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Universidad Nacional de IngenieríaFacultad de Ingeniería Química y TextilDepartamento Académico de Ingeniería Química​Laboratorio de Química Orgánica I (QU 328 D)Informe N° 1“Purificación de sustancias sólidas y criterios de pureza”Periodo Académico 2020-IIFecha de realización: 05/12/Fecha de Presen...

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Universidad Nacional de Ingeniería Facultad de Ingeniería Química y Textil Departamento Académico de Ingeniería Química Laboratorio de Química Orgánica I (QU 328 D)

Informe N° 1

“Purificación de sustancias sólidas y criterios de pureza”

Periodo Académico 2020-II Fecha de realización: 05/12/2020 Fecha de Presentación: 12/12/2020

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Lima - Perú

I NFORME COLABORATIVO

“Purificación de sustancias sólidas y criterios de pureza” Objetivos Estudiante 1.Comprender el método de recristalización para purificar compuestos orgánicos. Comprender el método de sublimación para purificar compuestos orgánicos. Entender el proceso de determinación del grado de pureza de un compuesto sólido recientemente recristalizado. Estudiante 2.-. ➔ Recordar conocimientos previos de términos como solubilidad, cristalización , disolvente, punto de fusión,etc. ➔ Conocer algunas de las técnicas empleadas para la purificación de sustancias sólidas, como la recristalización y sublimación. ➔ Adquirir destreza en el uso de los equipos para calcular el punto de fusión y usarlo como criterio de pureza de las sustancias orgánicas sólidas. ➔ Aprender a reconocer bien las propiedades para poder encontrar una sustancia problema. Estudiante 3.-

Lograr conocer de manera teórica los métodos más efectivos para la purificación de compuestos sólidos orgánicos. Estudiar los criterios necesarios para la identificación de una muestra problema y el grado de pureza de la misma . Comprender las metodologías aplicadas en las técnicas de recristalización , sublimación y cálculo del punto de fusión de una muestra y conocer de manera teórica el correcto uso de los equipos y materiales requeridos para la purificación de una muestra problema.

Estudiante 4.❏ Entender la relevancia de los procesos de purificación de compuestos orgánicos y entrenar las técnicas para la determinación del punto de fusión. ❏ Estudiar las técnicas de purificación recristalización y sublimación, luego realizar las respectivas comparaciones.

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❏ Identificar los distintos equipos para el cálculo del punto de fusión así como reconocer el procedimiento a realizarse.

Estudiante 5.● Entender el proceso de purificación de compuestos orgánicos usando la técnica de recristalización. ● Comprender a adquirir criterios para identificar un solvente adecuado para una muestra problema dada. ● Lograr entender la estimación del grado de pureza de una muestra sólida apenas cristalizada.

Fundamento teórico

Estudiante 1.Elección de disolventes para la cristalización:

Se necesita que el soluto tenga una solubilidad máxima en el disolvente caliente y una solubilidad mínima en el disolvente frío. Los disolventes más usados son: cloroformo, hexano, acetato de etilo, etanol, acetona y agua. El disolvente necesita ser lo suficientemente volátil para evaporarse bastante rápido de los cristales después de que se recuperan de la solución de recristalización. En muchas ocasiones es adecuado usar una mezcla de disolventes para encontrar un disolvente que proporcione la cristalización más efectiva.

Estudiante 2.SOLUBILIDAD Para disolver un producto dado, se utiliza una magnitud que recibe el nombre de solubilidad. Las sustancias no se disuelven en igual medida en un mismo disolvente. La capacidad de una determinada cantidad de líquido para disolver una sustancia sólida no es

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ilimitada. Pues bien, la solubilidad de una sustancia respecto de un disolvente determinado es la concentración que corresponde al estado de saturación a una temperatura dada. CRISTALIZACIÓN Es un proceso químico en el que se transforma un gas, un líquido o una disolución, en un conjunto de cristales sólidos. Dichos cristales consisten en un conjunto ordenado de enlaces moleculares rígidos, puros en su naturaleza elemental, de modo que la cristalización puede ser empleada para separar los ingredientes de alguna mezcla homogénea.

