las soluciones sobresaturadas contienen una cantidad mayor de soluto disuelto que la que se podría disolver a una temperatura determinada, estas soluciones implican un equilibrio inestable. Las soluciones saturadas implican un equilibrio estable entre el soluto disuelto y el soluto sin disolver a una temperatura determinada. Desde el punto de vista estructural, entre mayor sea la similitud de las sustancias (soluto y solvente) para formar fuerzas intermoleculares, mayor será la probabilidad de una interacción efectiva para producir una mezcla homogénea.
La solubilidad es un parámetro que depende de la temperatura y en general aumenta al incrementarse la temperatura. En esta propiedad se basa el procedimiento de recristalización para purificar sólidos. La concentración de la solución saturada es equivalente, en términos cuantitativos, a la solubilidad del soluto en la solución. En una solución insaturada no existe un equilibrio debido a que la cantidad de soluto disuelto es menor que la necesaria para alcanzar la
saturación (figura 1). Figura 1, saturación de una solución.
Recristalización Generalmente, la solubilidad se hace mayor cuando la temperatura aumenta y es esta propiedad la que se aprovecha para la recristalizacion, ya que al preparar una solución en caliente y luego enfriar se precipita el exceso de soluto. Un sólido resulta ser más soluble en un determinado solvente si se eleva la temperatura de este último. Dicho en otras palabras, la mayoría de las sustancias sólidas se solubilizan más en caliente que en frío. Como consecuencia de esto, si disolvemos una sustancia en la menor cantidad posible de un solvente caliente, al enfriar el sistema obtendremos parte del producto en estado sólido (por disminución de la solubilidad en el solvente frío). En la selección de un solvente para recristalización se debe de tener en cuenta que la solubilidad sea alta en caliente y muy baja en frío para que haya abundante producción de cristales al enfriarse la solución, el solvente no debe de reaccionar con el soluto, debe de ser volátil (bajo punto de ebullición) para ser removido fácilmente y no interaccionar con las impurezas. Cuando hay impurezas coloreadas se puede utilizar un adsorbente selectivo como el carbón activado. Este material se utiliza en muy pequeña cantidad ya que el exceso puede adsorber material a purificar.
Las muestras donde no hubo solubilidad completa se colocaron en un baño de agua caliente. En el segundo proceso se realizó la purificación de un sólido impuro. Se tomó un gramo de ácido benzoico y se colocó en un Erlenmeyer de 250 mL, a la vez se vertió 30 mL de agua se llevó la mezcla a ebullición, como no se disolvió completamente la sustancia, se le adiciono porciones agua dejando hervir lentamente la mezcla hasta que todo el sólido quedo disuelto y se le agrego una pizca de carbón activado y se dejó hervir durante tres minutos, se dejó enfriar en un baño de agua con hielo hasta que precipito todo el sólido. Luego se filtró para eliminar todas las impurezas insolubles, a través de un embudo de cuello corto, esto se hizo con el fin de impedir que haya recristalización en el papel de filtro o en el embudo. En el papel filtro de superficie lisa doblado en tres o cuatro capas, se vertió toda la solución, al terminar la filtración la mayor parte del disolvente se exprimió del papel filtro presionando fuertemente y se secó por acción de calor, se raspo con una espátula lo que quedo del solido en el papel filtro donde se pasó a un vidrio reloj. De último se realizó un montaje con un tubo de Thiele se tomó una cantidad del solido seco y se llenó el capilar de dicho solido seco, se amarro el capilar junto a un termómetro y en un baño de aceite se calentó y se tomó la temperatura de fusión.
Metodología
Análisis de resultados
Para este laboratorio primero se determinó experimentalmente la solubilidad de varias sustancias que son: acetanilida, acido benzoico, urea, glucosa y aceite de cristal. En seis tubos de ensayo se colocó 1 mL de agua fría. Al primer tubo se le agrego una pizca de acetanilida tomada con la espátula, al segundo una pizca de urea, al tercero una pizca de glucosa, al cuarto una pizca de ácido benzoico, al quinto 5 gotas de aceite cristal, al sexto 5 gotas de 1-butanol y se observó si hay solubilidad completa o no.
