Práctica 2 - Cristalización simple PDF

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Cristalización simple...

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Universidad Nacional Autónoma de México. Facultad de Química. Laboratorio de Química Orgánica I

Objetivos. •

Encontrar el disolvente ideal dependiendo sus características para una cristalización.

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Comprender la solubilidad del compuesto en diferentes compuestos orgánicos y con ello seleccionar la mejor opción para la cristalización.

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Purificar un compuesto mediante la cristalización simple.

Introducción. La cristalización es el método más adecuado para purificar compuestos sólidos, siempre y cuando tengan una cantidad moderada de impurezas. Se basa en el hecho de que los sólidos orgánicos son más solubles en un disolvente a la temperatura de su punto de ebullición que a temperatura ambiente.

Un compuesto orgánico cristalino está constituido por un empaquetamiento tridimensional de moléculas unidas principalmente por fuerzas de Van der Waals, que originan atracciones intermoleculares débiles. La cristalización es un proceso de purificación bastante selectivo ya que, en el crecimiento del cristal, el empaquetamiento regular de moléculas de un mismo tipo, forma y tamaño tiende a excluir la presencia de impurezas. Una de las principales ventajas de esta técnica es que es aplicable tanto a pequeña como a gran escala. El primer paso en una cristalización implica disolver el sólido a purificar en la mínima cantidad del disolvente apropiado en caliente, con lo que se obtiene una disolución saturada. Al enfriar, la disolución se sobresatura con respecto al sólido, que empieza a formar pequeños núcleos de cristalización en las paredes del recipiente o en la superficie del líquido. Una vez que estos núcleos se han formado, otras moléculas llegan a su superficie y se unen dando lugar al retículo cristalino. Sin embargo, las impurezas solubles permanecen en disolución, ya que no están lo suficientemente concentradas como para saturar la disolución y cristalizar. Los cristales obtenidos se recogen por filtración, separándose así de las aguas madres, se lavan varias veces con el mismo disolvente frío para eliminar las impurezas adheridas a la superficie y finalmente se secan. Si después de cristalizar no se obtiene el sólido con la pureza deseada, el proceso puede repetirse empleando el mismo u otro disolvente. La cristalización idónea es aquella que tiene lugar lentamente, ya que conduce a cristales muy puros. Si el enfriamiento de la disolución se realiza muy rápidamente, el compuesto puede precipitar en lugar de cristalizar. La precipitación es la formación rápida de un sólido amorfo, mientras que cristalización es la formación lenta de un sólido cristalino. La diferencia a nivel practico, es que un compuesto que ha precipitado puede contener impurezas que hayan quedado atrapadas en el sólido amorfo por inclusión. La elección de un disolvente es un paso crucial, ya que el éxito de la cristalización esta condicionado y el disolvente ideal es aquel que cumple con los siguientes requisitos: •

Disolver el sólido a purificar en caliente (a la temperatura del punto de ebullición del disolvente) pero no en frío (a temperatura ambiente o a 0°C).

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Disolver muy mal o muy bien las impurezas, para que puedan eliminarse al filtrar en caliente o quedar disueltas en las aguas madres, respectivamente.

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No reaccionar con el compuesto a cristalizar.

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Presentar un punto de ebullición inferior al punto de fusión del sólido.

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Ser relativamente volátil con el fin de que los cristales obtenidos puedan secarse con facilidad.

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No ser tóxico ni inflamable.

La realidad es que no existe ningún disolvente que cumpla con todas estas características y aunque todas son importantes, es imprescindible que al menos cumpla con una de las cuatro. A la hora de decidir en qué disolventes probar, la primera regla a considerar es “semejante disuelve a semejante”. En otras palabras, un disolvente disolverá mejor aquellos compuestos que presenten una estructura química similar a la suya. En muchas ocasiones no es posible encontrar un disolvente en el que el compuesto a cristalizar sea soluble en caliente e insoluble en frío. En estos casos, resulta de gran utilidad combinar un disolvente, en el que el sólido sea insoluble en frío y en caliente, con otro en el que sea soluble en frío y en caliente, y cristalizar en una mezcla de ambos. Para que un par de disolventes puedan ser utilizados para cristalizar, deben cumplir los siguientes requisitos: •

Ser completamente miscibles.

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Tener puntos de ebullición próximos para evitar que uno de ellos se evapore completamente.

Metodología.

Resultados y análisis. Tabla 1. Solubilidad en disolventes orgánicos. Disolventes

Hexano

Acetato de

Acetona

Etanol

Metanol

Agua

etilo Soluble en frío

Insoluble

Soluble

Soluble

Soluble

Soluble

Insoluble

Soluble en caliente

Insoluble

-

-

-

-

Soluble

-

-

-

-

-

Sí

Formación de cristales

La elección del disolvente ideal debe cumplir con ciertas características, pero con los resultados de la tabla 1 se busca un disolvente que cumpla con ser insoluble a temperatura ambiente y que sea soluble a una temperatura de ebullición, por lo que el disolvente ideal que cumple con esas características es el agua. •

¿De qué manera puede determinar fácilmente la pureza del compuesto?

La más sencilla es después de terminar la cristalización, obtener el punto de fusión y observar si éste es similar a los valores marcados en la literatura, una muestra sin impurezas debe tener un rango de fusión bastante pequeño por lo que el rango de fusión nos dirá la pureza del compuesto.

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Rendimiento.