Figura 1. Recristalización SUBLIMACIÓN La sublimación es una técnica de laboratorio sencilla que permite obtener un producto muy puro. La condición necesaria es que a una temperatura determinada la presión de vapor del sólido se iguale a la presión externa (atmosférica). En estas condiciones el sólido pasa a gas directamente sin pasar por el sólido a purificar se introduce en un tubo colector con una salida lateral para el vacío y boca esmerilada para ajustar el dedo frío. Por el interior de esta pieza circula agua para proporcionar una superficie fría que condense el vapor generado en la base del colector. fase líquida.

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Figura 2. Dedo frío,pieza de equipamiento para la Sublimación.

PUNTO DE FUSIÓN Llamamos punto de fusión de una sustancia a la temperatura a la que se produce su fusión. Es una propiedad física característica de cada sustancia. Normalmente la presión se ignora al determinar el punto de fusión. El punto de fusión se determina calentando lentamente (aproximadamente un grado por minuto) una pequeña cantidad de material sólido. La temperatura a la cual se observa la primera gota de líquido es la temperatura más baja del rango de fusión.Un rango de fusión de 2° o menos indica un compuesto suficientemente puro para la mayoría de los usos. Un compuesto orgánico impuro no solo muestra un rango de fusión más amplio sino también un punto de fusión más bajo que el compuesto puro. Por ejemplo una muestra pura de ácido benzoico funde a 121°-122° pero una muestra impura puede presentar un rango de fusión de 115°-119°. Estudiante 3.PURIFICACIÓN DE SUSTANCIAS SÓLIDAS Se le llama purificación al proceso en que recupera la pureza de un material puede referirse a quitar las impurezas o la suciedad . Recristalización Es uno de los métodos más empleados cuando de purificar sólidos se trata . En general , este método se basa en la diferencias de solubilidad de un compuesto a diferentes temperaturas , aprovechando que el solvente elegido pueda o no disolver en frío o caliente. El primer problema que se plantea al purificar un sólido por recristalización es la elección del disolvente adecuado. Por ello para la correcta elección del disolvente se necesita que este cumpla con ciertos requisitos ; por ejemplo , el disolvente ideal será aquel en que el soluto sea insoluble en frío y soluble en caliente.  (Guaymas, Palacios , & Villalba, 2020)

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La mejor forma de encontrar un disolvente adecuado para la recristalización de una sustancia determinada es ensayar experimentalmente distintos disolventes. No obstante, algunas generalizaciones, razonablemente válidas, pueden ayudar a simplificar la búsqueda: -

Lo semejante disuelve a lo semejante , es decir que los compuestos polares se disuelven en en agua (también polar), mientras que los compuestos no polares no se disuelven apreciablemente en agua (por ejemplo: hidrocarburos o derivados halogenados). Un disolvente ideal para una recristalización debe poseer las siguientes características:

-

Disolver la muestra en caliente .

-

No disolver las impurezas en caliente.

-

Al enfriarse debe suministrar rápidamente cristales bien formados del compuesto que se purifica, de los cuales debe ser fácilmente separable.

-

No debe reaccionar con el soluto y su utilización no debe ser peligrosa (inflamable).

Figura .- Tabla de disolventes sugeridos Sublimación Se conoce como sublimación al paso de una sustancia del estado sólido , al estado gaseoso , sin generar líquido en el proceso ; se puede considerar como un modo especial de destilación de ciertas sustancias sólidas . Por teoría se sabe que el punto de sublimación es aquel en donde la Presión de vapor sobre el sólido es igual a la presión externa , entonces la

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capacidad de sublimar de una sustancia dependerá de la presión de vapor a una temperatura determinada y sera inversamente proporcional a la presión externa . Por ello en tanto menor sea la diferencia entre la presión de vapor y la presión externa , esta sustancia sublimara más rápidamente . (Torres, 2013)

Figura .- Diagrama de sublimación a presión reducida Punto de Fusión Se denomina punto de fusión de un sólido , a la temperatura en que la sustancia pasa del estado sólido al estado líquido a una presión atmosférica . Si se tiene como muestra a un sólido puro , el cambio de estado es muy rápido pues solo variará la temperatura en un rango de 0.5 a 1°C . Pero si se presentan impurezas el punto de fusión se alterará sensiblemente ampliando el rango de dispersión de la temperatura (RECRISTALIZACIÓN: Obtención de Acetanilida y Ácido Benzoico. Medidas del Punto de Fusión) .

