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Separación por extracción acido base de la mezcla antraceno-ácido salicílico. Grupo 6 †

Cesar Augusto Castro Vargas ([email protected]), Stalin José Manjarrez Castro ([email protected])

Resumen—En la práctica realizada el 15 de octubre de 2019 se llevo a cabo la separación de los componentes de una mezcla solida problema compuesta por antraceno y acido salicílico por medio de una extracción acido base. La separación se llevó a cabo según el diagrama de separación preparado con anticipación. Aunque se analizaron los posibles solventes que pudiesen ser utilizados para la separación de los componentes, ninguno de los reportados cumplió el requisito de no exceder un volumen de 10 mL para una muestra hipotética de 1 g. Términos clave: Extracción acido base, extracción con solvente, solubilidad, diagrama de separación acido base. Abstract—In the practice carried out on October 15, 2019, the components of a solid problem mixture composed of anthracene and salicylic acid were carried out by means of a base acid extraction. The separation was carried out according to the separation diagram prepared in advance. Although the possible solvents that could be used for the separation of the components were analyzed, none of the reports met the requirement of not exceeding a volume of 10 ml for a hypothetical sample of 1 g. Key terms: Base acid extraction, solvent extraction, solubility, base acid separation diagram I.

se pueden mencionar los siguientes tres grupos: separación basada en las diferencias de volatilidad de los componentes en soluciones acuosas; separación basada en las diferencias en las propiedades físicas de los compuestos y separación basada en las diferencias en las propiedades químicas de los compuestos. Una mezcla de componentes conocidos proporciona la ventaja de conocer las diferencias en las propiedades físicas y químicas de los componentes, mientras que una mezcla de composición desconocida presentará un problema de mayor dificultad, ya que será necesario realizar una serie de pruebas preliminares para conocer la naturaleza de los componentes. De la misma manera la separación de una mezcla binaria será mucho más fácil que una mezcla compleja. Muchas veces puede ocurrir que cuando se busca separar los componentes de la mezcla, estos pueden ser separados utilizando reactivos ácidos o básicos que reaccionan químicamente con los componentes básicos o ácidos de la mezcla, respectivamente. Durante la práctica de laboratorio se aplicó este método de separación sobre una muestra sólida de antraceno y ácido salicílico para la posterior purificación del ácido.

INTRODUCCION

En el laboratorio, es más frecuente encontrar mezclas de sustancias orgánicas que compuesta puros. Tales mezclas varían en composición, desde aquellas en las cuales compuestos simples están mezclados con pequeñas cantidades de una o más sustancias, hasta aquellas que contienen considerables cantidades de varías sustancias. Los procesos de purificación vistos anteriormente tales como la destilación en sus diversas formas, la cristalización, la cromatografía, entre otros, son utilizados para la separación de pequeñas cantidades de materiales asociados a los componentes individuales. En la separación de estas mezclas, solamente se desean los compuestos principales puros y las pequeñas cantidades de impurezas son casi siempre descartadas.

II.

A. Procedimiento La descripción del proceso para realizar la cromatografía en capa fina y en columna se hará por medio de un diagrama de flujo como se muestra a continuación:

Cuando una mezcla contiene relativamente grandes cantidades de dos o más componentes, y la recuperación e identificación de cada uno de ellos es indispensable, se debe recurrir a otros métodos de separación, dentro de los cuales †

METODOLOGIA

Estudiantes Universidad Nacional de Colombia. Bogotá, octubre de 2019

Figura 1. Diagrama de proceso para la práctica experimental.

B. Datos de entrada Para el desarrollo de la práctica se investigó la solubilidad de los componentes de la mezcla (antraceno y acido salicílico) en solventes particulares presentados en la tabla 1. Se calculó el volumen necesario para una solubilidad total de los componentes con el fin de verificar el cumplimiento del requisito de no exceder un volumen de 10 mL para una muestra de 1 g (tabla 1). Se determinó el diagrama de separación de la mezcla solida (figura 2)

Tabla 1. Solubilidad en solventes para la mezcla solida antraceno-acido salicílico. 1: Antraceno. 2: Acido sa licílico. Solubilidad (g*L-1) Volumen requerido (mL) Solvente (fseguridad)=1,2 1* 2** Agua

