Departamento de Ingeniería de Procesos y Gestión Industrial




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Departamento de Ingeniería de Procesos y Gestión Industrial


TRABAJO PRÁCTICO Nº 1: PUNTO DE EBULLICIÓN - DESTILACIÓN

Objetivos.

-Determinar el Punto de ebullición de compuestos orgánicos, a fin de utilizar este dato como criterio de identidad y de pureza.

-Destilar mezclas de sustancias orgánicas, empleando diversos equipos de destilación.
Introducción
Cuando la presión de vapor de un líquido aumenta por incremento de la temperatura, llega un momento en que ésta alcanza el valor de la presión externa que soporta el sistema.

En la figura 1, se observa que bajo una presión de una atmósfera, la presión de vapor del agua alcanza un valor de 760 mm Hg a una temperatura de 100ºC. Se dice entonces que el agua ebulle. Por lo tanto, puede definirse el punto de ebullición de un líquido (PEb) como sigue: el punto de ebullición de un líquido es la temperatura a la cual su presión de vapor iguala la presión externa que soporta el sistema. Si la presión externa es de 760 mm Hg, el punto de ebullición se denomina P Eb normal. Este valor se encuentra registrado en tablas de uso internacional (ej. Handbook of Chemistry and Physics) para un número muy grande de líquidos conocidos.


Figura 1.Si a un líquido que ha alcanzado su punto de ebullición se le sigue entregando calor, la energía calórica es consumida por las restantes moléculas para superar las fuerzas que las mantienen unidas en la fase líquida y adquirir energía cinética para pasar a la fase vapor. Es por esto que durante la ebullición, la temperatura del sistema se mantiene constante.
Variación del punto de ebullición con la estructura molecular
Los grupos funcionales son el conjunto de átomos que caracterizan a los diferentes tipos de compuestos orgánicos. Se observa un aumento significativo del PEb de la sustancias con el aumento del peso molecular y con la magnitud de las fuerzas intermoleculares. Se comprueban diferencias importantes entre los PEb de los compuestos que muestran en la Tabla 1.
TABLA 1

Compuesto

PM

PEb [ºC]

Etano (C2H6)

Etanol (C2H6O)

30

46

-88.6

78,5

Éter metílico (C2H6O)

46

-25

n-pentano (C5H12)

72

36

Neopentano (C5H12)

72

9,5


De los valores de la Tabla 1 se deduce que los líquidos cuyas moléculas se atraen mutuamente, tendrán una Pv baja (las moléculas tendrán poca tendencia a escapar del seno del líquido). Las fuerzas atractivas más intensas son las del tipo enlace hidrógeno, luego siguen las de interacción dipolo-dipolo permanentes y transitorios (en ese orden) y finalmente las fuerzas de van der Waals. Las dos últimas aumentan con el incremento del peso molecular. En general, los compuestos polares poseen mayor PEb que los no polares con pesos moleculares similares.

Modificación del punto de ebullición con la Presión Externa
La variación del punto de ebullición con la presión está relacionada con el cambio de volumen asociado a la transición entre el estado líquido y gaseoso. Dicho ΔV es grande y por lo tanto, cambios en la presión externa afectarán notablemente el PEb de una sustancia.

Al disminuir la presión externa disminuye el punto de ebullición del líquido. Por lo tanto cuando se mide experimentalmente el PEb de un líquido a una presión externa diferente de 760 mmHg será necesario corregirlo de la siguiente manera:
Peb Corregido = PEb leído + [K . (760 – P real)]

El valor del coeficiente K se obtiene experimentalmente. La variación del valor de K puede observarse en la Tabla 2.

TABLA 2

PEb [ºC]

K

<100

0,04

100 a 140

0,045

140 a 190

0,05

190 a 240

0,055

>240

0,06



Efecto de las impurezas en el PEb
A continuación se presenta un diagrama a los efectos de ilustrar el efecto de las impurezas sobre el PEb de las sustancias. Es así como se utiliza el PEb como criterio de identidad y pureza de un compuesto.
Impureza

Sólida

Insoluble

Soluble

PEb no se modifica

Pv de la solución

disminuye

PEb aumenta

Líquida

Soluble

Insoluble

Con P°v menor

Con P°v mayor

Pv de la

Solución aumenta

PEb disminuye

PEb no se altera

Destilación como método de purificación de compuestos
La destilación es un proceso de purificación de líquidos que involucra en sí mismo dos cambios de estado: vaporización y condensación.

