El aislamiento y purificación de todos los productos químicos
que se encuentran en la naturaleza,
y de los otros que pueden sintetizarse en el laboratorio o en la industria,
son aspectos decisivos a considerar
antes de su posible aplicación científica o técnica.
La elección del proceso de purificación
depende de la naturaleza física y química del compuesto.
Se van a tratar a continuación algunas de las técnica más utilizadas
a nivel de laboratorio.
La destilación es una técnica de separación
de los compuestos de una disolución.
Esta separación se basa en los puntos de ebullición de los componentes,
que a su vez será en función de sus presiones de vapor.
La facilidad de separación será tanto mayor
cuanto mayor sea la diferencia entre sus puntos de ebullición.
Si estas diferencias son muy grandes, el proceso se llama destilación simple
El caso límite será cuando uno de los compuestos sea sólido.
Se va a realizar la separación de una solución de tetracloruro de carbono,
punto de ebullición igual a 77ºC
y tolueno, punto de ebullición 110ºC
en un aparato de destilación simple.
Calentaremos lentamente a una velocidad de 2 o 3ºC por minuto
y recogeremos la fracción que destila hasta 77ºC.
Realmente será una temperatura algo más baja
ya que dependerá de la presión atmosférica.
Cuando termine de destilar el tetracloruro de carbono,
la temperatura aumentará rápidamente sin que se produzca destilación
hasta que se alcance la temperatura de ebullición del tolueno,
inferior, desde luego, a los 110ºC de su temperatura de ebullición normal.
Finalmente, anotar los volúmenes de tetracloruro de carbono y tolueno destilados
y expresar la composición de la muestra inicial
en porcentaje en volumen.
Esta técnica se utiliza para la separación de los componentes volátiles
de una disolución.
si consideramos el caso más sencillo de una disolución binaria,
la separación será tanto más fácil
cuanto mayor sea la diferencia entre sus puntos de ebullición.
El proceso de separación se lleva a cabo utilizando
un sistema parecido al que se emplea en la destilación simple,
añadiendo el dispositivo adicional de la columna de destilación.
Su uso permite que el proceso evaporación-condensación
que tiene lugar en la destilación simple,
se repita un número de veces que dependerá de la longitud de la columna.
Al final del proceso,
tendremos un destilado formado casi exclusivamente por
el componente volátil.
Esto es, el del punto de ebullición más bajo.
En tanto que en el matraz de destilación
quedará el componente de punto de ebullición más elevado.
Se va a realizar la separación por destilación fraccionada
de una disolución de acetona,
punto de ebullición de 56ºC,
impurificada con agua, punto de ebullición 100ºC,
considerando que dicha solución tiene un comportamiento ideal,
es decir, que cumple con las leyes de Raoult.
Se inicia el proceso de igual forma que en la destilación simple.
Al comenzar la destilación se recogen fracciones de los siguientes intervalos:
primera fracción, hasta 56ºC;
segunda fracción, de 56ºC a 95ºC;
tercera fracción, es la que queda como residuo en el matraz.
A continuación se miden los volúmenes de las tres fracciones
y se expresa en tanto por ciento la composición inicial de la muestra.
Se puede comprobar la mayor riqueza en aceta de la primera fracción
por su mayor inflamabilidad.
Arde al acercarle una llama.
En tanto que la tercera fracción no se inflama.
Podrían utilizarse otros métodos de comprobación
más sensibles y científicos basados en técnicas instrumentales.
Muchas veces, las disoluciones no presentan un comportamiento ideal.
En este caso las disoluciones reciben el nombre de azeotrópicas.
Existen dos tipos de disoluciones o mezclas azeotrópicas.
Mezclas de punto de ebullición mínimo, son las más frecuentes
y mezclas azeotrópicas de punto de ebullición máximo.
En el punto de ebullición de la mezcla azeotrópica,
la composición del líquido y del vapor son iguales
por lo que es imposible separar los componentes puros por destilación.
Como ejemplo de destilación azeotrópica,
se va a realizar la separación del alcohol de un vino comercial.
El agua y el alcohol etílico
forman un azeótropo de punto de ebullición mínimo
y con una composición peso del 95,57% de alcohol
y 4,43% de ,
que destila a 78,2ºC a la presión normal de 1atm.
Se parte de cincuenta mililitros de vino
y se utiliza el sistema de destilación fraccionada
como en el caso anterior.
La muestra se calienta lentamente
hasta que comienza la destilación aproximadamente a 77ºC
dependiendo de la presión atmosférica.
