practicas 7 al 9 PQ

Prácticas de LaboratorioPRÁCTICA 07 DESTILACIÓN SIMPLE Y PUNTO DE EBULLICIÓN Resumen La destilación no es más que la separación de dos componentes (líquidos) basada en la diferencia de sus puntos de ebullición, pueden existir diversos tipos de acuerdo a las necesidades y características de la mezcla de compuestos. La actividad que se presenta a continuación se basa en la realización de una destilación simple, en la cual se verificará el punto de ebullición experimental de una sustancia y el rendimiento del proceso. Se pondrán en práctica los conocimientos básicos relacionados con la técnica, los cuales le serán de utilidad al estudiante en ocasiones futuras para el estudio de la destilación como operación unitaria en los procesos químicos. INTRODUCCIÓN En la química orgánica resulta de vital importancia el estudio de métodos de separación de compuestos, que con el tiempo se han vuelto más sofisticados para vencer las dificultades asociadas a la inmensa similitud en cuanto a las propiedades físicas, esto en vista a la gran cantidad de familias y especies de compuestos orgánicos que existen y que día a día se van descubriendo o sintetizando. Una de las propiedades más comunes es el punto de ebullición y en función a dicha propiedad, quizá la técnica más efectiva y práctica desde muchos puntos de vista para la purificación de sustancias orgánicas, es la destilación. En la industria, el profesional en Procesos Químicos está íntimamente ligado a esta técnica, empleándose principalmente en la industria petrolera y de sus derivados, la destilación ha hecho del proceso de refinación y purificación de las fracciones del petróleo una actividad de rutina. Pero el profesional en procesos químicos no puede ser capaz de enfrentar el reto de entender todo lo que implica un proceso de destilación a gran escala sin antes comprender los conocimientos básicos y el principio físico de esta técnica. Es por esto que a continuación se pretende la realización de una destilación, con el seguimiento del proceso en base a su punto de ebullición y la evaluación de la eficiencia tomando en cuenta la cantidad de producto recuperado, el residuo no destilado y las posibles pérdidas. GENERALIDADES Punto de Ebullición De manera general, el concepto más básico que siempre se ha manejado del punto de ebullición establece que éste es la temperatura a la cual una sustancia pasa del estado líquido al estado gaseoso. Para comprender esta definición de la manera correcta y desde un punto de vista más técnico, es necesario conocer los siguientes términos: 1. Tensión de vapor del líquido: es la presión ejercida por el vapor en equilibrio con el líquido, sobre la superficie del mismo a una determinada temperatura. 2. Presión atmosférica: es la presión que ejerce la atmósfera, en este caso, sobre las sustancias líquidas que pretenden destilar, su valor normal es 760 mmHg. 3. Equilibrio líquido-vapor: se establece un equilibrio binario líquido-vapor cuando en este sistema existen condiciones en que no hay tendencia que se produzca un cambio de estado. Se tiene un líquido a punto de evaporarse (líquido saturado) y Coordinación de Procesos Químicos Laboratorio de Química, Trayecto I, Trimestre III Página. - 1– Recopilado por: C.D.F.A. © 2012 Prácticas de Laboratorio un vapor a punto de condensarse (vapor saturado), y solo puede haber un cambio de estas condiciones si y solo si una fuerza (Fuerza Impulsora) rompe el equilibrio e induce el paso de un estado a otro. 4. Fuerza Impulsora: es toda aquella fuerza que representa un cambio, capaz de romper el equilibrio en un sistema binario líquido-vapor. Esta fuerza puede ser de cualquier tipo, pero en este estudio específico tanto la temperatura como la presión en el sistema son fuerzas impulsoras, por lo que un cambio de alguna de las dos determinará el equilibrio de la destilación. De esta manera, el punto de ebullición puede estar definido como: Es el punto en el cual la tensión de vapor del líquido alcanza los 760 mmHg y vence la presión atmosférica. Este punto se obtiene con el aumento gradual de temperatura que hace que aumente igualmente la tensión de vapor. Entonces, a dicha temperatura se le conoce como punto de ebullición “normal” de una sustancia. Punto de ebullición de líquidos puros: se aplica la definición descrita anteriormente. Punto de ebullición de mezclas: si se tiene una mezcla de dos componentes miscibles entre sí (disolución), donde sus componentes: X (el soluto) y Y (el solvente) se someten a destilación: El punto de ebullición de esta mezcla, será la temperatura a la cual la tensión de vapor total de la solución sea igual a 760 mmHg. El punto de ebullición de mezclas va a depender de la volatilidad de los componentes: a. La presencia de un soluto disuelto menos volátil, hace que la tensión de vapor disminuya y por tanto aumente el punto de ebullición del componente más volátil y de la mezcla (ejemplos: disoluciones de agua-azúcar y agua-sal). b. La presencia de un soluto más volátil, hace que la tensión de vapor aumente y por tanto disminuya el punto de ebullición total del menos volátil y de la mezcla (ejemplos: disoluciones de agua-acetona y agua-etanol). Esto se debe a las uniones intermoleculares entre las especies que forman la disolución, y es un comportamiento que se puede predecir si se conocen dichos componentes. Estas relaciones se explican con la Ley de Roault: “La presión parcial (P) de un componente de una solución a una temperatura dada es igual a la tensión de vapor (Pº) de la sustancia pura multiplicada por su fracción molar (N) en la solución”. Entonces, para cada componente: P (X) = Pº (X) x N (X). P (Y) = Pº (Y) x N (Y) Control del proceso de destilación En la industria, así como en el laboratorio, el proceso de destilación puede controlarse por medio de la medición de diversos parámetros, entre estos los Coordinación de Procesos Químicos Laboratorio de Química, Trayecto I, Trimestre III Página. - 2– Recopilado por: C.D.F.A. © 2012 Prácticas de Laboratorio predominantes son la temperatura y la composición de las fracciones destiladas, pero también están los flujos y presiones. El seguimiento de la temperatura se