Departamento de Ingeniería de Procesos y Gestión Industrial




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fecha de publicación01.01.2016
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Universidad Nacional de Tucumán


Departamento de Ingeniería de Procesos y Gestión Industrial



TRABAJO PRÁCTICO Nº 3: RECRISTALIZACIÓN
Objetivo.

-Purificar una sustancia sólida

-Adquirir criterios para seleccionar un solvente o mezcla de solventes para realizar una recristalización.

Introducción
Los compuestos orgánicos obtenidos por síntesis o por aislamiento a partir de fuentes naturales no son puros ya que, generalmente están mezclados con cantidades pequeñas de otros compuestos, impurezas, que es necesario eliminar a fin de lograr el producto puro. Si la sustancia aislada es sólida, se intenta su purificación mediante la técnica de recristalización.

La recristalización se define como el procedimiento usado para separar un compuesto sólido de sus impurezas, basándose en las diferencias de solubilidad de ambos en un solvente o mezcla de solventes.
Factores que afectan la solubilidad
La solubilidad varía con la temperatura: los compuestos orgánicos son más solubles en solventes a la temperatura de su punto de ebullición que a temperatura ambiente.

La solubilidad varía con el efecto del ión común: principio de Le Chatelier.
Relación entre estructura molecular y solubilidad
Para estimar si un compuesto será soluble en un solvente dado, se debe aplicar la regla “semejante disuelve a semejante”. Esto significa que el solvente idóneo suele tener características químicas y estructurales similares a las del compuesto a disolver.
Es así que los compuestos polares son más solubles en solventes polares que en apolares y viceversa. Los compuestos iónicos son solubles en agua e insolubles en solventes orgánicos.

Los compuestos orgánicos no iónicos, generalmente no se disuelven en agua a menos que formen enlaces Hidrógeno (alcoholes, ácidos carboxílicos y aminas). Los compuestos orgánicos que no forman enlaces hidrógeno se disuelven con bastante facilidad en solventes de polaridad media (diclorometano, acetato de etilo); o no polares (éter de petróleo, éter, tolueno).

La polaridad y como consecuencia, la solubilidad de los compuestos orgánicos en solventes polares, disminuye con el aumento de la longitud de la cadena hidrocarbonada, aumenta con la presencia de grupos funcionales polares y la capacidad de formación de enlaces hidrógeno con el solvente.

Es decir:

  • A medida que aumenta el número de grupos funcionales polares, disminuye la solubilidad en solventes no polares como se observa en la Tabla 1.


Tabla 1. Relación entre solubilidad y número de grupos funcionales


CH3COOH (Acido acético)

HOOC-COOH (ácido oxálico)

Soluble en agua y etanol

Soluble en agua y etanol

Soluble en éter

Parcialmente en soluble en éter

Soluble en benceno

Insoluble en benceno




  • En una serie homóloga, la solubilidad en agua decrece rápidamente al aumentar el tamaño de la cadena hidrocarbonada.





  • En el caso de dos isómeros con capacidad para formar enlaces hidrógeno, si uno de ellos lo forma intramolecularmente será menos soluble en agua o en cualquier otro solvente prótico.




Procedimiento de la Técnica
Para realizar una recristalización se procede de la siguiente manera:

Seleccionar el solvente adecuado para purificar la muestra

Agregar una cantidad suficiente del solvente que pueda disolver el sólido y calentar lentamente hasta ebullición.

Realizar una filtración de las impurezas insolubles en caliente

Enfriar el sólido que se encuentra en solución y reservar hasta la cristalización

Filtrar los cristales formados en frío y secar

Pesar la muestra obtenida y calcular el rendimiento
Criterio para seleccionar el solvente adecuado
Un solvente ideal para realizar la recristalización de un sólido debe reunir las siguientes características:
Debe disolver el producto a purificar a temperatura alta (P.E. solvente). No disolverlo o disolverlo muy poco a bajas temperaturas (temperatura ambiente o baño de hielo). Es decir que el cociente entre la solubilidad en frío y en caliente debe ser apreciable.