La destilación es el método más frecuente para la purificación de líquidos. Se utiliza siempre para separar un líquido de sus impurezas no volátiles.

Cabe destacar que el éxito de una destilación depende de distintos factores, entre ellos, la diferencia en los puntos de ebullición de las sustancias, es decir, la diferencia en sus presiones de vapor; del tipo de equipo usado, de la cantidad de muestra, de la posible formación de azeótropos (mezcla de líquidos que se comporta en la destilación como si fuera una sustancia pura), etc.
Destilación simple

Se usa para separar de líquidos con puntos de ebullición inferiores a 150ºC de impurezas no volátiles, o bien para separar mezclas de dos componentes que hiervan con una diferencia de puntos de ebullición de al menos 60-80°C. Mezclas de sustancias cuyos puntos de ebullición difieren de 30-60°C se pueden separar por destilaciones sencillas repetidas, recogiendo durante la primera destilación fracciones enriquecidas en uno de los componentes, las cuales se vuelven a destilar. Para que la ebullición sea homogénea y no se produzcan proyecciones se introduce en el matraz un trozo de plato poroso (o agitación magnética).

El líquido que se quiere destilar se pone en el matraz (que no debe llenarse mucho más de la mitad de su capacidad) y se calienta con la placa calefactora. Cuando se alcanza la temperatura de ebullición del líquido comienza la producción apreciable de vapor, condensándose parte del mismo en el termómetro y en las paredes del matraz.

La mayor parte del vapor pasa al refrigerante donde se condensa debido a la corriente de agua fría que asciende por la camisa de este. El destilado (vapor condensado) escurre al matraz colector a través de la alargadera.

La existencia de una capa de sólido en el fondo del matraz de destilación puede ser causa de violentos saltos durante la destilación, especialmente si se utiliza una calefacción local fuerte en el fondo del matraz. La calefacción de un matraz que lleva cierta cantidad de sólido depositado en el fondo se debe realizar siempre mediante un baño líquido.
Equipo para destilación simple


Para la destilación simple se utiliza el aparato representado en la Figura 2, montado sobre dos soportes. Consta de un matraz de destilación, provisto de un termómetro, que descansa sobre una placa calefactora. El matraz de destilación va unido a un refrigerante con camisa de refrigeración por la que circula agua en contracorriente. Finalmente el extremo inferior del refrigerante se monta la cola de destilación junto con un recipiente (Erlenmeyer) donde se recogerá el destilado.
destial

Figura 2.

Destilación fraccionada

Es una técnica que permite la realización de una serie de destilaciones sencillas en una sola operación continua. Se usa para separar componentes líquidos que difieren menos de 25ºC en el punto de ebullición. Es un montaje similar a la destilación simple en el que se ha intercalado entre el matraz y la cabeza de destilación una columna que puede rellenarse con cualquier tipo de sustancia inerte que posea gran superficie, por ejemplo anillos o hélices de vidrio, alambre, trocitos de arcilla, fragmentos de porcelana, etc.


Al calentar la mezcla el vapor se va enriqueciendo en el componente más volátil, conforme asciende en la columna, y los líquidos al caer se enriquecen en el componente menos volátil, consiguiendo así su separación

Columnas de destilación fraccionada

columnas-destilacion-fraccionada

a) Columna de relleno sencilla

b) Columna Vigreux

Figura 4.
Equipo para destilación fraccionada

destilacion-fraccionada

Figura 3.

Funcionamiento de una columna de fraccionamiento

Las columnas de fraccionamiento realizan el equivalente a varios cientos de destilaciones sencillas separadas. Se dice que estas columnas tienen varios cientos de platos teóricos. Entonces podemos afirmar que el equivalente a una destilación sencilla para las primeras porciones de destilado se llama plato teórico. En cada plato se establece un equilibrio líquido-vapor. A lo largo de la columna hay un gradiente de temperatura, estando más fría la parte superior que la inferior, por lo que parte del vapor que entra en el primer plazo se condensa y el vapor que escapa al segundo plato es más rico en el componente más volátil. En cada uno de los platos va ocurriendo un enriquecimiento parecido, de tal manera que después de cierto tiempo el componente más volátil se habrá desplazado a la parte superior de la columna, quedando en el matraz de destilación el menos volátil.


Figura 5.