realiza midiendo ésta a medida que transcurre el tiempo y se obtienen volúmenes de destilado, se verifica que la misma se mantenga constante en valores cercanos al punto de ebullición del componente que se desea destilar, luego se grafica el punto de ebullición en función al volumen destilado para evaluar el comportamiento de la destilación. La gráfica se asemeja a la siguiente figura: Sección III P.Eb. (ºC) Sección II Sección I Volumen destilado (mL) Figura 01. Gráfico del punto de ebullición en función del volumen destilado, para el seguimiento del proceso de destilación de dos componentes. Sección I: una constancia cerca del punto de ebullición del componente menos volátil (el primero en destilar) indica que el proceso se está llevando de manera eficiente y se está separando la primera sustancia con una alta pureza. Sección II: una disminución pequeña de la temperatura (ausencia de vapores alrededor del termómetro), seguido de un aumento brusco de la temperatura indica que viene a destilarse el segundo componente. Generalmente las fracciones obtenidas en esta parte son mezclas de ambos componentes. Sección III: es la línea constante al punto de ebullición del segundo componente, ya no debería haber presencia del primer componente. - - La medición de la composición de los componentes en las fracciones también permite seguir el proceso de destilación además de establecer su eficiencia. Esta se puede realizar mediante diversas técnicas, dependiendo de las características de la fracción destilada. Una de las más conocidas es el índice de refracción: Índice de Refracción de líquidos: es la capacidad que posee un líquido para refractar la luz dentro de el, cuando esta lo atraviesa, es decir, cambia el ángulo con que viaja la luz. Su medición se realiza con el uso de un refractómetro. El índice de refracción, así como el punto de ebullición son propiedades físicas características que permiten identificar sustancias. Rendimiento del proceso de destilación La determinación del rendimiento del proceso de destilación, en todas sus aplicaciones y en todos los casos se realiza por diferencia entre la cantidad inicial de Coordinación de Procesos Químicos Laboratorio de Química, Trayecto I, Trimestre III Página. - 3– Recopilado por: C.D.F.A. © 2012 Prácticas de Laboratorio mezcla de alimentación y la cantidad total destilada, conociendo estos valores y el residuo del balón luego de culminado el proceso es posible saber cuan efectiva fue la separación en estudio. - El porcentaje de destilado viene dado por: % Dest. = Volumen destilado (mL) x 100 Volumen inicial (mL) El porcentaje de residuo (sin destilar) viene dado por: % Res. = Volumen de residuo (mL) x 100 Volumen inicial (mL) El porcentaje de perdidas (es decir lo que no se destiló y se perdió por volatilización y fugas en el sistema) viene dado por: % Perd. = Vol. inicial (mL) – [Vol. destilado (mL) + Vol. De residuo (mL)] x 100 Volumen inicial (mL) O lo que es igual: % Perd. = 100 – (% Dest. + % Res) Tipos de destilación 1. Destilación simple: como su nombre lo indica, es el más sencillo de los procesos de destilación y si se realiza correctamente puede poseer una gran eficiencia. El principio básico es disponer la mezcla a separar en un recipiente (balón de destilación) en la parte inferior del sistema, se conecta a un condensador mediante una cabeza de destilación que posee un termómetro. La destilación simple se emplea para separar componentes con las siguientes condiciones: - Una mezcla de sólidos y líquidos miscibles entre sí. - Dos líquidos con una diferencia de por lo menos 80 ºC en sus puntos de ebullición. - El punto de ebullición total de la mezcla debe estar entre 30 ºC y 150 ºC. - Los componentes deben ser térmicamente estables, es decir, que no se descompongan por acción de la temperatura. 2. Destilación Fraccionada: es un poco más compleja que una destilación simple, pero ofrece la ventaja que permite una mayor y mejor separación de los componentes de una mezcla pues se emplea para ello una columna de fraccionamiento entre el balón de destilación y la cabeza. Las columnas de fraccionamiento son cilindros seccionados, donde cada sección realiza el trabajo de una destilación simple, estas secciones se conocen como platos y permiten el equilibrio entre los vapores que ascienden de la parte inferior del sistema y los líquidos que caen de la parte superior. La destilación fraccionada se emplea para separar componentes con las siguientes condiciones: - Dos líquidos con puntos de ebullición relativamente cercanos (hasta 1 ºC entre ellos). - Las condiciones descritas en la destilación simple. Coordinación de Procesos Químicos Laboratorio de Química, Trayecto I, Trimestre III Página. - 4– Recopilado por: C.D.F.A. © 2012 Prácticas de Laboratorio 3. Destilación al vacío: también conocida como “destilación a presión reducida”, resulta un proceso más complejo que los anteriores pues implica la adición de un equipo que reduzca la presión dentro del sistema (bomba de vacío). Esta disminución de la presión elimina el efecto que ejerce la presión atmosférica sobre las mezclas que se pretenden destilar, por tanto la tensión de vapor de los líquidos no encuentran gran resistencia y las especies empiezan a ebullir a temperaturas mucho menores que su punto de ebullición normal. Si esta técnica se fusiona con la destilación fraccionada ofrece grandes ventajas ante las siguientes condiciones: - Cuando los líquidos a destilar poseen puntos de ebullición muy altos o sobre los 150 ºC y se necesita una gran cantidad de calor para hacerlos hervir. - Si los líquidos descomponen cerca de su punto de ebullición, de esta manera se destilan a menor temperatura evitando que se descompongan o se transformen. - Cuando se trata incluso de sólidos. 