Anteproyecto de cristalizacion PDF

Preview

Summary

Download Anteproyecto de cristalizacion PDF

Description

Universidad Nacional Autónoma de México Facultad de Estudios Superiores Plantel Zaragoza

Laboratorio de Química Orgánica

Grupo: 2353 Semestre 2020-2 Laboratorio L-413

Anteproyecto de laboratorio “Recristalización de Acetanilida”

Alumno: Chavez Hernandez Irving Jesus Profesora: Anleu Ávila Eloisa Fecha de entrega: 29 de mayo del 2020

Marco teórico. Existen un sinfín de técnicas que nos ayudan a purificar diferentes tipos de compuestos, ya sean sólidos, líquidos o gaseosos, pero en este caso en particular se tratara de la técnica de cristalización, pero para esto es necesario saber qué es y el fundamento teórico de esta. La cristalización de un determinado compuesto tiene lugar cuando las condiciones dentro de un medio, solución, fundido o vapor, bajo una temperatura, presión y sobresaturación dadas, son energéticamente favorables para que los constituyentes formen uniones permanentes. La operación de cristalización es aquella por medio de la cual se separa un componente de una solución líquida transfiriéndolo a la fase sólida en forma de cristales que precipitan. Para poder ser transferido a la fase sólida, es decir, cristalizar, un soluto cualquiera debe eliminar su calor latente o entalpía de fusión, por lo que el estado cristalino además de ser el más puro, es el de menor nivel energético de los tres estados físicos de la materia, en el que las moléculas permanentes inmóviles unas respecto a otras, formando estructuras en el espacio, con la misma geometría, sin importar la dimensión del cristal. Un cristal puede ser definido como un sólido compuesto de módulos arreglados en orden, en un modelo de tipo repetitivo. La distancia interatómica en un cristal de cualquier material definido es constante y es una característica del material. Debido a que el patrón o arreglo de los átomos es repetido en todas las direcciones, existen restricciones definidas en el tipo de simetría que el cristal posee. La forma geométrica de los cristales es una de las características de cada sal pura o compuesto químico, por lo que la ciencia que estudia los cristales en general, la cristalografía, los ha clasificado en siete sistemas universales de cristalización: 1) Sistema Cúbico: Las sustancias que cristalizan bajo este sistema forman cristales de forma cúbica, los cuales se pueden definir como cuerpos en el espacio que manifiestan tres ejes en ángulo recto, con “segmentos”, “látices”, o aristas ”de igual magnitud, que forman seis caras o lados del cubo. A esta familia pertenecen los cristales de oro, plata, diamante, cloruro de sodio, etc. 2) Sistema Tetragonal: Estos cristales forman cuerpos con tres ejes en el espacio en ángulo anverso, con dos de sus segmentos de igual magnitud, hexaedros con cuatro caras iguales, representados por los cristales de óxido de estaño.

3) Sistema Ortorrómbico: Presenta tres ejes en ángulo recto, pero ninguno de sus lados o segmentos son iguales, formando hexaedros con tres pares de caras iguales pero diferentes entre par y par, representados por los cristales de azufre, nitrato de potasio, sulfato de bario, etc. 4) Sistema Monoclínico: Presenta tres ejes en el espacio, pero solo dos en ángulo recto, con ningún segmento igual, como es el caso del bórax y de la sacarosa. 5) Sistema Triclínico: Presenta tres ejes en el espacio, ninguno en ángulo recto, con ningún segmento igual, formando cristales ahusados como agujas, como es el caso de la cafeína. 6) Sistema Hexagonal: Presenta cuatro ejes en el espacio, tres de los cuales son coplanares en ángulo de 60 °, formando un hexágono bencénico y el cuarto en ángulo recto, como son los cristales de zinc, cuarzo, magnesio, cadmio, etc. 7) Sistema Romboédrico: Presentan tres ejes de ángulo similar entre sí, pero ninguno es recto, y segmentos iguales, como son los cristales de arsénico, bismuto y carbonato de calcio y mármol.1

Estos sistemas geométricos son constantes para los cristales del mismo compuesto químico, dimensiones de su tamaño. Los cristales son la forma más pura de la materia, su bien sucede que precipitan múltiples cristales de varias sustancias formando soluciones sólidas de varios colores como son los minerales como el mármol veteado, el jade, ónix, turquesas, etc., en los cuales cada color es de cristales de una sal diferente. Sin embargo, cuando cristaliza solo un solo compuesto químico, los cristales son 100% puros. Además de su forma geométrica, los cristales son caracterizados por su densidad, su índice de refracción, color y dureza. Tipos de cristalización. − Cristalización por Disolución. Para realizar una cristalización por disolución se prepara una disolución sobre saturada del compuesto a purificar. Basándonos en el hecho de que los sólidos son más solubles en caliente que en frío, se va añadiendo el soluto al disolvente en caliente, hasta que dicha disolución alcance la saturación. − Cristalización por Enfriamiento. La rapidez de proceso de filtrado en caliente resulta vital, dado que el producto comienza a cristalizar tan pronto como se inicia el proceso de enfriamiento. Incluso resulta indispensable realizar la filtración con un filtro y embudo previamente calentados, o de lo contrario cristaliza en el propio filtro. − Cristalización por Efecto del disolvente. En este caso se procede a inducir la cristalización rápida de una sustancia soluble en el disolvente utilizado (por ejemplo: agua), variando la polaridad del disolvente.