5,8*10-5

3

20,7*106

Etanol Acetato de etilo Xileno

1,4

377

860

8,8

23

189

10,6

7,3

278

Acetona

7,5

381

163

Metanol

1,1

299

1095

Benceno

14,8

7

Etilenglicol 0,23 42 *Datos a 25 ºC. **Datos a 30 ºC

253 5246

Como se observa en la tabla 1, ningún solvente cumple el requisito de no exceder un volumen de 10 mL, por tanto, la elección es atacar directamente con una base fuerte (NaOH). 1. Antraceno Tabla 2. Propiedades físicas antraceno Antraceno Propiedad Formula CAS Masa molar (g*mol-1) Densidad @20 ºC (g*cm-3) Punto de fusión (ºC) Punto de ebullición (ºC) Estructura

Figura 2. Diagrama de separación para la mezcla problema. Las condiciones de trabajo fueron: la presión atmosférica de 560 mmHg correspondiente con Bogotá y una temperatura ambiente de 20°C. ✓

Propiedades de los componentes de la mezcla

Se presentarán las propiedades físicas más relevantes de cada componente de la mezcla y su solubilidad en cada solvente [2] [3] [4] [5] [6]

Valor C14H10 120-12-7 178,23 1,13 213-217 340

2. Ácido salicílico Tabla 3. Propiedades físicas ácido salicílico. Ácido salicílico Propiedad Valor C7H6O3 Formula CAS 69-72-7 Masa molar (g*mol-1) 138,12 Densidad @20 ºC (g*cm-3) 1,443 Punto de fusión (ºC) 157-159 Punto de ebullición (ºC) 211 Estructura

Debe recordarse que los solventes orgánicos son combustibles e inflamables. Por ser altamente cancerígeno, debe evitarse el empleo del benceno como disolvente; su polaridad puede lograrse con otros solventes menos peligrosos. Por su toxicidad, siempre que sea posible, se debe evitar el empleo de los disolventes clorados como el CH 3Cl, CH2Cl2, CHCl3 y CCl4. III. RESULTADOS Y ANALISIS Ya definidas las condiciones de trabajo (presión atmosférica de 560 mmHg, temperatura ambiente de 20 ºC) y el método de separación a seguir, se obtuvieron los resultados representados a continuación: Tabla 4. Resultados método de separación. Característica Valor (± 0,001 g) 0,190 Masa antraceno (g) 0,238 Masa acido salicílico (g) 0,211 Masa para grupo 5 (g) 0,217 Masa para grupo 6 (g) 0,872 Papel filtro+muestra (1) (g) 0,915 Papel filtro+muestra (2) (g) 0,814 Papel filtro vacío (g) 16 Gotas gastadas de NaOH 16 Gotas gastadas de HCl Se observa que se obtuvo dentro de la separación incluyendo ciertas pérdidas de ácido salicílico en el sistema la siguiente masa: 𝑅𝑒𝑛𝑑𝑖𝑚𝑖𝑒𝑛𝑡𝑜á𝑐𝑖𝑑𝑜 (%) =

0,101 ∗ 100% = 93,09% 0,217 2

𝑅𝑒𝑛𝑑𝑖𝑚𝑖𝑒𝑛𝑡𝑜𝑎𝑛𝑡𝑟𝑎𝑐𝑒𝑛𝑜 (%) =

0,058 ∗ 100 = 53,46% 0,217 2

Se observa como el rendimiento de ambas sustancias para ambos supuestos (una mezcla donde se considera que la mitad corresponde al ácido y la otra mitad al antraceno, aunque no se conoce el valor con exactitud debido a la partición ofrecida al grupo 5), se encuentra desbalanceada esto debido a que quizás el mezclado no fue perfecto y al extraer la muestra se observó una pequeña cantidad de esta. Se utilizaron por otro lado 16 gotas de hidróxido de sodio, las cuales se puede determinar la cantidad experimental de ácido clorhídrico requerido: 1𝑚𝑙 1𝐿 2𝑚𝑜𝑙𝑒𝑠 ∗ ∗ 20𝑔𝑜𝑡𝑎𝑠 1000𝑚𝑙 𝑙 = 0,0016 𝑚𝑜𝑙𝑒𝑠 𝑁𝑎𝑂𝐻