4. Destilación por arrastre de vapor: se utiliza para la separación de sustancias insolubles en agua y ligeramente volátiles, mezclados con ella. El arrastre en corriente con vapor hace posible la purificación adecuada de muchas sustancias de puntos de ebullición elevados mediante una destilación a baja temperatura. Esta técnica es particularmente útil cuando la sustancia en cuestión hierve por encima de 100 ºC a la presión atmosférica y se descompone en su punto de ebullición o por debajo de este. Resulta una alternativa al uso de las destilación al vacío, pero ofrece la desventaja que resulta menos eficiente, consume mayor tiempo, energía y su rendimiento es muy bajo. OBJETIVOS General: Estudiar el punto de ebullición y su comportamiento durante el proceso de destilación simple de una mezcla acetona-agua. Específicos:  Entender el proceso de destilación simple.  Realizar el seguimiento del punto de ebullición a medida que se destilan los componentes de la mezcla.  Establecer el rendimiento del proceso de destilación. PRE-LABORATORIO (para investigar y traer en el cuaderno a la sesión de práctica) Para realizar esta práctica el estudiante debe estar en capacidad de: 1. Manejar los siguientes términos:  Destilación a  Equilibrio líquido –  Destilación simple. presión reducida. vapor.  Punto de ebullición.  Condensación.  Tensión de vapor.  Evaporación.  Índice de refracción.  Mezcla. 2. Ventajas y desventajas de una destilación simple. 3. Investigar los puntos de ebullición teóricos de los componentes a destilar. 4. Conocer las normas y medidas de seguridad (toxicidad) de cada compuesto involucrado. 5. Hacer un plan de trabajo. Coordinación de Procesos Químicos Laboratorio de Química, Trayecto I, Trimestre III Página. - 5– Recopilado por: C.D.F.A. © 2012 Prácticas de Laboratorio ES NECESARIO TENER EN CUENTA LO SIGUIENTE: Para realizar la práctica usted debe haber realizado completamente el PRELABORATORIO y consultado las dudas referentes. PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL Consideraciones Previas: - Lea de manera comprensiva el procedimiento e investigue sobre las posibles respuestas a las interrogantes planteadas en el mismo. - Reserve todas las mezclas y fracciones hasta que termine el estudio y luego dispóngalas en los recipientes correspondientes. Parte 1: Montaje del equipo Identifique las partes y materiales que conforman el equipo de destilación y realice el montaje tal y como se indica en la siguiente figura: Figura 02. Montaje para una Destilación Simple y posición correcta del termómetro. Parte 2: Proceso de destilación Notas importantes (NO OLVIDE LEERLAS): - El equipo de vidrio se coloca luego que hayan sido colocados y montados todos los soportes y pinzas, fuente de calentamiento y elevador. Todo el material debe estar asegurado con sus respectivas pinzas en el soporte universal. - Usar grafito o grasa parafinada para realizar las conexiones esmeriladas (consulte primero). - Verificar que no haya fugas de agua. Revisar las conexiones esmeriladas para evitar fugas de vapores. Coordinación de Procesos Químicos Laboratorio de Química, Trayecto I, Trimestre III Página. - 6– Recopilado por: C.D.F.A. © 2012 Prácticas de Laboratorio - Colocar el termómetro una vez concluido el montaje con extremo cuidado de no romperlo. 1. Agregar 5 de perlas de ebullición al balón de destilación. 2. Agregar 30 mL de la mezcla problema en el balón de destilación de 100 o 125 mL. 3. Aplicar calor mediante una fuente adecuada (manta eléctrica, plancha de calentamiento, baño de arena, baño de maría) de manera controlada, cuidando que la velocidad de goteo sea de 5 gotas por minuto durante todo el proceso. Nota: El proceso de calentamiento debe realizarse controladamente, sin aumentos bruscos de temperatura, para que sus resultados sean satisfactorios al final de la destilación. 4. Anote el valor del punto de ebullición al caer la primera gota de destilado. 5. Recoger tres (3) fracciones de destilado y anote el volumen obtenido en cada caso. Nota: Si la temperatura desciende cambie el envase recolector por uno vacío y aumente lentamente el calentamiento. ¿Por qué ese cambio en la temperatura? 6. 7. 8. 9. Anote el punto de ebullición para cada un (1) mililitro de destilado. No destile hasta la sequedad del balón, deje un residuo. Mida el volumen del residuo. Disponer tanto las fracciones destiladas como el residuo del balón en la(s) botella(s) destinadas para tal fin. Consulte con el auxiliar docente. 10. Lave todo el material utilizado en el trabajo práctico y déjelo tal y como lo encontró o en su sitio de procedencia. REPORTAR (para el informe y entregar en el reporte): 1. Tablas de: - Propiedades físicas de la mezcla y componentes destilados. - Temperatura para cada mililitro de destilado. - Volúmenes de: muestra inicial, las fracciones destiladas y el residuo del balón. 2. Porcentaje de recuperación en el proceso de destilación, porcentaje de residuo y porcentaje de pérdidas. 3. Gráfico de temperatura vs volumen del proceso, realizado en papel milimetrado. Determine: - Puntos de ebullición experimentales de los componentes de la mezcla. - El volumen experimental obtenido para cada componente de la mezcla. - ¿Cuáles fracciones contienen mayoritariamente a los componentes de la mezcla por separado (puros)? ALGUNAS REFERENCIAS A CONSULTAR (que se encuentran en la biblioteca de la institución): - BREWSTER, R., VANDERWERF, C. y McEWEN, W. (1978) Curso práctico de química orgánica. Segunda edición. Editorial Alhambra, Madrid – España. - CHANG, R. (1999) Química. Sexta edición. McGraw-Hill, México. - SHRINER, R., FUSON, R., y CURTIN, D. (1977) Identificación sistemática de compuestos orgánicos. Editorial Limusa, México. - SOLOMONS, T. (1999) Química Orgánica. Segunda edición. Limusa Wiley, México. Coordinación de Procesos Químicos Laboratorio de Química, Trayecto I, Trimestre III Página. - 7– Recopilado por: C.D.F.A. © 2012 Prácticas de Laboratorio PRÁCTICA 08 RE-CRISTALIZACIÓN Y PUNTO DE FUSIÓN Resumen La re-cristalización es el procedimiento por excelencia utilizado para la purificación de productos sólidos, basado en su solubilidad en un disolvente específico. Es esencial conocer la solubilidad de dichos compuestos a purificar para así escoger el disolvente adecuado y obtener elevados valores de rendimiento, así como también diversos aspectos a considerar que mejoran los resultados del procedimiento. Por otro lado, una de las maneras de conocer si el sólido re-cristalizado se encuentra libre de impurezas es midiendo su punto de fusión experimental y compararlo con el valor teórico. La