− Cristalización por difusión líquido-líquido. Este caso es realmente una variante “ralentizada” de la cristalización por efecto del disolvente. Dicha ralentización tiene como consecuencia la formación de un menor número de cristales que por el contrario adquieren un mayor tamaño. − Cristalización por difusión líquido-vapor. En este caso ambas disoluciones se encuentran físicamente separadas. Para ello se utiliza un sistema formado por dos tubos, uno pequeño introducido dentro de otro mayor.2 Solubilidad de equilibrio en la cristalización El equilibrio en la cristalización de cualquier sistema puede ser definido en términos de una curva de solubilidad o saturación y sobresaturación. La curva de sobresaturación difiere de la solubilidad en que su posición no es solamente una propiedad del sistema sino también depende de otros factores como el rango de enfriamiento, el grado de agitación y La presencia de partículas extrañas. Sin embargo, bajo ciertas condiciones, la curva de sobresaturación para un sistema dado es definible, reproducible, y representa la máxima sobresaturación que el sistema puede tolerar, punto en el cual la nucleación ocurre espontáneamente. La curva de solubilidad describe el equilibrio entre el soluto y el solvente y representa las condiciones bajo las cuales el soluto cristaliza y el licor madre coexiste en equilibrio termodinámico. Las curvas de saturación y sobresaturación dividen el campo de concentración-temperatura entre zonas: •

La región insaturada, a la derecha de la curva de saturación

•

La región metaestable, entre las dos curvas

•

La región sobresaturada o lábil, a la izquierda de La curva de sobresaturación.

De acuerdo con la teoría original de Mier´s, en la región insaturada, los cristales del soluto se disolverán, el crecimiento de los cristales comenzará en la zona metaestable, y la nucleación ocurrirá instantáneamente en la zona

lábil. Investigaciones subsecuentes encontraron como otros factores afecta a la nucleación además de la sobresaturación. Teoría de la cristalización. La cristalización se puede analizar desde los puntos de vista de pureza, rendimiento, consumo de energía, o velocidades de formación y crecimiento. Sobresaturación. La cristalización a partir de una solución es un ejemplo de la creación de una nueva fase dentro de una mezcla homogénea. El proceso tuene lugar en dos etapas. La primera de ellas consiste en la formación del cristal y reciben el nombre de nucleación. La segunda corresponde al crecimiento del cristal. El potencial impulsor de ambas etapas es la sobresaturación, de forma que ni la nucleación un el crecimiento adecuado lugar en una solución saturada o insaturada. Para generar la sobresaturación se pueden utilizar tres métodos distintos. Si la solubilidad del soluto aumenta considerablemente con la temperatura, como ocurre frecuentemente con muchas ventas inorgánicas y sustancias orgánicas, una solución saturada se transforma en sobresaturada y simplemente disminuyendo la temperatura por enfriamiento. Si la solubilidad es relativamente independiente de la temperatura como en el caso de sal común, la sobresaturación se puede dar evaporando una parte de ella. Si tanto el tiempo como la evaporación no es lo suficientemente adecuado, como en el caso de solubilidad elevada, la sobresaturación se puede generar añadiendo un tercer componente. El tercer componente puede actuar físicamente dando lugar a una mezcla con el cuerpo original en la que la solubilidad del soluto modificado bruscamente. También, si se desea una pérdida prácticame ntecompleta se puede crear químicamente Naciones Unidas nuevo soluto añadiendo Naciones Unidas tercer componente que reaccione con el soluto original para formar una sustancia insoluble. Este proceso recibe el nombre de precipitación, los métodos utilizados en análisis cuantitativo específico son ejemplos típicos de excepciones. Mediante la adición de un tercer componente es posible crear rápidamente sobresaturaciones muy grandes. Pureza del producto. un cristal en si es muy puro. Sin embargo, cuando se separa del magma final la cosecha de cristales, sobre todo si se trata de agregados cristalinos, la masa de sólidos retiene una cantidad considerable de aguas madres. Por derecho, si el producto se seca directamente, se producir una contaminación que depende de la cantidad y del grado de impureza de las aguas madres retenidas por los cristales .