La solubilidad de un soluto en un disolvente es la concentración de la disolución saturada conseguida en el equilibrio. La solubilidad depende de la temperatura y salvo excepciones aumenta con ella. Así, si se calienta una disolución saturada de una sustancia sólida y se enfría posteriormente, cristaliza el exceso de sólido. El punto de fusión en una sustancia es de gran importancia para determinar el grado de “pureza”, en donde se observa un aumento del punto de fusión. La solubilidad es otro factor de gran importancia, ya que es necesario encontrar un disolvente en el que el compuesto sólido que
queremos cristalizar sea soluble en caliente e insoluble en frio. Al comienzo se armó el montaje del primer proceso para determinar la solubilidad de las sustancias N° 1, 2, 3, 4, 5, 6 utilizadas en el laboratorio, como se muestra en la figura 2.
Figura.2. tubos de ensayos con sustancias de distinta solubilidad.
Se realizó un montaje de las sustancias que no presentaron solubilidad en agua fría que fueron: acetanilida, acido benzoico, aceite de cristal y 1butanol se colocaron a calentar en un baño de agua, como se muestra en la figura 2.
Solubilidad: Tabla 1. Solubilidad en agua fría.
Sustancia N°
Nombre (sustancia)
Solubilidad en agua (ambiente)
1
acetanilida
No
2
urea
Si
3
glucosa
Si
4
acido benzoico
No
5
aceite de cristal
No
6
1-butanol
No
La urea fue ligeramente soluble, esto se debe a su momento dipolar y la glucosa también es ligeramente soluble en agua, así que no necesitaron del baño de maría. En el caso de la acetanilida, el ácido benzoico, aceite de cristal y el 1-butanol fueron insolubles debido a las impurezas que contienen o a las condiciones atmosféricas o que no era la temperatura adecuada para alcanzar la solubilidad.
Tabla 2. Solubilidad en agua caliente.
Figura 3. Baño caliente de sustancias no solubles.
Sustancias N°
sustancias
Solubilidad(agua caliente)
1
acetanilida
Si
2
urea
Si
3
glucosa
Si
4
ácido benzoico
No
5
Aceite de cristal
No
6
1-butanol
Si
Como se puede observar en la tabla 2, cuando fueron calentadas las sustancias fueron solubles algunas de ellas como la acetanilida, esto se da porque esta necesita una temperatura más elevada para alcanzar la solubilidad. El 1-butanol fue soluble lo cual se debe a que es la temperatura adecuada a la cual alcanza la solubilidad. En cambio el aceite fue insoluble en ambas tablas al igual que el ácido benzoico, debido a que
Figura 4.Calentamiento del solido impuro (ácido benzoico con carbón activado y agua)
Recristalización Purificación de un sólido (ácido benzoico impuro). En este experimento se partió de una muestra contaminada de ácido benzoico impuro, con el fin de llegar a la purificación de este, por medio de una recristalizacion utilizando agua como disolvente. Se utilizó el agua como ya disolvente que el compuesto muestra poca solubilidad y una parte de las impurezas se disolvieron. El método más adecuado para la eliminación de las impurezas que contaminan un sólido es por cristalizaciones sucesivas bien en un disolvente puro, o bien en una mezcla de disolventes. De la prueba de recristianización puede apreciarse el valor obtenido que no fue 100% eficiente la purificación. El empleo de carbón activado en la práctica es de suma importancia ya que presenta una capacidad de adsorción elevada. Esto sirvió para introducir las impurezas y así el ácido benzoico en el momento en que se enfría cambia la solución.
Figu ra 5, mezcla de calentado del solido impuro con el carbón activado. Filtración de la solución en caliente para eliminar las partículas insolubles (ácido benzoico)
Figura 5.filtracion del solido después de baño en agua caliente y baño en hielo.
Mediante la filtración se obtuvo una cantidad de ácido benzoico al dejar secar, ya que al filtrarse el sólido este permite una separación rápida y sencilla haciendo pasar la mezcla a través de una barrera porosa de forma que el sólido queda retenido en la barrera y el líquido pasa , genero un cambio mínimo en la temperatura al valor real del solido ya puro y se llevó a cabo la precipitación de la sustancia perdiendo cantidad significativa de esta durante el proceso, la cual necesitó de calor para determinar su punto de fusión .En el enfriamiento de la solución provoco cristalización de gran cantidad de soluto, es decir se empleó un exceso de disolvente.