actividad práctica que se presenta a continuación pretende describir un procedimiento sencillo para la purificación de un compuesto orgánico sólido mediante la re-cristalización, además de la medición del punto de fusión experimental de una sustancia. INTRODUCCIÓN Los productos de reacciones orgánicas raramente son de gran pureza. Para obtener valores aceptables de sus propiedades físicas, el producto debe purificarse. La técnica de re-cristalización es un arte que requiere mucha práctica. No se encuentran frecuentemente las solubilidades precisas, pero en muchos casos si se acercan a valores cercanos de acuerdo a los resultados deseados. La re-cristalización consta de tres etapas principales: - Disolución y clarificación de la solución. - Inducción de la cristalización. - Filtrado y lavado de los cristales purificados. Cada una de estas etapas serán explicadas más adelante, antes de ello, es necesario establecer una sutil pero importante diferencia entre términos. El término “recristalización” se refiere al procedimiento completo que permite llevar un sólido impuro a un estado de mayor pureza mediante la disolución en caliente de sus cristales y luego inducir la formación de los cristales nuevamente al bajar la temperatura; mientras que la “cristalización” es solo el proceso donde los cristales en solución se empiezan a formar en el seno de un fluido, y donde pudo o no estar implicada la disolución primaria. GENERALIDADES Punto de Fusión El punto de fusión de una sustancia pura es el intervalo de temperatura a la cual la fase sólida cambia a líquida. En algunos casos este proceso se ve a acompañado de una descomposición, es decir que el cambio de temperatura induce a la transformación del compuesto en otro producto y por tanto el valor no refiere necesariamente el punto de fusión. Otros sólidos no son capaces de fundir, sino que pasan directamente del estado sólido al estado gaseoso, ese proceso se conoce como sublimación y se dice que el sólido simplemente “sublima” a esa temperatura. El punto de fusión también se ve influenciado por factores externos y el primordial, al igual que en el caso de la destilación, es la presión. Variando la presión es posible Coordinación de Procesos Químicos Laboratorio de Química, Trayecto I, Trimestre III Página. - 8– Recopilado por: C.D.F.A. © 2012 Prácticas de Laboratorio lograr la fusión de compuestos a temperaturas menores o mayores que la normal a presión atmosférica, incluso es posible obtener la fusión, es decir el paso a líquido, sin que la muestra de descomponga o sublime. La determinación experimental del punto de fusión se puede realizar de varias maneras, desde la más sencilla y automatizada hasta la más compleja y tediosa. Afortunadamente, los avances tecnológicos han permitido lograr que esta sea una tarea fácil con el empleo de los fusiómetros, equipos especializados que controlan los rangos de temperatura y se observa fácilmente la fusión de los sólidos a un valor muy preciso de ésta. Figura 03. Detalle del Fusiómetro (basado en el modelo 9100 de Electrothermal). Sin embargo, cuando no se cuenta con este tipo de equipos es necesario recurrir a otros métodos, que igualmente tiene su eficiencia. En este caso se emplea un termómetro unido al capilar que contiene la muestra y ambos se sumergen en un baño líquido que al aumentarle la temperatura funde el sólido y simplemente se registra la temperatura que marca el termómetro. A continuación se ilustra lo antes dicho: Tubo Thiele Matraz Kjeldahl Balón de destilación Beaker Figura 04. Distintos baños para la determinación experimental del punto de fusión (Tomado de Brewster R., 1978). Coordinación de Procesos Químicos Laboratorio de Química, Trayecto I, Trimestre III Página. - 9– Recopilado por: C.D.F.A. © 2012 Prácticas de Laboratorio Re-cristalización En general, la purificación por re-cristalización se basa en el hecho de que la mayoría de los sólidos son más solubles en un disolvente en caliente que en frío. Las etapas, como se mencionó anteriormente, son las siguientes: - Disolución y clarificación de la solución: El sólido que se va a purificar se disuelve en el disolvente caliente, generalmente a ebullición y la mezcla caliente se filtra para eliminar todas las impurezas insolubles. - Inducción de la cristalización: entonces la solución se deja enfriar para que se produzca la cristalización, generalmente en baño de hielo, y si los cristales no se forman con rapidez o en abundancia se puede hacer lo siguiente: raspar el fondo del recipiente con una varilla de vidrio, introducir un pequeño cristal del mismo compuesto para que los otros se formen a su alrededor o evaporando cierta cantidad del disolvente para concentrar la solución y dejar enfriar nuevamente. De esta manera, ahora impurezas solubles quedan en las aguas madres - Filtrado y lavado de los cristales purificados: la mezcla se filtra y los cristales se lavan con porciones pequeñas del solvente frío, finalmente los cristales secan. Si por una re-cristalización sencilla no se logra la pureza deseada del producto, el proceso puede repetirse tantas veces sea necesaria, empleando el mismo u otro disolvente. Escogencia del disolvente El disolvente juega un papel importante en la re-cristalización. Un disolvente ideal será aquel que tenga un buen coeficiente de solubilidad con la temperatura, esto quiere decir que disuelva grandes cantidades del compuesto en caliente y muy pocas en frío. Las condiciones que debe cumplir el disolvente son además, - Ser químicamente inerte con el compuesto a re-cristalizar, es decir que no reaccione con la muestra en ninguna etapa del proceso. - Ser volátil para eliminarlo fácilmente por evaporación y los cristales sequen rápidamente luego de la filtración final. - No puede ser tóxico, corrosiva o muy inflamable, así se evitan accidentes o lesiones. La siguiente tabla muestra las propiedades más importantes a considerar en algunos disolventes comunes empleados en re-cristalización: Disolvente Fórmula P.E. (ºC) Miscibilidad en agua Inflamabilidad Agua Metanol Etanol Acetona Ácido acético Acetato de etilo Cloroformo Dietil éter Tolueno Benceno Éter de petróleo H2O CH3OH C2H5OH (CH3)2CO CH3COOH