El rendimiento nos sirve para obtener la eficiencia de la cristalización, en este caso de 0.5 g solo obtuvimos una masa final de 0.34 g, por lo que nuestro porcentaje de rendimiento es el siguiente: %𝑅𝑒𝑛𝑑𝑖𝑚𝑖𝑒𝑛𝑡𝑜 =

%𝑅𝑒𝑛𝑑𝑖𝑚𝑖𝑒𝑛𝑡𝑜 =

𝑚𝑓𝑖𝑛𝑎𝑙 × 100 𝑚𝑖𝑛𝑖𝑐𝑖𝑎𝑙

0.34 𝑔 × 100 = 68% 0.5 𝑔

El rendimiento de la cristalización fue del 68%, por lo que indica una gran presencia de impurezas en la muestra inicial de ácido benzoico, sin embargo, es posible que el rendimiento disminuyera por errores en el procedimiento experimental como filtraciones deficientes.

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Una muestra sólida X se desea cristalizar, y después evaluar su solubilidad se encontró lo siguiente: Solubilidad en frío (soluble en metanol, etanol y acetona; insoluble en agua, hexano y acetato de etilo), Solubilidad en caliente (soluble en hexano, acetato de etilo; insoluble en agua). ¿Qué disolvente o disolventes utilizaría para efectuar la purificación?

Disolventes

Hexano

Acetato de

Acetona

Etanol

Metanol

Agua

etilo Soluble en frío

Insoluble

Insoluble

Soluble

Soluble

Soluble

Insoluble

Soluble en caliente

Soluble

Soluble

-

-

-

Insoluble

Para elegir el disolvente ideal se busca que con la muestra X sea insoluble a temperatura ambiente y soluble a una temperatura cercana a la de ebullición, los disolventes que cumplen con estas características son el hexano y acetato de etilo, sin embargo, el disolvente más ideal será el hexano, ya que al momento de cristalizar los disolventes con un elevado punto de ebullición presentar una mayor dificultad para evaporarse. El acetato de etilo tiene un punto de ebullición de 77°C y el hexano de 68 °C, por lo que el hexano al tener un punto de ebullición más bajo presentará una mayor facilidad al momento de cristalizar.

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Defina constante dieléctrica.

Permitividad está definida como la medida de la capacidad de un material a ser polarizada por un campo eléctrico. El valor de la constante es afectado por muchos factores, como el peso molecular, la forma de la molécula, la dirección de sus enlaces (geometría de la molécula) o el tipo de interacciones que presente.

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De los disolventes utilizados en el procedimiento experimental, ordénelos con base a su polaridad. Disolventes

Constante dieléctrica (ε)

Hexano

2.0

Acetato de etilo

6.0

Acetona

21.0

Etanol

24.0

Metanol

33.0

Agua

82.0

El disolvente más polar es el agua con una constante dieléctrica de 82, mientras que la menos polar es el hexano una con una constante dieléctrica de 2.

Conclusiones. •

Se encontró el disolvente ideal para la muestra de ácido benzoico, siendo el agua el ocupado en el procedimiento experimental.

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Un disolvente ideal debe ser capaz de solubilizar la muestra a altas temperaturas y ser insoluble a temperatura ambiente, además de no reaccionar con el compuesto y no ser dañino para el ambiente.

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Se purificó el compuesto con un rendimiento del 68%.

Cuestionario final. 1.- ¿Cuándo un disolvente es ideal para efectuar una cristalización? Un disolvente ideal es aquel que no solubiliza en frío al soluto, pero en temperaturas cercanas a la de ebullición sí. Debe ser capaz de disolver muy bien o muy mal las impurezas con tal de eliminarse en el filtrado y no debe reaccionar con el soluto. 2.- ¿Qué función cumple el carbón activado en la cristalización? Cumple con la función de adsorción, retiene ciertas impurezas en su superficie y que son insolubles en la muestra. 3.- Con los resultados obtenidos, ¿cuál es el grado de polaridad de su muestra problema?

El ácido benzoico es una sustancia polar, pues de disolvió en sustancias polares como el agua, metanol, etanol, acetona y acetato de etilo. 4.- ¿Qué cualidades debe cumplir un disolvente ideal para ser utilizado en una cristalización? Además de los puntos mencionados en la pregunta 1, debe presentar un punto de ebullición menor al punto de fusión del sólido, ser relativamente volátil y no ser tóxico, inflamable y sobre todo dañino para el ambiente. 5.- ¿Por qué razón deben de calentarse el embudo de vidrio y el matraz donde se recibe el filtrado? Para que cuando se realice el filtrado, la muestra no cristalice en el cuelo del embudo o en las paredes del matraz, pues se mantiene caliente la disolución, haciendo que la muestra siga siendo soluble a una temperatura elevada. 6.- De qué manera puede saber el grado de pureza de un sólido recristalizado? Determinando su punto de fusión y conociendo el punto de fusión teórico, cuando se comparan se busca que estos sean similares y que el rango de fusión del sólido recristalizado sea mínimo. 7.- Enumerar y describir brevemente, el número de pasos para llevar a cabo una recristalización adecuadamente. a.- Encontrar el disolvente ideal mediante pruebas de solubilidad. b.- Agregar la muestra a un matraz junto al disolvente ideal. c.- Calentar en baño María con piedras de ebullición y agitar constantemente. d.- Filtrar en caliente con los lavados necesarios. e.- Enfriar a temperatura ambiente y después con baño de hielo, hasta la formación de cristales. f.- Filtrar en vació para eliminar “aguas madres” y hasta que la muestra se seque.

8.- ¿Por qué no es aconsejable adicionar carbón activado sobre una solución cercana al punto de ebullición del disolvente? Por que la muestra se puede proyectar por el cambio de equilibrio y esto causaría un accidente por la alta temperatura de la muestra.

Bibliografía. •

John C. Gilbert, Stephen F. Martin. (2011). Experimental Organic Chemistry. Boston, USA. Ed. Brooks/Cole.

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McMurry, J. (2001). Química Orgánica.5a edición. México. International Thomson, S.A. de C.V....