Temperatura de fusión del ácido benzoico. Al obtener un ácido puro se tomó una temperatura que se evidencian en la tabla 4.mediante este montaje se puede concluir que el sólido se funde a una temperatura no lejana a la real, y debido a que este contiene impurezas.
solubilidad es de 7,9 g/100 g de agua siendo pequeña y dando negativo en la prueba al no ser suficiente como para apreciarse en las cantidades trabajadas . Una filtración en caliente es muy importante en este experimento porque la sustancia no debe cristalizar en el filtro, por lo tanto este se calentó, ya que un cambio mínimo en la temperatura puede alterar la solución sobresaturada y ayudar a la formación de cristales lo que provocaría una gran pérdida de reactivo. Al enfriar, se obtiene una solución relativamente estable conocida como solución sobresaturada. Estas soluciones no son estables del todo y cualquier cambio de temperatura o agitación las puede desestabilizar liberando el exceso del soluto en una fase formando cristales. En el punto de fusión del sólido, la impureza puede aumentar o disminuir el punto de fusión en presencia de sustancias ajenas. El ácido benzoico presenta cambio físico al momento en el cual se determine su punto de fusión una vez purificado y no presenta ningún cambio de este tipo durante el proceso de filtración y cristalización. .
Figura 6. Montaje de la temperatura de fusión del ácido benzoico.
Discusión de resultados Durante las pruebas de solubilidad se observó que la solubilidad de la acetanilida aumentó con la temperatura obedeciendo a su poca polaridad y gran tamaño de su molécula que la hace más soluble en sustancias como etanol o acetona, pero poco en agua, en el caso del ácido benzoico obtuvimos resultado contradictorio ya que su solubilidad aumenta con la temperatura, pero la prueba arrojó negativo a la solubilidad en agua, seguramente al no calentar suficiente no se alcanzó a apreciar que se disolviera, la urea y la glucosa nos dieron positiva la solubilidad concordando con la literatura, los aceites no son miscibles en agua como era de esperarse, para el aceite cristal y el 1-butanol su
Comparación de resultados teóricos y experimentales del solido impuro. Punto de fusión del ácido benzoico obtenido en el laboratorio: Tabla 4.Registros de datos experimental
TEMPERATURA DE FUSIÓN ácido benzoico
Temperatura de fusión Temperatura real Error
T (℃)
solubilidad
118 insoluble 122 3.2 (%) .
Al comparar estos resultados que muestra la tabla 4 con los datos teóricos que se muestran
en la tabla 5, se obtuvo experimentalmente en el laboratorio el punto de fusión de la sustancia N°4, el sólido impuro , la cual fue menor el punto de fusión obtenido que el teórico y el porcentaje de error fue de 3.2 % . Tabla 5. Datos teóricos
Sustancia
ácido benzoico
T (℃)
fusión
122
La diferencia de temperatura registrada en la práctica no se alejó lo suficiente del valor real, por lo tanto se halló el punto de fusión, del sólido puro, ya que fue sometido al proceso de purificación, perdió casi en su totalidad las impurezas que contenía. 1. Preguntas 1. En qué se basa, estructuralmente, el proceso de recristalización como método de purificación? R/. La cristalización se emplea con bastante frecuencia en química para purificar operación de cristalización, es el proceso por medio del cual se separa un componente de una solución líquida transfiriéndolo a la fase sólida en forma de cristales que precipitan. El sólido que se purifica se disuelve en el disolvente caliente, generalmente a ebullición, la mezcla caliente se filtra para eliminar todas las impurezas insolubles, y entonces la solución se deja enfriar para que se produzca la cristalización. En el caso ideal, toda la sustancia deseada debe separarse en forma cristalina y todas las impurezas solubles deben quedar disueltas en las aguas madres. Finalmente, los cristales se separan por filtración y se dejan secar. Si con una cristalización sencilla no se llega a una sustancia pura, el proceso puede repetirse empleando el mismo u otro disolvente.
2. ¿Por qué es necesario utilizar un embudo de caña corta y filtrar la solución en caliente en la primera filtración que se hace para remover impurezas insolubles?