Y se recoge la fracción mientras que la temperatura permanece constante.
La riqueza aproximada en alcohol
se calculará por el porcentaje en volumen de la mezcla azeotrópica destilada.
Se puede comprobar la riqueza en alcohol de la fracción destilada
mediante su olor o su facilidad de inflamación.
También podríamos determinar el grado alcohólico del vino
recogiendo un volumen de destilado de 25ml,
diluyéndolo en agua destilada hasta el volumen inicial de 50ml,
y midiendo su densidad,
y haciendo su transformación en grado alcohólico con tablas de conversión.
Muchos compuestos no pueden purificarse
mediante destilación a la presión ordinaria,
ya que se descomponen por debajo de sus puntos de ebullición.
O también porque presentan una temperatura de ebullición
demasiado elevada.
En estos casos, se puede destilar a temperaturas mucho más bajas
realizando la destilación a presión reducida.
Esta técnica se basa, por tanto,
en el descenso de la temperatura de ebullición de las sustancias
al disminuir la presión externa.
Utilizaremos un aparato de destilación normal
conectado a una línea de vacío
empleando un vacuómetro para controlar la presión.
Se realiza la destilación bajo vacío de una glicerina impurificada
que a presión normal presenta un punto de ebullición de 290ºC.
Partimos de un volumen de 50ml
y observamos que la destilación se inicia alrededor de los 180ºC,
unos 100ºC más baja que su temperatura de ebullición normal.
Finalmente se comprueba el color de la glicerina destilada
y se compara con el de la impurificada.
La destilación en corriente de vapor o por arrastre con vapor
es una técnica de separación de sustancias miscibles en agua
y de baja volatilidad,
de otros compuestos solubles en agua de naturaleza salina.
La técnica tiene especial aplicación para sustancias con punto de ebullición
superior a 150ºC.
el proceso puede considerarse como una codestilación,
cuya temperatura de ebullición será menor a la de los otros componentes.
El aparato utilizado será el mismo de la destilación sencilla,
con un componente adicional para generar vapor de agua.
Se va a separar por arrastre con vapor
la anilina, punto de ebullición 184,4ºC a presión normal,
de una emulsión acuosa salina de carácter básico.
Iniciado el proceso de destilación,
se observa que la temperatura de destilación está en torno a 97ºC.
Se recoge el destilado,
que estará formado por una dispersión de anilina
en agua de aspecto lechoso y color amarillo claro,
que con el tiempo se oscurece por la oxidación de la anilina.
Para favorecer la separación de las dos fases,
se satura la emulsión con cloruro sódico.
Finalizado el arrastre, se deja sedimentar el destilado
y se separan las dos fases mediante un embudo de decantación.
La anilina menos densa irá a la parte superior del embudo.
La extracción es una técnica muy empleada para
separar un compuesto de una mezcla o aislarlo de sus fuentes naturales.
La operación se realiza utilizando un disolvente
en el que la solubilidad del compuesto a extraer sea muy elevada,
en tanto que para los componentes de la mezcla sea lo más baja posible.
El proceso de extracción puede ser continuo o discontinuo.
Así mismo, y dependiendo del estado de agregación del sistema a extraer,
puede ser sólido-líquido y líquido-líquido.
La extracción discontinua o por etapas puede ser
sencilla o múltiple.
en el primer caso se realiza una única extracción
con un volumen v de disolvente.
En el segundo caso se realizan n extracciones sucesivas
con un volumen de disolvente v partido por n.
Puede demostrarse por aplicación de la ley de reparto
que es más eficaz la extracción múltiple.
Ahora bien,
normalmente no resultan aconsejables más de dos o tres extracciones.
Se va a extraer el yodo de una disolución acuosa
con tetracloruro de carbono como disolvente.
En primer lugar se realiza una extracción sencilla
utilizando un volumen de 20ml de tetracloruro de carbono
y 50ml de la solución acuosa de yodo.
A continuación se realiza una extracción múltiple
utilizando 50ml de la mezcla cuosa
que se extrae dos veces empleando 10ml de tetracloruro de carbono.
Se comparan los colores de las soluciones,
comprobándose la eficiencia de la extracción múltiple frente a la simple.
la posición relativa de las fases en el embudo
dependerá de las densidades relativas.
En nuestro caso, la capa de tetracloruro es más densa,
por lo que se sitúa en el fondo.
Para evitar la formación de emulsiones,
es conveniente saturar con cloruro sódico.