Debe disolver las impurezas a baja temperatura y no disolverlas a altas temperaturas.

Debe ser químicamente inerte al sólido a cristalizar.

Debe poseer un punto de ebullición inferior al punto de fusión del sólido a cristalizar.

Debe poseer una volatilidad suficiente para permitir una rápida eliminación por evaporación.

Debe dar cristales bien formados del sólido a cristalizar.

Debe ser barato y no ser inflamable ni tóxico.
Elección del solvente
Se colocan 0,5 g de sustancia pulverizada en un tubo de ensayo y se agrega suficiente solvente para cubrirlo. Si se disuelve fácilmente en frío, este solvente no es conveniente. Si no se disuelve, se calienta lentamente con agitación hasta que el líquido hierva.

Luego se continúa agregando solvente hasta que prácticamente toda la sustancia se haya disuelto teniendo en cuenta que si es necesario una gran cantidad del líquido (1/2ó 2/3 del tubo) el solvente resulta inapropiado por su baja solubilidad.

Si se obtiene una solución casi limpia, se enfría el tubo y se agita suavemente para inducir la cristalización, efecto que también puede lograrse raspando las paredes del tubo con una varilla de vidrio.

Se repite el mismo procedimiento con los diferentes solventes en tubos de ensayo limpios hasta elegir el adecuado por su solubilidad y las proporciones necesarias de soluto y solvente para una eficiente cristalización.
Filtración en caliente de las impurezas insolubles
Una vez que se obtiene una solución límpida ó cuando sobre la base del ensayo previo se reconoce que sólo quedan las impurezas insolubles, se filtra la solución caliente, evitando enfriamientos durante la filtración que producirían recristalización prematura con la consiguiente obturación del filtro. La filtración se realiza utilizando un embudo cónico, calentado previamente ó un baño de agua especial para filtrar en caliente y un papel de filtro plegado para aumentar la superficie de filtración.

No es conveniente usar filtros al vacío porque se favorece la evaporación del solvente y el enfriamiento prematuro de la solución con la consecuente cristalización anticipada.







Figura 1. Filtración con papel de filtro: a) Plegado del papel de filtro

b) Filtración por gravedad usando papel de filtro plegado

Recristalización a mayor escala



Se coloca la sustancia en un erlenmeyer y se agrega la mínima cantidad necesaria del solvente seleccionado adecuadamente a fin de conseguir una solución saturada. Se calienta lentamente a ebullición, teniendo en cuenta que si el solvente es volátil debe trabajarse con refrigerante de reflujo. Si es necesario se agrega durante el calentamiento pequeñas cantidades de solvente hasta que el sólido se disuelva completamente.

Se filtra en caliente como se describió anteriormente.

Enfriamiento y cristalización del sólido



La solución límpida obtenida del filtrado anterior se trasvasa a un cristalizador convenientemente cubierto para evitar la evaporación pronta del solvente. Se deja enfriar sin mover el cristalizador. Si una vez alcanzada la temperatura ambiente el sólido no ha cristalizado, se procede de la siguiente manera:

  1. Se enfría por debajo de 0ºC usando mezclas frigoríficas.

  2. Se raspan las paredes del cristalizador o el fondo del mismo con varilla de vidrio, con lo que se introducen micropartículas de vidrio en la solución que actúan a modo de núcleos de cristalización.