R/ Porque el embudo de forma cónica y generalmente fabricados en vidrio. Los modelos para filtrado en frío poseen un tubo de salida, pero los modelos para filtración en caliente están hechos de vidrio pyrex y no poseen tubo de salida. 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. Para ello se requiere una filtración rápida con un mínimo de evaporación en un embudo previamente calentado en una estufa, y provisto de un filtro de pliegues para aumentar la velocidad de filtración. 3. ¿Cuáles son las condiciones a tener en cuenta para elegir una mezcla de solventes determinada? R/ El poder solvente es la facilidad o la capacidad para disolver diversos ligantes. El poder solvente está relacionado con la estructura química del disolvente y del polímero a disolver. Sus manifestaciones más características son estas: Un poder solvente elevado implica una velocidad de disolución también elevada. Los líquidos de moléculas pequeñas son mejores disolventes que los de moléculas grandes y, en general, proporcionan disoluciones de menor viscosidad. Así, en una serie homóloga hay una disminución del poder disolvente y un incremento de la viscosidad al aumentar el peso molecular. El poder disolvente varía con la temperatura. La reducción de la sensibilidad de las soluciones a las bajas temperaturas es otro efecto de los disolventes fuertes. Para una determinada proporción disolvente/polímero, la viscosidad final de la solución es tanto más baja cuanto mayor sea el poder solvente. Al reposar, algunas soluciones tienden a depositar material insoluble. Un disolvente potente reduce o anula esta
sedimentación. Una proporción excesiva del disolvente puede hacer precipitar el ligante en solución. Una potencia solvente elevada permite una mayor disolución sin que aparezcan precipitaciones. Cuando a una resina se añade un líquido en el que la resina no es totalmente soluble (un diluyente, por ejemplo) llega un momento en que la resina de insolubiliza. La concentración de nodisolvente admisible crece con la potencia solvente del disolvente usado.
4. Relacione los pares de disolventes de uso más frecuente para la recristalización en química orgánica. Los pares de disolventes de uso más frecuente para la recristalización en química orgánica son: Metanol – agua Etanol - agua Acetona – éter de petróleo (hexano) Acetato de etilo – éter de petróleo (hexano, ciclohexano) Éter – éter de petróleo (pentano) Dicloromentano – éter de petróleo (pentano) Tolueno – éter de petróleo (heptano) Acetona – agua
5. Explique el procedimiento (experimental) usual para elegir el solvente, o mezcla de solventes, de recristalización más adecuado. Elección del disolvente El punto crucial de en el proceso de cristalización es la elección adecuada del disolvente que debe cumplir las siguientes propiedades: Alto poder de disolución de la sustancia que se va a purificar a elevadas temperaturas. Baja capacidad de disolución de las impurezas que contaminan al producto en cualquier rango de temperatura. Generar buenos cristales del producto que se va a purificar.
No debe reaccionar con el soluto. No debe ser peligroso (inflamable). Debe ser barato. Fácil de eliminar. Un factor muy importante a tener en cuenta es si el disolvente es acuoso u orgánico. En caso de usar disolventes orgánicos es necesario siempre calentar la mezcla con el montaje de reflujo. Si no se hace de esta manera se generan vapores inflamables que pasan a la atmósfera y que en contacto con llamas o focos de calor conducen a un serio riesgo de incendios y explosiones. 6. ¿Cuál es el uso del carbón activado en el proceso de recristalización? ¿De la celita? R/Se usa cuando hay impurezas coloreadas en la mezcla a recristalizar. Generalmente, aparecen cuando se calienta la mezcla. En caso de usar el carbón activado, debe sacarse el balón del fuego, y colocar una mínima cantidad de carbón activado, ya que si se agrega estando en el fuego se puede producir proyecciones sumamente peligrosas. Luego, se debe filtrar en caliente para eliminarlo. Lo que hace el carbón activado es adsorber las impurezas presentes. La celita, un coadyuvante de filtración, se denomina algunas veces tierra de diatomeas y consiste esencialmente en sílice finalmente pulverizada. Tiene una gran superficie y puede ser de mucha utilidad en ciertas operaciones de filtración. 7. Explique ¿En qué consiste la siembra de cristales y cuáles son las técnicas de sembrado más empleadas? El mejor consejo que se puede dar sobre la siembra de cristales es: cuando se consiga alguno, no se tiene que dejar perder. Con frecuencia, un material no cristaliza porque no se ha iniciado o no se iniciará el proceso de nucleación (formación de un núcleo sobre el que pueda comenzar a crecer el cristal. La separación de cristales de la disolución puede inducirse con frecuencia rascando las paredes del matraz. Algunas veces, la adición de pequeñas cantidades de material extraño inicia la cristalización. El método más seguro consiste en añadir un cristal del producto (cristal de siembra) y con ello inducir la nucleación.