A veces, cuando la solubilidad en el disolvente extractante es baja,
incluso menor que en la fase acuosa,
o se forman emulsiones difíciles de romper,
se emplea un proceso de extracción continua,
utilizando aparatos específicos.
En la imagen se presenta un proceso de extracción de la fracción orgánica
de la materia particulada
procedente de una muestra de contaminación ambiental,
utilizando un extractor tipo soxhlet.
La muestra pesada en el cartucho se introduce en el aparato
y se extrae con 50ml de tolueno.
Una vez finalizada la extracción,
se retira el cartucho, se seca y se pesa,
determinando el porcentaje de sustancia extraída.
La cristalización
es una de las técnicas más usadas para la purificación de compuestos.
Tiene su fundamento en el incremento de solubilidad de los compuestos
al aumentar la temperatura.
el problema fundamental de la cristalización
es la elección del disolvente.
Se va a separar por cristalización
el ácido benzoico de una muestra impura
utilizando agua como disolvente.
En primer lugar, se trata la muestra a purificar
con un volumen pequeño del disolvente.
En nuestro caso agua.
En segundo lugar se calienta la mezcla para disolver la sustancia.
A continuación se filtra en caliente para separar las impurezas no disueltas
y se deja enfriar para que cristalice el compuesto
al disminuir su solubilidad.
Finalmente se filtra para separar los cristales de las aguas madres,
donde quedarán también las impurezas solubles
y por último, se seca.
El proceso se puede repetir
hasta conseguir el grado de pureza deseado.
Es una técnica de purificación muy empleada para
sustancias fácilmente sublimables,
es decir, las sustancias que pasan fácilmente de sólido a gas
cuando se calientan.
Se va a separar el yodo de una mezcla
por sublimación a la presión atmosférica,
utilizando un dispositivo formado por dos tubos concéntricos.
En el tubo exterior, se coloca la mezcla impura,
y en el tubo exterior, que es el tubo colector,
se recoge la sustancia sublimada.
Para favorecer la solidicación,
el tubo interno está conectado a un sistema de refrigeración.
Finalizada la operación, se retira con cuidado
y se determina el porcentaje de yodo recuperado
por diferencia de peso.
Es un tipo de cromatografía
que permite la separación de los componentes de una mezcla
en base a las interacciones que presentan
y con una fase absorbente, sólida, y una fase ebullente, líquida.
Como fase absorbente se utiliza frecuentemente celulosa
o gel de sílice
distribuida uniformemente sobre una placa de vidrio o aluminio
y con un espesor de unas décimas de milímetro,
La fase ebullente, dependerá de las características de los componentes
y deberá seleccionarse previamente.
Para la realización del proceso,
se utiliza un frasco de boca ancha con tapón roscado.
Se añaden, aproximadamente, 25ml del ebullente.
Se introduce un trozo de papel de filtro
de unos cinco centímetros en forma de hélice
y se tapa el frasco de forma que el papel
absorba por capilaridad al ebullente,
saturando de su vapor todo el frasco.
En un trozo de placa de unos 20x80mm
se traza una línea a un centímetro
y con un capilar se coloca una gota de la solución con los componentes
y se deja que el disolvente se seque.
Se abre el frasco y se coloca lentamente la placa
en el interior del mismo.
Debe cuidarse que el nivel del disolvente
esté por debajo de la posición de la gota.
Se cierra el frasco
y se deja que el alcohol ascienda por capilaridad por la placa
y arrastre a diferentes velocidades los componentes de la mezcla.
Cuando el nivel de disolvente haya ascendido
hasta aproximadamente un centímetro del borde superior de la placa
se saca y se marca el nivel que ha alcanzado el disolvente.
Se deja que el disolvente se evapore,
con lo que se visualizarán las posiciones que han alcanzado
los colorantes sobre la placa.
Si medimos las distancias en mm que han alcanzado
las manchas de los colorantes y la del ebullente,
podemos calcular un parámetro característico de cada compuesto
que recibe el nombre de Rf.
Estos valores puede utilizarse con fines de identificación,
ya que son constantes si las condiciones cromatográficas,
disolvente, absorbente, espesor, etcétera...
son las mismas.
El punto de fusión de una sustancia
es la temperatura en la que están en equilibrio
los estados sólido y líquido a la presión atmosférica normal.
Esta constante física es la más empleada para identificar
compuestos sólidos, ya que resulta fácil de determinar
y está poco influenciada por cambios moderados de presión.