Destilación a vacío

Es una forma de destilación sencilla o fraccionada, que se efectúa a presión reducida. El montaje es muy parecido a los otros procesos de destilación, con la salvedad de que el conjunto se conecta a una bomba de vacío o trompa de agua, lo cual permite destilar líquidos a temperaturas inferiores a su punto de ebullición normal. Muchas sustancias no pueden purificarse por destilación a presión atmosférica porque se descomponen antes de alcanzar sus puntos de ebullición normales. Otras sustancias tienen puntos de ebullición tan altos que su destilación es difícil o no resulta conveniente. En estos casos se emplea la destilación a presión reducida. Un líquido comienza a hervir a la temperatura en que su tensión de vapor se hace igual a la presión exterior, por tanto, disminuyendo esta se logrará que el líquido destile a una temperatura inferior a su punto de ebullición normal

Equipo para destilación a vacío (evaporador rotatorio)
Matraz de Evaporación

Matraz receptor

Refrigerante

Rotor

Sistema de vacío

Unidad de calefacción

Baño de agua

Válvula de ventilación
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Figura 6.

Destilación por arrastre en corriente de vapor
Es una técnica para la separación de sustancias insolubles en agua y ligeramente volátiles de otros productos no volátiles mezclados con ellas. El arrastre en corriente de vapor hace posible la purificación adecuada de muchas sustancias de punto de ebullición elevado mediante una destilación a baja temperatura. Como resultado de este comportamiento, y cuando uno de los componentes es agua, al trabajar a presión atmosférica, se puede separar un componente de mayor punto de ebullición que el del agua a una temperatura menor a 100º. Además, con esta técnica se pueden separar sustancias inmiscibles en agua y que se descomponen a su temperatura de ebullición o cerca de ella, por lo que se emplea con frecuencia para separar aceites esenciales naturales que se encuentran en hojas, cáscaras o semillas de algunas plantas (té limón, menta, canela, cáscaras de naranja o limón, anís, pimienta, etc.).
En esta destilación simple se obtiene como destilado un sistema de fases inmiscibles. Las cantidades relativas de ambas fases dependen de la presión de vapor de cada una de ellas a la temperatura de ebullición del sistema formado por ambas sustancias.

En una mezcla de dos líquidos x e y, completamente insolubles entre sí, cada líquido ejerce su propia presión de vapor característica, independientemente de la del otro. Por lo tanto la tensión de vapor total está definida por:

PT= Px + Py
Donde Px es la presión de vapor de x a la temperatura T y Py es la presión de vapor de y a la temperatura T. Las presiones de vapor de x e y son independientes de las cantidades de relativas de x e y existentes en la mezcla.

El punto de ebullición de la mezcla será aquella en la que tensión de vapor total PT, sea igual a la Presión atmosférica. A menos que Px ó Py sean igual a cero, esta temperatura será más baja que los puntos de ebullición de x e y.

Ahora bien, puesto que la presión ejercida por un gas (a una temperatura dada) es proporcional a la concentración de sus moléculas, la relación entre las presiones de vapor de x e y en el punto de ebullición de la mezcla será igual a la relación entre el número de moléculas de x y el número de las moléculas de y que destilan de la mezcla:
Nx / Ny = Px / Py

Donde Nx / Ny es la relación molar de x e y en el vapor. La relación de pesos de x e y en el vapor dependerá no solamente de la relación de moles, sino también de los pesos moleculares de x e y y esta relación en pesos Wx / Wy será igual a:
Wx / Wy = MxNx / MyNy = MxPx / MyPy
donde Mx y My son los pesos moleculares de x e y respectivamente. Esta ecuación indica que en la destilación de una mezcla de dos líquidos inmiscibles las cantidades relativas en peso de los dos líquidos que se recogen en el colector son directamente proporcionales a:

  1. Las presiones de vapor de los líquidos a la temperatura de destilación

  2. A sus pesos moleculares.

Además la mezcla destilará a una temperatura constante en tanto exista por lo menos algo de cada uno de los componentes.

Con esto se entiende por qué existen muchos compuestos orgánicos de punto de ebullición relativamente alto que con agua codestilan en una cantidad en peso lo suficientemente grande para ser destilados con cierta rapidez por debajo de 100 ºC. Esto se debe a sus pesos moleculares relativamente elevados comparados con los del agua.
Equipo para destilación por arrastre de vapor

arrastre_vapor

Figura 7.