8. Basándose en los puntos de fusión obtenidos ¿qué puede decirse de la recristalización como proceso de purificación? R/ En nuestra experiencia obtuvimos un valor de 118 °C distando de los 122 °C de la literatura, no medimos un punto de fusión previo a la purificación que permitiera comparar una mejora, pero aun así podría decirse que la cercanía del dato obtenido muestra que es posible purificarlo inicialmente con este proceso u mejorarlo adicionando etapas. 9. Basándose en lo porcentajes de recuperación obtenidos ¿qué puede usted decir de la cristalización como método cuantitativo de purificación? ¿Por qué se pierde compuesto a purificarse? R/ No podemos afirmar respecto a resultados obtenidos ya que no se midió este dato, pero generalmente las perdidas en este proceso se dan debido a la afinidad del sólido y el disolvente que no siempre es nula a temperatura ambiente como se desearía, llevando consigo disuelto parte del soluto al filtrar, otra posible opción de pérdida es enfriamiento durante el primer filtrado que retenga soluto que cristalice en el filtro. 10¿Cuáles solventes utilizaría para purificar por recristalización los siguientes compuestos: naftaleno, p-nitroacetofenona, p-nitrobenzaldehído, o-fenilendiamina y benzalacetona? R/ El naftaleno, p-nitroacetofenona, pnitrobenzaldehíd, o-fenilendiamina y benzalacetona poseen estructuras que pueden formar puentes de hidrógeno, y al ser moléculas grandes en comparación al agua esta interacción disminuye a temperatura ambiente, siendo posible el uso ya sea de agua o etanol como posible disolvente polar y aumentar esta solubilidad al calentar. 11. Un ácido carboxílico superior sólido está contaminado con impurezas orgánicas. Explique ¿cómo purificaría usted el ácido por cristalización utilizando agua y acetona como una mezcla de solventes? R/Los ácidos carboxílicos son virtualmente insolubles en agua debido al alto número de carbonos en su cadena principal, pero si es soluble en solventes no polares, la acetona
genera momentos dipolares que hacen que sea un solvente ideal para muchas sustancias, la utilización con ácido carboxílico sería la siguiente: Disolver inicialmente el ácido carboxílico superior por completo en acetona caliente, después añadiendo gota a gota de agua caliente hasta que se forme una turbidez que no desaparezca al agitar la mezcla, se añade nuevamente gotas de acetona caliente para eliminar la turbidez, se filtra para eliminar las impurezas y se deja enfriar para que recristalice el sólido. Conclusión Por medio de esta práctica se puede concluir: La solubilidad de una sustancia depende de la temperatura del solvente, como quedó comprobado en el caso de la acetanilida y del 1-butanol. En la recristalizacion el agua es el disolvente que es el que muestra si el compuesto muestra poca solubilidad dependiendo de la temperatura. El calentamiento tiene que ser suficientemente alto para poder disolver completamente la cantidad de sólido usado y tener en cuenta que haya suficiente disolvente. A pesar de ser polares las moléculas se pudo apreciar que el tamaño afecta su solubilidad. Se hace necesaria la adición de más etapas de recristalización para aumentar la eficiencia en la purificación del ácido benzoico por el método usado.
Bibliografía
Petrucci Ralph H. (2011) Química General Principios y aplicaciones modernas, Las propiedades de la materia y su medida, décima edición PEARSON EDUCACIÓN, S. A., Madrid, 2011.
Raymond Chang, R. 2007, Química, novena edición. Mc Graw Hill pág. 1021, 483. Pagina web: https://prezi.com/omadvv8mails/recristali zacion-y-sublimacion-de-acido-benzoico/
Pagina web:http://www.quimicaorganica.net/recri talizacion.html