CH3-COO.C2H5 CHCl3 (C2H5)2O C6H5-CH3 C6H6 Mezcla (C5H12 – C6H14) 100 64,7 78,1 56,1 118,1 77,2 61,3 34,6 110,6 80,2 35-65 X + + + + - 0 ++ ++ +++ + ++ 0 ++++ +++ ++++ ++++ Coordinación de Procesos Químicos Laboratorio de Química, Trayecto I, Trimestre III Página. - 10– Recopilado por: C.D.F.A. © 2012 Prácticas de Laboratorio La re-cristalización en la industria Desde hace largo tiempo, este proceso, en muchos casos de manera artesanal, se ha empleado para la obtención de sustancias de uso cotidiano, incluso en el rubro alimenticio, no fue sino hasta la llamada revolución industrial, que la obtención de productos cristalinos se mecanizó y se convirtió en una operación unitaria. Algunos ejemplos de la re-cristalización en la industria son: - Extracción de sal en salinas: el agua de mar se encierra en lagunas artificiales, donde por evaporación solar el líquido se hace más concentrado, hasta el punto de formar cristales de cloruro de sodio, que luego se lavan y purifican. - Producción de azúcar: los líquidos extraídos de la caña y otras frutas o vegetales se calientan hasta formar un almíbar, luego por enfriamiento se induce la formación de cristales de sacarosa, de donde se obtiene finalmente el azúcar en varias presentaciones. - Productos químicos de alta pureza como los dicromatos de sodio y potasio, nitratos y otras sales tanto inorgánicas como orgánicas también se obtienen por cristalización de las aguas madres luego de reacciones correspondientes. En la industria farmacéutica y de extracción de productos naturales se emplea esta técnica ampliamente. Si deseas conocer más el proceso de cristalización como operación unitaria puedes consultar la siguiente referencia: McCabe, Smith y Harriot (2002) Operaciones Unitarias en Ingeniería Química. 6ª Edición. Mc Graw Hill. P.p. 973. El ácido acetilsalicílico es un fármaco maravilloso por excelencia. Se utiliza ampliamente como analgésico (para disminuir el dolor) y como antipirético (para bajar la fiebre). También reduce la inflamación y aún es capaz de prevenir ataques cardiacos. No obstante que para algunas personas presenta pocos efectos laterales, se le considera lo bastante segura para ser vendida sin prescripción médica. Debido a que es fácil de preparar, la aspirina es uno de los fármacos disponibles menos costosos. Es producida en grandes cantidades. De hecho la industria farmoquímica produce cerca de 200 toneladas de este farmoquímico cada año. El objetivo de la química verde es desarrollar tecnologías químicas benignas al medio ambiente, utilizando en forma eficiente las materias primas (de preferencia renovables), eliminando la generación de desechos y evitando el uso de reactivos y disolventes tóxicos y/o peligrosos en la manufactura y aplicación de productos químicos. La reacción que involucra esta tecnología de no generación de desechos tóxicos es la siguiente: Coordinación de Procesos Químicos Laboratorio de Química, Trayecto I, Trimestre III Página. - 11– Recopilado por: C.D.F.A. © 2012 Prácticas de Laboratorio OBJETIVOS General: Sintetizar y estudiar el proceso de re-cristalización de una sustancia orgánica y medir el punto de fusión como indicativo de la pureza de la misma. Específicos: o Sintetizar ácido acetilsalicílico por un proceso de química verde.  Realizar el proceso de re-cristalización del ácido acetilsalicilico..  Medir el punto de fusión experimental de la muestra purificada. PRE-LABORATORIO (para investigar y traer en el cuaderno a la sesión de práctica) Para realizar esta práctica el estudiante debe estar en capacidad de: 1. Manejar los siguientes términos:  Re-cristalización.  Punto de fusión.  Cristalización.  Solubilidad  Evaporación. 2. 3. 4. 5. 6. 7.  Factores que afectan la solubilidad.  Impurezas.  Filtración al vacío.  Mezcla. Ventajas y desventajas de una re-cristalización. Reacciones de los fenoles. Acilación de fenoles. Acidez de los fenoles. Formación de ésteres a partir de fenoles. Reacciones de fenoles con anhídridos de ácidos carboxílicos Investigar el punto de fusión teórico de la muestra a purificar. Conocer las normas y medidas de seguridad (toxicidad) de cada compuesto involucrado. 8. Efectos del ácido acetil salicílico en el organismo 9. Obtención de aspirina 10. Hacer un plan de trabajo. ES NECESARIO TENER EN CUENTA LO SIGUIENTE: Para realizar la práctica usted debe haber realizado completamente el PRELABORATORIO y consultado las dudas referentes. PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL Consideraciones Previas: - Lea de manera comprensiva el procedimiento e investigue sobre las posibles respuestas a las interrogantes planteadas en el mismo. - Reserve todas las mezclas y compuestos derivados hasta que termine el estudio y luego dispóngalas en los recipientes correspondientes o donde se le indique. Coordinación de Procesos Químicos Laboratorio de Química, Trayecto I, Trimestre III Página. - 12– Recopilado por: C.D.F.A. © 2012 Prácticas de Laboratorio 1. En un vaso de precipitados de 100 mL coloque 0.56 g (4 mmol) de ácido salicílico y 1.2 mL (1.3 g, 12.68 mmol) de anhídrido acético. 2. Con una varilla de vidrio mezcle bien los dos reactivos. Una vez que se obtenga una mezcla homogénea, adicionar 4 lentejas de NaOH y agitar nuevamente la mezcla con la varilla de vidrio por 10 minutos. 3. Adicionar lentamente 6 mL de agua destilada en 3 porciones agitando constantemente. 4. Mida el pH. Agregue con un gotero una disolución de ácido clorhídrico al 50% hasta que el pH de la disolución sea de 3. 5. La mezcla se deja enfriar en un baño de hielo por 5 minutos 6. Filtre al vacío (ver figura 06). Los cristales del ácido acetilsalicílico se lavan con agua bien fría (Nota 1). 7. Lleve los cristales a la estufa. A 105 °C por 15 minutos. 8. Transcurrido el tiempo, deje enfriar en un desecador. 9. Pese la masa obtenida y mida el punto de fusión 10. Para el proceso de recristalización tome una cantidad del ácido obtenido y disuelvala en una cantidad mínima de agua en caliente. Deje enfriar y filtre al vacío lavando con agua fría. Mida nuevamente el punto de fusíon. 11. OPCIONAL: Puede purificar todo el producto crudo por medio de una recristalización con 9 mL de una mezcla de hexano/acetato de etilo (40:60). Consulte con sus profesores. NOTA 1.