𝑚𝑜𝑙𝑒𝑠𝑁𝑎𝑂𝐻 = 16𝑔𝑜𝑡𝑎𝑠 ∗

Las cuales corresponden a la misma cantidad de HCl: 𝑁𝑎𝑂𝐻 + 𝐻𝐶𝑙 → 𝑁𝑎𝐶𝑙 + 𝐻2 𝑂

1𝑚𝑜𝑙𝐻𝐶𝑙 𝑚𝑎𝑠𝑎 𝐻𝐶𝑙 = 0,0016 𝑚𝑜𝑙𝑒𝑠 𝑁𝑎𝑂𝐻 ∗ 1𝑚𝑜𝑙 𝑁𝑎𝑂𝐻 37 𝑔 1𝑔 𝑠𝑜𝑙𝑢𝑐𝑖ó𝑛 ∗ ∗ 1𝑚𝑜𝑙 𝐻𝐶𝑙 0,37𝑔 𝐻𝐶𝑙 = 0,16𝑔𝑠𝑜𝑙𝑢𝑐𝑖ó𝑛 Esto para observar cuanta solución ácida se requiere para neutralizar la base. Para determinar el volumen de ácido se tiene lo siguiente: 1𝑚𝑜𝑙 á𝑐𝑖𝑑𝑜 1𝑚𝑜𝑙 𝑁𝑎𝑂𝐻 ∗ 1𝑚𝑜𝑙 á𝑐𝑖𝑑𝑜 138,121 = 7,3124 ∗ 10−4 𝑚𝑜𝑙𝑒𝑠 𝑁𝑎𝑂𝐻

𝑚𝑜𝑙𝑒𝑠 𝑁𝑎𝑂𝐻 𝑟𝑒𝑎𝑙𝑒𝑠 = 0,101𝑔 ∗

𝑉𝑁𝑎𝑂𝐻 = 7,3124 ∗ 10−4 𝑚𝑜𝑙𝑒𝑠 𝑁𝑎𝑂𝐻 ∗

1𝐿

2𝑚𝑜𝑙𝑒𝑠 𝑁𝑎𝑂𝐻 = 3,6562 ∗ 10−4 𝐿 = 0,36562𝑚𝑙

𝑔𝑜𝑡𝑎𝑠𝑁𝑎𝑂𝐻 = 0,36562 ∗

20𝑔𝑜𝑡𝑎𝑠 = 7,3124 𝑔𝑜𝑡𝑎𝑠 1𝑚𝑙

Estas gotas fueron las necesarias para solubilizar el ácido salicílico. El volumen requerido para neutralizar la solución acuosa de base y regenerar el ácido es entonces:

𝑣𝑜𝑙𝑢𝑚𝑒𝑛 𝐻𝐶𝑙 = 7,3124 ∗ 10−4 𝑚𝑜𝑙𝑒𝑠 𝑁𝑎𝑂𝐻 37 𝑔 1𝑚𝑜𝑙𝐻𝐶𝑙 ∗ ∗ 1𝑚𝑜𝑙 𝑁𝑎𝑂𝐻 1𝑚𝑜𝑙 𝐻𝐶𝑙 1𝑔 𝑠𝑜𝑙𝑢𝑐𝑖ó𝑛 1𝑚𝑙 ∗ ∗ 0,37𝑔 𝐻𝐶𝑙 1,19 𝑔𝑠𝑜𝑙𝑢𝑐𝑖ó𝑛 = 0,06145𝑚𝑙 𝑔𝑜𝑡𝑎𝑠𝐻𝐶𝑙 = 0,06145𝑚𝑙 ∗ 𝑔

20𝑔𝑜𝑡𝑎𝑠 = 1,13𝑔𝑜𝑡𝑎𝑠 1𝑚𝑙

Siendo 1,19 la densidad en 𝑚𝑙 . Dentro de los resultados observados se observa que en realidad para observar una buena cantidad de ácido en solución se requirieron 16 gotas, esto debido a que la molaridad de la base y la del ácido cambian al incluir en el sistema agua, y aunque se adicionó en una proporción insignificante, toma en cuenta a la hora de presentar estos resultados. Es importante aclarar que dentro del experimento fue muy difícil obtener el ácido salicílico, esto debido a que se pudo retener en solución parte del ácido, tanto para la prueba replicada por el grupo 5 como la del grupo 6, y la pérdida de material debido a posibles derrames pequeños, o no conseguir regenerar todo el ácido. 1. • • •