Para medir el punto de fusión se utiliza la técnica del capilar.
Consiste en introducir una muestra del compuesto en un capilar,
situarlo en un sistema de calefacción con temperatura controlada
y observar cuándo se produce la fusión.
El sistema más simple,
válido para sustancias que funden por debajo de 300ºC,
es el guiel
consiste en un tubo de vidrio en forma característica,
en el que se introduce un líquido de punto de ebullición elevado
que actuará de baño calefactor.
Los más empleado son glicerina, aceite de parafina y de silicona.
Como aplicación, se va a determinar el punto de fusión del ácido benzoico.
Se introduce la mezcla en el capilar
y se compacta utilizando una varilla de vidrio hueca
de aproximadamente 30cm.
el capilar conteniendo la muestra se une con una gomita al termómetro,
de forma que la parte del capilar con la muestra
quede a la altura del bulbo del termómetro.
El conjunto capilar-termómetro se introduce en el guiel.
A continuación se calienta por su parte acodada,
de forma que se establezca una corriente de convección en el baño.
La velocidad de calentamiento debe mantenerse alrededor de
2ºC por minuto.
Anotándose la temperatura a la cual se produce la fusión,
que se pondrá de manifiesto por el cambio de fase.
Para obtener el punto de fusión exacto,
se deberán introducir las correspondientes correcciones termométricas.
Se define como punto de ebullición de una sustancia
la temperatura a la cual la tensión de vapor
iguala a la presión atmosférica normal.
Es una constante muy utilizada para identificar compuestos líquidos.
La determinación del punto de ebullición
se puede hacer utilizando un aparato de destilación simple.
Este método tiene el inconveniente de que se necesita una muestra abundante.
Por ello, la determinación se hace una técnica para micromuestras.
que consiste en utilizar un capilar de 50mm de longitud
con una estrangulación a 12,5mm,
que se introduce en un tubo de ensayo pequeño unido al termómetro,
conteniendo el líquido cuyo punto de ebullición quiere medirse.
El conjunto se introduce en el baño calefactor.
Como baño calefactor
se puede usar el aparato guiel que utilizamos para el punto de fusión.
Se comienza el calentamiento del baño a una velocidad de 1 a 2ºC por minuto
hasta que se produce un rápido tren de burbujas en el extremo del capilar.
Esto nos indica que la presión del líquido en el capilar
ha igualado a la presión atmosférica.
La temperatura que marca el termómetro en ese momento
corresponde al punto de ebullición del líquido ensayado.
Para obtener el punto de ebullición a la presión atmosférica normal,
se tendrán que introducir las correcciones termométricas.
En especial, la de la presión en el momento del ensayo.
La solubilidad de un compuesto en un solvente
es un parámetro característico de mucha utilidad.
La solubilidad es una propiedad que depende
de la intensidad de las interacciones entre
las moléculas de soluto y el disolvente.
Y que a su vez es función de su naturaleza.
Los disolventes polares como el agua,
disuelven a los compuestos iónicos y a los polares,
en tanto que los disolventes apolares o con polaridad baja,
disolverán principalmente a los compuestos apolares.
Además, la solubilidad dependerá de la temperatura.
Generalmente un aumento de temperatura produce un incremento de la misma.
Se va a determinar la solubilidad del cloruro sódico, sacarina,
ácido benzóico, tolueno, sulfuro de carbono y un acetato
en tres disolvente de polaridad muy diferente:
agua, éter etílico y tetracloruro de carbono.
El método es el siguiente,
se toman aproximadamente 0,1g del compuesto
y se añaden sobre 2ml del disolvente en un tubo de ensayo.
Se agita el conjunto y se observa si desaparece la fase del soluto.
Si es así, el compuesto es soluble en el disolvente ensayado.
Si no es soluble en frío, se prueba en caliente.
Precaución, con los disolventes volátiles
no se debe alcanzar la temperatura de ebullición.
En muchos casos,
la solubilidad es consecuencia de reacciones más intensas,
debido a reacciones ácido-base.
Como ejemplos vamos a comprobar la solubilidad de
la anilina y el ácido benzóico
en soluciones acuosas al 10%
de hidróxido sódico y de ácido clorhídrico.
Determinaremos la solubilidad primero en frío,
temperatura ambiente,
y después en caliente, baño de agua a 90ºC.
Con los datos se construye una tabla de solubilidades de los compuestos
en los tres disolventes, en frío y en caliente.