- Es importante que el agua esté bien fría y que sea poca la cantidad que se utilice, ya que el ácido acetilsalicílico es ligeramente soluble en agua Figura 05. Detalle del montaje para la filtración al vacío. Para la medición del punto de fusión 1. Realice el montaje que se indica en la figura 04, para el caso del beaker. 2. Tome una pequeña porción de la muestra (ácido acetilsalicilico) con el capilar, tal y como le indique el personal docente. Coordinación de Procesos Químicos Laboratorio de Química, Trayecto I, Trimestre III Página. - 13– Recopilado por: C.D.F.A. © 2012 Prácticas de Laboratorio 3. Ate el capilar al termómetro y sumérjalo en el baño pero sin llegar a la atadura. 4. Comience la calefacción y observe cerca del valor teórico. 5. Anote el rango experimental del punto de fusión, desde que empieza a fundir (valor 1) hasta que el sólido está totalmente fundido (valor 2) REPORTAR (para el informe y entregar en el reporte): 1. Tablas de: - Propiedades físicas del producto recristalizado. - Punto de fusión experimental. - Masa obtenida de producto. 2. Porcentaje de recuperación en el proceso de re-cristalización. 3. ¿Para qué se utiliza la base en la reacción? 4. ¿Para qué se utiliza el anhídrido acético? ALGUNAS REFERENCIAS A CONSULTAR (que se encuentran en la biblioteca de la institución): - BREWSTER, R., VANDERWERF, C. y McEWEN, W. (1978) Curso práctico de química orgánica. Segunda edición. Editorial Alhambra, Madrid – España. - SHRINER, R., FUSON, R., y CURTIN, D. (1977) Identificación sistemática de compuestos orgánicos. Editorial Limusa, México. - Curzons, A. D., Constable, D. J. C., Mortimer, D. N., Cunningham, V. L., Green Chemistry 3, 1-6, 2001 Otros sitios de interés: http://www.scribd.com/doc/17714981/Cristalizacion-En-La-Industria-Alimentaria http://www.textoscientificos.com/quimica/cristales http://dialnet.unirioja.es/servlet/articulo?codigo=795132 http://1aaditiqigrupob.wordpress.com/2009/10/25/importancia-de-la-cristalizacion-en-laindustria/ Coordinación de Procesos Químicos Laboratorio de Química, Trayecto I, Trimestre III Página. - 14– Recopilado por: C.D.F.A. © 2012 Prácticas de Laboratorio PRÁCTICA 09 IDENTIFICACIÓN DE GRUPOS FUNCIONALES ORGÁNICOS; SOLUBILIDAD Y PROPIEDADES QUÍMICAS Resumen Los grupos funcionales orgánicos son aquellas secciones de la molécula de un compuesto que le confieren propiedades características y lo agrupan en una familia o grupo de sustancias. Dentro de los compuestos orgánicos se distinguen comúnmente las siguientes familias: hidrocarburos (alcanos, alquenos, alquinos y aromáticos), haluros de alquilo, alcoholes, aldehídos, cetonas y ácidos carboxílicos, además están también los éteres, ésteres, aminas, amidas, anhídridos, entre otros. Identificar cualitativamente un grupo funcional requiere el empleo de procedimientos y reacciones específicas características a cada grupo funcional, la reactividad de una muestra, o la falta de ésta, ante una y otra prueba puede dar un indicio del tipo de compuesto que se tiene y sumado a esto están propiedades físicas como solubilidad y estado físico y las propiedades organolépticas (olor, color) que ayudan en la identificación de dicha especie. La práctica que sigue relata de manera condensada el estudio de ciertas propiedades físicas y químicas de las especies más comunes encontradas en la industria y que resultan de importancia al futuro ingeniero en procesos químicos. INTRODUCCIÓN Las sustancias químicas conocidas se clasifican en dos grandes categorías; los compuestos orgánicos y los inorgánicos, éstos últimos estudiados en diversas ocasiones en cursos pasados. Es el turno de estudiar las propiedades características de los compuestos orgánicos. El gran grupo de los compuestos orgánicos posee características muy comunes entre sus miembros, de manera muy general se pueden mencionar las siguientes en comparación con las conocidas para las sustancias inorgánicas:  Están constituidos principalmente por los elementos: C, H, O, N, S, P y halógenos.  Los estados físicos van en su mayoría del gaseoso al líquido, y los sólidos son solo aquellos de masa molecular muy elevada.  Poseen puntos de fusión y ebullición y densidades relativamente bajos.  Son muy volátiles, y casi todas las familias son insolubles en agua, pero miscibles en solventes no polares.  Sus reacciones son lentas en condiciones normales, para acelerarlas se necesitan casi siempre catalizadores y el aumento de la temperatura puede provocar en muchos casos reacciones explosivas.  No son conductores de la electricidad, ni en solución o fundidos.  La gran mayoría de las especies son inflamables, muy inflamables y hasta explosivas; higroscópicos y propensos a descomposición por acción de la luz y el aire. Ahora bien, dentro de este inmenso universo de compuestos, estas mismas propiedades, cuando son diferentes entre especies, han permitidos clasificarlos en Coordinación de Procesos Químicos Laboratorio de Química, Trayecto I, Trimestre III Página. - 15– Recopilado por: C.D.F.A. © 2012 Prácticas de Laboratorio familias o “series homólogas”, cabe destacar que cada serie homóloga depende del grupo funcional unido a la cadena. Este grupo funcional es el que establece las propiedades características dentro de la misma familia, de acuerdo a la posición del mismo y la cantidad existente de grupos funcionales. De las familias más conocidas mencionadas con anterioridad, son de gran importancia para el ingeniero en procesos químicos los hidrocarburos derivados del petróleo. A continuación se resumen en la siguiente tabla, aquellas más comunes y de relevancia para este estudio. COMPUESTO Alcanos Alquenos Alquinos Aromáticos Haluros de alquilo Alcoholes Aldehídos Anillo aromático R–X X: Halógeno R – OH Oxidrilo R – CO – H Carbonilo GRUPO FUNCIONAL C–C Enlaces simples C=C Enlaces dobles C=C Enlaces triples SUFIJO ...ano …eno …ino …eno Haluro de …ilo …ol …al EJEMPLO CH3- CH3 Etano CH2=CH2 Eteno HC=CH Etino Benceno CH3-CH2-Cl Cloruro de Etilo CH3-CH2-OH Etanol O II Etanal CH3-C - H O R – CO – R II Propanona Cetonas …ona Carbonilo CH3-C - CH3 O Ácido R – COOH II Etanoico Ácidos Carboxílicos Carboxilo Ácido …oico CH3-C - OH R: cadena sustituyente (alifática, alicíclica, aromática) y X: F, Cl, Br, I. GENERALIDADES Propiedades organolépticas Se les denomina “organolépticas” porque son las propiedades que se pueden percibir a través de los órganos sensoriales (sentidos: vista, olfato, tacto, gusto). De esta manera se puede clasificar en base a:  Estado físico: sólido, líquido, gaseoso.  