IV. CUESTIONARIO Esquema de separación y reacciones ácido/base para la separación de la mezcla de: Butanol y Ciclohexilamina Ácido salicílico y ácido malónico Resorcinol y Ácido 3,5 - Dinitrobenzoico

• • •

Anilina, Ácido benzoico, N,N - Dietil Anilina y Naftaleno

Anilina, Ácido benzoico, N,N - Dietil Anilina y Naftaleno Aspirina, acetaminofén, cafeína Ácido benzoico, fenol, naftaleno y anilina

Butanol y Ciclohexilamina

Figura 11. Separación Anilina, Ácido benzoico, N,N - Dietil Anilina y Naftaleno Aspirina, acetaminofén, cafeína

Figura 8. Separación Butanol y ciclohexilamina Ácido salicílico y ácido malónico

Figura 9. Separación Ácido salicílico y ácido malónico Resorcinol y Ácido 3,5 – Dinitrobenzoico

Figura 12. Separación Aspirina, acetaminofén, cafeína

Figura 10. Separación Dinitrobenzoico

Resorcinol

y

Ácido

3,5

-

75 𝑔 𝐴 𝑥1 = 11,3 = 6,5 𝑔 𝐴

Ácido benzoico, fenol, naftaleno y anilina

Para la segunda extracción no se cuenta con los 10 g iniciales por lo que se tiene: 𝑔 𝐴 𝑑𝑖𝑠𝑝𝑜𝑛𝑖𝑏𝑙𝑒𝑠 = 10 − 6,5 = 3,5 𝑔 𝐴 7,5 =

𝑥 𝑔𝐴 (25 𝑚𝐿2 ℎ𝑒𝑥𝑎𝑛𝑜)

3,5 − 𝑥2 𝑔 𝑠𝑜𝑙𝑢𝑡𝑜 ) 100 𝑚𝐿 𝑎𝑔𝑢𝑎 𝑥2 = 2,3 𝑔 𝐴

(

Lo mismo ocurre con la tercera extracción, de este modo es necesario determinar los gramos disponibles de soluto para realizar la extracción: 𝑔 𝐴 𝑑𝑖𝑠𝑝𝑜𝑛𝑖𝑏𝑙𝑒𝑠 = 3,5 − 2,3 = 1,2 𝑔 𝐴 7,5 =

𝑥 𝑔𝐴 (25 𝑚𝐿2 ℎ𝑒𝑥𝑎𝑛𝑜)

1,2 − 𝑥3 𝑔 𝑠𝑜𝑙𝑢𝑡𝑜 ) 100 𝑚𝐿 𝑎𝑔𝑢𝑎 𝑥3 = 0,79 𝑔 𝐴 (

Después de realizadas las cuatro extracciones se obtiene un total de gramos eliminados de A: Figura 13. Separación Acido. Benzoico, Fenol, Naftaleno, Anilina 2.

•

El coeficiente de distribución, k = concentración en hexano / concentración en agua, para soluto A es 7,5. ¿Qué cantidad de A se eliminaría de una solución de 10 g de A en 100 ml de agua por una sola extracción con 100 ml de hexano? ¿Qué peso de se eliminaría por cuatro extracciones sucesivas con 25 ml porciones de hexano? ¿Cuánto hexano se requeriría para eliminar el 98,5% de A en una sola extracción? Única extracción con 100 mL de hexano 𝐾=

𝑔 𝑠𝑜𝑙𝑢𝑡𝑜 𝑐𝑜𝑛𝑐𝑒𝑛𝑡𝑟𝑎𝑐𝑖ó𝑛 𝑠1 (𝑚𝐿 𝑓𝑎𝑠𝑒 𝑜𝑟𝑔𝑎𝑛𝑖𝑐𝑎) = 𝑔 𝑠𝑜𝑙𝑢𝑡𝑜 𝑐𝑜𝑛𝑐𝑒𝑛𝑡𝑟𝑎𝑐𝑖ó𝑛 𝑠2 ) ( 𝑚𝐿 𝑓𝑎𝑠𝑒 𝑎𝑐𝑢𝑜𝑠𝑎 𝑥𝑔𝐴 ) ( ℎ𝑒𝑥𝑎𝑛𝑜 𝐾 = 10010𝑚𝐿 = 7,5 −𝑥𝑔𝐴 (100 𝑚𝐿 𝑎𝑔𝑢𝑎) 𝑥=