PARTE EXPERIMENTAL

Punto de ebullición

El método experimental para determinar el PEb de una sustancia, se selecciona según la cantidad de líquido que se disponga:

  1. Con suficiente cantidad de líquido es posible realizar una destilación simple.

  2. Si se dispone de poca cantidad de líquido, debe emplearse un método “semimicro”. El más conocido es el de Sibolowoff, que usaremos en este práctico para determinar el punto de ebullición de etanol 96°

Procedimiento

  1. Cierre el extremo de un capilar de vidrio de aproximadamente 10 cm de longitud y 1 mm de diámetro interno, con la llama del mechero y déjelo enfriar.

  2. Sumerja el capilar invertido en un tubo de hemólisis que contiene 0,5 – 1 cm3 de líquido cuyo punto de ebullición quiere determinar.

  3. Sujete el tubo de hemólisis a un termómetro empleando un aro de látex, de forma tal que el nivel de líquido se encuentre a la altura del bulbo termométrico.

  4. Sumerja el conjunto en un baño. El líquido que se elige como baño deber tener un punto de ebullición mayor del que se estima tiene la sustancia problema.

  5. Caliente el baño suavemente y observe que comienza una lenta emisión de burbujas de aire desalojado del interior del capilar, lugar que será ocupado por el vapor del líquido. El calentamiento debe ser lento, a una velocidad de 2°C/min para permitir una adecuada transferencia de calor desde el baño al interior del tubo. En el caso de conocerse el punto de ebullición aproximado, puede calentarse rápidamente hasta unos 20°C por debajo y luego disminuir la velocidad de calentamiento, de tal manera que el aumento de la temperatura sea gradual.

  6. Suspenda el calentamiento cuando el flujo de burbujas sea continua, con lo que la evolución de burbujas decrecerá.

  7. Efectúe la lectura de la temperatura cuando la última burbuja tienda a succionarse hacia el interior del tubo capilar, pues éste será el momento en que las presions dentro (Pv) y fuera (Patm) del capilar son iguales y por lo tanto, el valor del punto de ebullición más preciso.

  8. Realice la corrección del Peb con la presión real.


Destilación Simple

Se destila en un equipo similar al de la Figura 2, una muestra de agua de red. Obtenido el destilado se toman en sendos tubos de ensayo alícuotas de aproximadamente 2 cm3 a los que se denominan D1 y D2. En otros dos tubos se toma igual volumen de agua de red y se denominan R1 y R2. Se efectúan los siguientes ensayos:

  1. A los tubos D1 y R1 se adicionan gotas de solución diluida de AgNO3

  2. A los tubos D2 y R2 se adicionan gotas de solución diluida de BaCl2

Escriba las ecuaciones químicas correspondientes a los ensayos realizados explicitando cuáles fueron los iones evaluados en cada caso.
Destilación Fraccionada

En un equipo como el de la Figura 3, se efectúa la separación de una mezcla de agua y alcohol. Para ello, se toman 100 cm3 de la solución hidroalcohólica al 50% a destilar, medidos con una probeta, y se vierten en el matraz de destilación. A continuación se adicionan unas bolas de vidrio, para que la mezcla hierva de forma suave y no se produzcan sobrecalentamientos, comenzando posteriormente el calentamiento de la mezcla. Se observará que el termómetro marca aproximadamente 80 ºC cuando comienza a destilar, ya que ésta es la temperatura de ebullición del alcohol. Cuando cae la primera gota del destilado en la probeta se tomará la temperatura, trasladando este valor a una tabla y se repetirá esta operación cada 10 cm3 recogidos. La práctica se da por finalizada cuando se han recogido en la probeta 90 cm3 de destilado. Los datos obtenidos se volcarán en una tabla V vs T y serán representados en una gráfica volumen / temperatura. La curva de destilación fraccionada obtenida, se comparará con la curva teórica de la Figura 8.

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Figura 8.

Destilación por arrastre de vapor

En esta experiencia se hará la extracción de aceites esenciales de un producto natural a elegir: Tagetes minuta, cáscara de citrus o menta.

Se monta el equipo correspondiente. En el matraz de arrastre se coloca el producto del que se extraerá los aceites. Se ajustan bien todos los tapones y uniones de goma y se coloca un mechero debajo de la caldera (matraz generador de vapor). También es posible poner un mechero debajo del matraz de arrastre para acelerar el proceso.

Siguiendo el modelo de la Figura 7 arme el equipo para realizar la extracción de los aceites esenciales.
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



GUÍA DE TRABAJOS PRÁCTICOS DE LABORATORIO 2012 - INGENIERÍA INDUSTRIAL



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