Color: el tono del color, si la sustancia es traslúcida u opaca.  Olor: inodora, olor moderado o fuerte, y los tipos de olores: dulce, picante, acre o si es irritante.  Forma del sólido: polvo cristalino, cristales (tamaño y forma: cúbicos, en aguja), aglomerado, disperso, escamas u hojuelas. Propiedades físicas Coordinación de Procesos Químicos Laboratorio de Química, Trayecto I, Trimestre III Página. - 16– Recopilado por: C.D.F.A. © 2012 Prácticas de Laboratorio De las más conocidas, dos se estudiaron con anterioridad: el punto de ebullición y el punto de fusión, otras son la densidad y la solubilidad. La densidad no es más que la relación entre la masa por unidad de volumen (g/cm3, g/mL) de una sustancia, se determina experimentalmente con el uso de un picnómetro o en su defecto un balón aforado de poca graduación. Por su parte, la solubilidad es la capacidad que tiene una sustancia de repartirse por solubilización en el seno de otra. Por tanto, las sustancias (soluto) que son muy solubles o solubles con otras (solvente) son aquellas que se reparten completamente o hasta cierto punto en el solvente, debido a interacciones entre las moléculas de ambas especies. Las sustancias insolubles carecen de estas interacciones y no pueden repartirse en el solvente. La gran mayoría de las familias orgánicas son insolubles o poco solubles en agua, solo los representantes de baja masa molecular de los alcoholes, aldehídos, cetonas y ácidos carboxílicos son solubles en agua. Efecto de la cadena en las propiedades físicas El número de átomos de carbono en una cadena determina las propiedades físicas de los compuestos orgánicos, esto se conoce coloquialmente como “tamaño de la cadena” o se dice que varían de acuerdo a la “masa molecular”.  Puntos de fusión y ebullición: estas propiedades son directamente proporcionales a la masa molecular, es decir “mientras más larga es la cadena mayor es el punto de ebullición y el punto de fusión de un compuesto”.  Densidad: también es directamente proporcional a la masa molecular: Todos los hidrocarburos, los haluros de alquilo del flúor y los primeros del cloro son menos densos que el agua, así como los primeros alcoholes, aldehídos y cetonas; los restantes poseen densidades superiores a la unidad.  Solubilidad: a medida que aumenta la masa molecular disminuye la solubilidad de los compuestos orgánicos en agua y aumenta en solventes no polares. Todos los hidrocarburos y haluros de alquilo son insolubles en agua, los alcoholes, aldehídos, cetonas y ácidos carboxílicos de más de 4 ó 5 átomos de carbono son poco solubles en agua y luego de los 6 carbonos son insolubles apreciablemente. Se dice entonces que: si el compuesto es soluble en agua es un compuesto polar, en cambio si es insoluble en agua, se está en presencia de un compuesto no polar. Pruebas de Identificación de compuestos orgánicos Así como existen las propiedades físicas, también existen las propiedades químicas y estás no son más que la capacidad que pueda tener cierta sustancia de reaccionar o no ante un reactivo específico. Existen pruebas específicas para ciertos grupos funcionales que permiten identificarlos. A esto se le conoce como “Análisis Cualitativo”, es decir, saber “qué es lo que hay”. Para este curso práctico, las pruebas más sobresalientes, necesarias e importantes desde el punto de vista de los procesos químicos, se explican a continuación con las reacciones representativas en cada caso: 1. Capacidad de oxidación Se lleva a cabo mediante la prueba del permanganato de potasio (KMnO4), también conocido como “Reactivo de Baeyer” Esta prueba involucra reacciones de oxidación por su alto poder oxidante; todas las sustancias susceptibles a oxidarse Coordinación de Procesos Químicos Laboratorio de Química, Trayecto I, Trimestre III Página. - 17– Recopilado por: C.D.F.A. © 2012 Prácticas de Laboratorio reaccionarán positivas ante esta prueba. En el caso de las instauraciones (dobles y triples enlaces alifáticos) hay una adición de grupos oxidrilo (-OH) a la instauración. La prueba se considera positiva cuando: el color violeta intenso del permanganato cambia a marrón o pardo por la formación de un precipitado de óxido de manganeso. La prueba es positiva para: alquenos, alquinos, aromáticos como el tolueno y xilenos, alcoholes y aldehídos. Las reacciones características se muestran a continuación. Alquenos Alquinos Alcoholes Aldehídos Observación: las reacciones no se encuentran balanceadas, usted deberá consultar con el docente la manera correcta de balancearlas. 2. Deshidratación de Alcoholes Reacción muy común para la obtención de alquenos a partir de alcoholes, se lleva a cabo con el empleo de ácido sulfúrico (H2SO4) concentrado y frío y es del tipo exotérmica. La prueba se considera positiva cuando: la mezcla se torna de un color crema suave y se percibe un aumento de temperatura en la superficie del tubo. Coordinación de Procesos Químicos Laboratorio de Química, Trayecto I, Trimestre III Página. - 18– Recopilado por: C.D.F.A. © 2012 Prácticas de Laboratorio 3. Obtención de derivados Muchos compuestos son susceptibles a reaccionar con otros para dar lugar a productos que se consideran derivados, pues a través de ellos se puede identificar al compuesto de partida. Una de las pruebas más prácticas que existe es el ensayo de la “2,4-dinitrofenilhidracina”, ésta reacciona con la gran mayoría de los aldehídos y las cetonas para dar lugar al derivado de 2,4-dinitrofenilhidrazona correspondiente. Esta prueba es útil para conocer la existencia de este tipo de compuestos (aldehídos y cetonas) como impurezas dentro de otras sustancias o durante la separación (por ejemplo por destilación) de una mezcla de estos con otro compuesto orgánico. La prueba se considera positiva cuando: se forma