Equilibrio y rendimiento. en muchos procesos industriales de cristalización los cristales y las aguas madres permanentes en contacto durante el tiempo suficiente para alcanzar el equilibrio, de forma que las aguas madres están saturadas a la temperatura final del proceso. El rendimiento de la cristalización se puede calcular a partir de la concentración de la solución original y la solubilidad a la temperatura final. Si se produce una evaporación apreciable durante el proceso es preciso tenerla en cuenta. Cuando la velocidad de crecimiento de los cristales es pequeña, se necesita un tiempo relativamente grande para alcanzar el equilibrio, sobre todo cuando la solución es viscosa o cuando los cristales se depositan en el fondo del cristalizador, de forma que la superficie de cristales expuesta a la solución sobresaturada es pequeña. En estos casos, las aguas madres finales pueden contener una considerable sobresaturación y el rendimiento real será menor que el rendimiento a partir de la curva de solubilidad. Cuando los cristales son anhidros, el cálculo del rendimiento resultante sencillo, puesto que la fase sólidamente no contiene agua. Si los cristales contienen agua de cristalización es necesaria tenerla en cuenta, ya que esta agua no está disponible para el soluto que permanece en la solución. Los datos de solubilidad s expresan generalmente en partes de masa de material anhidro por ciento partes de masa de análisis total, o bien en tanto por ciento en masa de soluto anhidro. En estos datos no se tiene en cuanta el agua de cristalización. La clave para el cálculo de rendimientos de solutos hidratados consiste en la especificación de todas las masas y en la función de sal hidratada y agua libre. Como esta última permanece en la fase líquida durante la cristalización, las concentraciones y cantidades disponibles en el agua libre se pueden restar para obtener un resultado correcto.4 Crecimiento y propiedades de los cristales. Nucleación El fenómeno de la nucleación es esencialmente el mismo para la cristalización a partir de una solución, cristalización a partir de un producto fundido, condensación de gotas de niebla en una, vapor sobre enfriado, y generación de burbujas en un líquido sobrecalentado, en todos los casos, la nucleación se produce como consecuencia de rápidas fluctuaciones locales a escala molecular en una fase homogénea que está en estado de equilibrio metaestable. Los núcleos cristalinos se pueden formar a partir de moléculas, átomos, o iones. En soluciones acuosas pueden ser hidratados. Debido a sus rápidos movimientos, estas partículas reciben el nombre de unidades cinéticas. Para un volumen pequeño del orden de 100 o 1, la teoría cinética establece que las unidades cinéticas individuales son grandes en localización, tiempo, velocidad, energía, y concentración Los valores, aparentemente estacionarios, de las propiedades intensivas, densidad, concentración y energía, correspondiente a

una masa macroscópica de solución, son en realidad valores promediados en el tiempo de fluctuaciones demasiado rápidas y pequeñas para poder ser medidas a escala macroscópica Efecto de las impurezas El ambiente químico, por ejemplo, la presencia de relativamente bajas sustancias químicas de sustancias ajenas a las especies a cristalizar ya sea impurezas marinas, etc., juega un papel importante en la optimización de los sistemas de cristalización. Su papel es muy importante por diversas razones. La primera, todos los materiales son impuros o contienen trazas de impurezas añadidas durante su procesamiento. Su efecto en debe ser bien conocido, si el sistema de cristalización se desea establecer un control satisfactorio. La segunda, y la más importante, es posible influenciar la salida y el control del sistema de cristalización, o cambiar las propiedades de los cristales mediante la variación de pequeñas cantidades de aditivos afectados elegidos. Esto, agregando ciertos tipos y cantidades de aditivos es posible controlar el tamaño de los cristales , la distribución de tamaño del cristal, el hábito del cristal y su pureza. El ambiente químico puede ser utilizado apropiadamente para variar: •

Alterando a la cinética de cristalización y de aquí a la distribución de tamaño del cristal.

•

Mejorar la calidad del producto y / o el rendimiento, mediante la producción de un cierto tipo de cristal.

•

Producir cristales muy puros de ciertos materiales en los cuales las impurezas sean inaceptables.

Punto de fusión. El punto de fusión es la temperatura de cambio del estado sólido al estado líquido. Para que esto ocurra es necesario que se rompan las fuerzas intermoleculares que mantienen cohesionados en una estructura cristalina las moléculas de un compuesto y por tanto su valor dependerá del balance de las diferentes fuerzas intermoleculares. Por ello, dos compuestos diferentes, aunque presenten estructuras similares, tendrán diferentes puntos de fusión y por tanto una de las utilidades de la determinación del punto de fusión es la posibilidad de identificar sustancias. Además, la presencia de impurezas, incluso en pequeñas cantidades, produce una disminución del punto de fusión, acompañado generalmente de un incremento del intervalo en que funde, por ello otra de las utilidades de la medida del punto de fusión es como criterio de pureza de un determinado compuesto. Los puntos de fusión de las sustancias se pueden determinar de varias formas, las más comunes son utilizando el aparato Fisher Johns.