●

75 𝑔 𝐴 = 8,8 𝑔 𝐴 8,5

Extracciones sucesivas con 25 mL de hexano:

7,5 =

𝑥1 𝑔 𝐴 ) 25 𝑚𝐿 ℎ𝑒𝑥𝑎𝑛𝑜 8,8 − 𝑥1 𝑔 𝑠𝑜𝑙𝑢𝑡𝑜 ( 100 𝑚𝐿 𝑎𝑔𝑢𝑎 )

(

𝑔 𝐴 𝑒𝑥𝑡𝑟𝑎𝑖𝑑𝑜𝑠 = 6,5 + 2,3 + 0,79 + 0,27 = 9,9 𝑔 𝐴 ●

Hexano requerido para eliminar el 98,5% en una única extracción 𝑔 𝐴 = 10𝑔(0,985) = 9,85 𝑔 𝐴 9,85 𝑔 𝐴

) ( 𝑥 𝑚𝐿 ℎ𝑒𝑥𝑎𝑛𝑜 7,5 = 0,15 𝑔 𝑠𝑜𝑙𝑢𝑡𝑜 ( 100 𝑚𝐿 𝑎𝑔𝑢𝑎) 𝑥 = 875,5 𝑚𝐿

3.

Escriba las ecuaciones en que la aspirina es hidrolizada por ebullición en un medio ligeramente ácido

El ácido acetilsalicílico se prepara por acetilación del ácido salicílico mediante un proceso denominado esterificación. La esterificación consiste en la reacción de un grupo carboxilo (COOH) y un grupo hidroxilo (-OH) para formar un grupo ster (–COOR). En este caso la fuente del grupo –OH es el fenol del ácido salicílico, y el grupo acetilo (-COCH3) proviene del anhidrido acético. La reacción requiere catálisis acida.

4.

CONCLUSIONES

De acuerdo con el proceso experimental llevado a cabo y los resultados obtenidos, se concluye: •

•

•

Como información previa antes de realizar la práctica es indispensable conocer los factores que confieren a un compuesto el carácter de ácido o básico, así como la intensidad de esta característica, ya que un mal manejo de esto puede traducirse en una mala elección de reactivos y por lo tanto una práctica no exitosa. La separación ácido-base resulta ser un método bastante eficiente, pues permite aplicar conceptos de solubilidad y polaridad de los diferentes compuestos en estudio, de manera que con esa información es muy sencillo implementar solventes o reactivos adecuados para realizar y mejorar la realización de esta práctica. Se llevó de manera satisfactoria la separación de una muestra problema que contenía antraceno y acido salicílico en unas proporciones aproximadamente iguales. 5. REFERENCIAS

[1] Guerrero., C. Polania., W. (2015). Principios de química orgánica. Guías de laboratorio. Colombia. Universidad Nacional de Colombia. [Capítulo 7] [2] Hansen, H. K., Riverol, C., & Acree, W. E. (2000). Solubilities of anthracene, fluoranthene and pyrene in organic solvents: Comparison of calculated values using UNIFAC and modified UNIFAC (Dortmund) models with experimental data and values using the mobile order theory. The Canadian Journal of Chemical Engineering, 78(6), 1168– 1174. doi:10.1002/cjce.5450780619 [3] May, W. E., Wasik, S. P., & Freeman, D. H. (1978). Determination of the solubility behavior of some polycyclic aromatic hydrocarbons in water. Analytical Chemistry, 50(7), 997 –1000. doi:10.1021/ac50029a042 [4] Nordström, F. L., & Rasmuson, Å. C. (2006). Solubility and Melting Properties of Salicylic Acid. Journal of Chemical & Engineering Data, 51(5), 1668–1671. doi:10.1021/je060134d [5] Paruta, A. N., Sciarrone, B. J., & Lordi, N. G. (1964). Solubility of Salicylic Acid as a Function of Dielectric Constant. Journal of Pharmaceutical Sciences, 53(11), 1349– 1353. doi:10.1002/jps.2600531114 [6] Shalmashi, A., & Eliassi, A. (2008). Solubility of Salicylic Acid in Water, Ethanol, Carbon Tetrachloride, Ethyl Acetate, and Xylene. Journal of Chemical & Engineering Data, 53(1), 199 –200. doi:10.1021/je7004962...