un precipitado de color amarillo o naranja rojizo. Los aldehídos van del amarillo al naranja y las cetonas del naranja al rojo brillante. Esta prueba es inmediata. Aldehídos Cetonas 4. Acidez y formación de sales Todos los ácidos carboxílicos son capaces de reaccionar con bases como el hidróxido de sodio (NaOH) y el bicarbonato de sodio (NaHCO3). Esta prueba resulta útil para diferenciar ácidos carboxílicos y estimar su fuerza. La prueba se considera positiva cuando: el compuesto se disuelve en solución de NaOH y puede haber o no calentamiento o cuando entra en contacto con una solución de NaHCO3 se observa el desprendimiento de dióxido de carbono. Coordinación de Procesos Químicos Laboratorio de Química, Trayecto I, Trimestre III Página. - 19– Recopilado por: C.D.F.A. © 2012 Prácticas de Laboratorio Importancia de la práctica Actualmente existen técnicas muy sofisticadas para la identificación de compuestos, ya sea en el seguimiento de un proceso o en la verificación final de la pureza de los productos obtenidos, sin embargo, esta experiencia resulta fundamental pues constituye la base que el futuro ingeniero en procesos químicos tendrá en química orgánica, si se quiere, no específicamente en la identificación de compuestos por pruebas cualitativas, sino más bien en la familiarización con este tipo de productos en función a sus propiedades físicas, para que en labores posteriores y en su desempeño profesional tenga los conocimientos necesarios sobre el tema y sepa aplicarlos a cabalidad. OBJETIVOS General: Estudiar las propiedades físicas y químicas de especies orgánicas representativas. Específicos:  Verificar las propiedades organolépticas (olor, color, estado físico).  Realizar ensayos de solubilidad en solventes polares y no polares.  Aplicar pruebas de reactividad con permanganato de potasio, ácido sulfúrico concentrado, 2,4-dinitrofenilhidracina, hidróxido de sodio y bicarbonato de sodio. PRE-LABORATORIO (para investigar y traer en el cuaderno a la sesión de práctica) Para realizar esta práctica el estudiante debe estar en capacidad de: 1. Manejar los siguientes términos:  Solubilidad.  Solvente.  Soluto.  Factores que afectan la  Polaridad. velocidad de la reacción. 2. Investigar las reacciones involucradas en la práctica y las estructuras moleculares. 3. Conocer las normas y medidas de seguridad (toxicidad) de cada compuesto involucrado. 4. Hacer un plan de trabajo. ES NECESARIO TENER EN CUENTA LO SIGUIENTE: Para realizar la práctica usted debe haber realizado completamente el PRELABORATORIO y consultado las dudas referentes. Coordinación de Procesos Químicos Laboratorio de Química, Trayecto I, Trimestre III Página. - 20– Recopilado por: C.D.F.A. © 2012  Reacción química. Prácticas de Laboratorio PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL Consideraciones Previas: - Lea de manera comprensiva el procedimiento e investigue sobre las posibles respuestas a las interrogantes planteadas en el mismo. - Reserve todas las mezclas y compuestos derivados hasta que termine el estudio y luego dispóngalas en los recipientes correspondientes o donde se le indique. Parte 1: Propiedades organolépticas Usted contará con una batería de diez (10) tubos de ensayo tapados dispuestos frente a su sitio de trabajo y sobre el mesón. Los tubos de ensayo contendrán las siguientes muestras y así mismo estarán identificados: Hexano, Tolueno, Etanol, Alcohol Bencílico, Metanal, Benzaldehído, Acetona, Benzofenona, Ácido Etanóico y Ácido Benzóico. 1. Tome un primer tubo de ensayo (sin importar el orden) y observe las propiedades: Estado físico, color, apariencia. 2. Destape levemente el tubo y huela con precaución, tal y como le indique el personal docente. Identifique un olor característico. 3. Anote los resultados en su cuaderno y repita para todos los casos en cada tubo de ensayo. Analice en función a la estructura de las moléculas. Parte 2: Solubilidad. En tubos de ensayo con tapón de goma enumerados del 1 al 8 disponga lo siguiente con ayuda de los frascos gotero y añada los disolventes según se indica en la tabla siguiente: Tubo número Reactivo y cantidad Columna A Columna B 3 gotas de hexano 1 2 3 gotas de etanol 3 4 3 gotas de ácido etanóico 5 6 Pequeña porción de ácido benzóico 7 8 1. Tape todos los tubos de ensayo cada vez que añada reactivo. 2. A las muestras de la columna A se le añadirán 5 gotas de agua a cada tubo. 3. A las muestras de la columna B se le añadirán 5 gotas de tolueno en cada tubo. 4. Tape los tubos y agite levemente. 5. Anote las observaciones en su cuaderno ¿A qué se deben las diferencias entre los resultados? Parte 3: Reactividad. En tubos de ensayo con tapón de goma enumerados del 9 al 15 disponga lo siguiente con ayuda de los frascos gotero y añada los reactivos según se indica en la tabla siguiente: Primer paso (3 gotas) Segundo paso (5 gotas) Precauciones Tubo nº Muestra a estudiar Reactivo Coordinación de Procesos Químicos Laboratorio de Química, Trayecto I, Trimestre III Página. - 21– Recopilado por: C.D.F.A. © 2012 Prácticas de Laboratorio 9 Hexano KMnO4 10 Etanol KMnO4 11 Etanol H2SO4 12 Metanal 2,4-dinitrofenilhidracina 13 Acetona 2,4-dinitrofenilhidracina 14 Ácido Etanóico NaOH 15 Ácido Etanóico NaHCO3 1. Tape todos los tubos de ensayo cada vez que añada reactivo. 2. Agite tras el agregado de cada reactivo. 3. Anote las observaciones en su cuaderno. En la campana En la campana Sea atento(a) a las precauciones que se indican en la tabla, la realización debe ser en la campana por su propia seguridad. Evitemos accidentes. REPORTAR (para el informe y entregar en el reporte): Tablas de: - Propiedades organolépticas observadas. - Solubilidades. - Observaciones en las reacciones. ALGUNAS REFERENCIAS A CONSULTAR (que se encuentran en la biblioteca de la institución): - CHANG, R. (1999) Química. Sexta edición. McGraw-Hill, México. - SHRINER, R., FUSON, R., y CURTIN, D. (1977) Identificación sistemática de compuestos orgánicos. Editorial Limusa, México. - SOLOMONS, T. (1999) Química Orgánica. Segunda edición. Limusa Wiley, México. Coordinación de Procesos Químicos Laboratorio de Química, Trayecto I, Trimestre III Página. - 22– Recopilado por: C.D.F.A. © 2012