  3. Si se dispone del sólido a cristalizar puro, añadir un cristal para que actúe de núcleo de cristalización (sembrado).


Cuando la cristalización se ha completado se filtran los cristales en un Büchner y se lavan con pequeñas cantidades de solvente frío que se agrega interrumpiendo el vacío.




a)




b)


Figura 2. Equipos para filtración por succión: a) Con embudo de Büchner

b) Con embudo Hirsch
También es factible usar trompas de agua para lograr un vacío moderado como se observa en la Figura 3. La trompa se fija a un grifo mediante una goma de vacío que posee paredes de espesor considerable de modo que no se estrangula por efecto de la baja presión. El kitasato se conecta a la trompa por su salida lateral. Al abrir totalmente el grifo, el estrechamiento del tubo que conduce el agua genera una pérdida de presión que provoca aspiración por la entrada lateral de la trompa, con la consiguiente disminución de presión en el sistema.

Figura 3. Uso de trompas o bombas de vacío

Cuando se termina la filtración no se debe cerrar la canilla. Previamente es necesario abrir el sistema en el que se está haciendo vacío al exterior, para permitir que se igualen las presiones. De otro modo, podría entrar agua de la trompa al kitasato. Una vez que el sistema está a presión atmosférica puede cerrarse la canilla.

Se destaca que si se quiere separar impurezas insolubles en caliente, cuyo tamaño de partícula sea tan pequeño que atraviese el papel de filtro, deberá emplearse un lecho de celite (tierra de diatomeas).

Secado de los cristales


Los cristales obtenidos tienen solvente adsorbido. Si el solvente de recristalización es volátil, los cristales pueden secarse al aire en lugar cálido y convenientemente protegidos del polvo ambiental.

Si el solvente es difícil de evaporar por exposición al aire, puede utilizarse un desecador con conexión al vacío.


Desecador con conexión al vacío

Cálculo del rendimiento


R = (masa final/ masa inicial )x100
PARTE EXPERIMENTAL
Siguiendo el procedimiento descripto, realice la recristalización de ácido benzoico. Para comenzar, seleccione el solvente adecuado según la Tabla 2.
Tabla 2. Solubilidad del ácido benzoico


Compuesto

Solubilidad (g/100 cm3)

Agua

Alcohol

Éter

Cloroformo

Ácido benzoico

0,18 4ºC

4,17 15ºC

40 15ºC

-




0,27 18ºC
2,2 75ºC
6,85 100ºC










PF: 122, 4 ºC














Utilice un embudo de vástago corto y caliente previamente a la filtración. Para ello colóquelo en la boca de otro erlenmeyer que contenga una mínima cantidad del solvente seleccionado, en ebullición. Filtre rápidamente, adicionando volúmenes pequeños de solución, mientras se calienta el resto. Si el sólido comienza a cristalizar en el papel de filtro o en el embudo, añadir una mínima cantidad de solvente a ebullición para una recuperación máxima del sólido.
Luego de la cristalización y el posterior lavado de los cristales, efectúe el cálculo del Rendimiento.
REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS
1-Curso Práctico de Química Orgánica. Brewster, R. Q.; Vanderwerf, C. A.; Mc Ewen, W.1965.

2- Rose, A. en Weissberger. “Techniques of Organic Chemistry”. Vol. 4. 1-174 (Mc Graw-Hill)

3-Experimentación en Química. Práctica 8. Universidad del País Vasco. http://cvb.ehu.es/open_course_ware/castellano/tecnicas/expe_quim/practica8.pdf

4- Rose, A. Ind. Eng. Chem. 33 (1944) 594.

5- www.quimicaorganica.net

6- Prácticas de Laboratorio en Química Orgánica. Guzmán, B.; Ybarra, M. I.; Coronel, A. del C.; Schabes, F.; Fiori Bimbi, M. V.; Mesurado, M. de los A.; González, M.

7- Shriner, R. L.; Hermann, C. K. F.; Morrill, I. C.; Curtin, D.; Fuson, R. The Systematic identification of organic compounds. 7th Edition. John Wiley & Sons, Inc. USA. 1997.



GUÍA DE TRABAJOS PRÁCTICOS DE LABORATORIO 2012 -INGENIERÍA BIOMÉDICA


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