Método del aparato Fisher Johns El aparato Fisher Johns consta de una placa de aluminio calentada eléctricamente y unida a un termómetro con una escala que generalmente va de 0 a 300 ºC. La muestra se coloca en un cubreobjetos en la depresión de la placa de aluminio. La temperatura se regula por medio de un transformador variable, y la fusión del compuesto se observa con la ayuda de una lente de aumento (lupa) iluminada. El termómetro del equipo requiere de una calibración utilizando compuestos de referencia, más adelante, se explica el procedimiento. Recristalización. Con el fin de conseguir una cristalización más correcta algunas veces es necesario llevar a cabo una recristalización La finalidad de este proceso es conseguir un adecuado grado de pureza que nos permita determinar el punto de fusión de la sustancia. El punto de fusión de un compuesto es una característica física que nos confirma el grado de pureza de una muestra. No se puede hablar de punto de fusión exacto sino de un intervalo de fusión. Si la muestra está impura el intervalo de fusión es alto. En la siguiente tabla presentamos los disolventes más empleados en la cristalización de las clases más comunes de compuestos orgánicos. Tabla 1. Disolventes empleados para la recristalización. (véase en el anexo II) Esta técnica se basa en el hecho de que la mayoría de los compuestos incrementan su solubilidad con la temperatura, de modo que la muestra a recristalizar se disuelve en un disolvente o mezcla de disolventes a su temperatura de ebullición. Posteriormente, tras una serie de operaciones sencillas, se deja enfriar lentamente de modo que se genera una disolución del compuesto sobresaturada lo que favorece la formación de cristales de este al encontrarse en mayor proporción. La formación y crecimiento de cristales en una red ordenada de forma lenta favorece la incorporación de moléculas del compuesto excluyendo de esta red cristalina las moléculas de las impurezas, de modo que al final se obtiene un sólido enriquecido en el compuesto que queremos purificar.5 Elección del disolvente de cristalización. Para su elección es muy útil la regla “semejante disuelve semejante”. Los disolventes más usados en orden de polaridad creciente son: hexano, cloroformo, acetona, acetato de etilo, etanol y agua. Es conveniente elegir un

disolvente cuyo punto de ebullición no sea superior a 60ºC y que a su vez sea por lo menos 10 ºC menor que el punto de fusión del sólido que se desea 5 cristalizar, para que se pueda eliminar fácilmente por evaporación. Muchas veces es necesario usar una mezcla de disolventes y es conveniente probar diferentes mezclas hasta encontrar aquella que nos proporciones la cristalización más efectiva. Una vez obtenidos los cristales se procede a eliminar el líquido sobrenadante llamado “aguas madres” generalmente mediante un proceso de decantación. En algunas ocasiones, no es posible encontrar un disolvente puro que cumpla estos requisitos, y en estos casos, se puede utilizar una mezcla compuesta por dos o más disolventes en cantidades adecuadas. Normalmente, ocurre que el compuesto a purificar es muy soluble en una serie de disolventes, y muy insoluble en otros, de modo que se escoge un disolvente de cada tipo para realizar la mezcla eluyente. Por supuesto, en este caso, además de elegir las proporciones adecuadas de cada uno, es necesario que los disolventes escogidos sean miscibles. Otra manera de llevar a cabo la recristalización en estos casos sería disolver en caliente en la mínima cantidad posible del disolvente en el que se disuelve bien y adicionar una proporción adecuada del disolvente en el que no es soluble para favorecer su cristalización. Filtración. La filtración es una técnica que permite separar los sólidos presentes en una fase fluida en función de su tamaño de partícula, haciendo pasar ésta a través de un medio poroso (denominado medio filtrante) que permite separar dichos sólidos, y que se dispone sobre un dispositivo conocido como soporte de filtración, siendo el más elemental un embudo de filtración. La separación se realiza gracias a que los poros del medio filtrante son más pequeños que las partículas a separar, de forma que en el medio filtrante queda retenido el sólido que se desea separar del líquido que lo atraviesa, que se denomina filtrado. En la práctica corriente de un laboratorio de Química se emplean tres medios porosos: papel de filtro, placas filtrantes de material cerámico, y membranas de filtración. El paso del líquido a través del medio filtrante se consigue por acción de la gravedad, o bien aplicando vacío mediante una bomba por debajo del filtro, de forma que se facilite el paso del fluido a través del medio filtrante. En este caso, la técnica se denomina filtración a vacío, colocándose el medio filtrante sobre un embudo de porcelana aguj...