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Figura.- Descenso del punto de fusión debido a impurezas solubles en la fase líquida.

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Estudiante 4.❏ CRISTAL Podemos describir a los cristales como la materia sólida compuesta por elementos como átomos, iones o moléculas, y que muestran una distribución ordenada en el espacio mostrando simetría. Resumiendo un cristal está formado por la repetición de agrupaciones atómicas que son paralelas entre sí y a distancias específicas formando una red cristalina.

Fig.1 Cristal de sulfato de cobre ❏ RECRISTALIZACIÓN Es una técnica que sirve para purificar sólidos separándolo de las impurezas, se debe tener en cuenta que estas impurezas deben estar en muy baja proporción. 1) Las características más deseables para un solvente en recristalización son: 2) No debe reaccionar con la sustancia a purificar. 3) Debe tener un bajo punto de ebullición para que sea eliminado de manera sencilla.

Fig.2 Purificación por recristalización ❏ SUBLIMACIÓN

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Sucede cuando una sustancia pasa de la fase sólida a gaseosa, se puede utilizar para purificar sustancias relativamente volátiles, esto se lleva a cabo en un sublimador donde se calienta el sólido y con ayuda de un refrigerante el gas se deposita en forma sólida en la superficie. Recordemos que la temperatura de sublimación ocurre cuando la presión de vapor del sólido se iguala a la presión externa. ❏ PUNTO DE FUSIÓN Es la temperatura a la cual ocurre el cambio del estado sólido a líquido debido a un incremento de la temperatura que rompe con el orden de la estructura, sucede cuando se rompen las fuerzas intermoleculares que mantienen la cohesión en una estructura cristalina. Cada sustancia tendrá un punto de fusión diferente además las presencia de impurezas puede ocasionar una disminución del punto de fusión.

Fig.3 Estados de fase del agua

Estudiante 5.Recristalización Las formaciones sólidas que resultan de una reacción están usualmente acompañadas de desechos o impurezas que habría que eliminar con el fin de obtener el producto como se desea, es decir, optimizado con el mayor grado de pureza posible. No obstante, el método más propicio para la eliminación de estas impurezas que contamina un sólido es por cristalizaciones sucesivas bien en un disolvente puro, o bien en una mezcla de disolventes. A esta técnica o procedimiento se le conoce como recristalización. Elección de disolvente: Es fundamental para el proceso de recristalización una elección correcta del disolvente que debe cumplir las siguientes propiedades:

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a) Alto capacidad de disolución de la sustancia que se va a purificar a altas temperaturas. b) Generar buenos cristales del producto a purificar. c) No debe reaccionar con la sustancia a purificar (soluto). d) Debe tener temperatura de ebullición baja (60 – 100°C) e) No debe ser tóxico, debe ser barato y no inflamable. f) Debe ser fácil de eliminar. g) Debe disolver las impurezas en frío o, en su defecto ni en frío ni en caliente. Como ejemplo de disolventes comúnmente usados se tiene al agua, alcohol, metanol, éter etílico, éter de petróleo, acetona, cloroformo, tetracloruro de carbono. A veces es necesario emplear una mezcla de solventes. Hay que cuidarse de usar éter de petróleo o hexano puesto que son inflamables, deben calentarse con un baño de vapor de agua caliente. Nunca deben calentarse con una llama o en una placa caliente. Todos los solventes orgánicos son tóxicos hasta cierto punto, por lo que las recristalizaciones deben llevarse a cabo en una campana extractora. Un factor muy importante a considerarse es si el disolvente es acuoso u orgánico. En caso de usar disolventes orgánicos, es crucial siempre calentar la mezcla con el montaje de reflujo. En caso de no calentar la mezcla se producirán vapores inflamables que irán a la atmósfera y que en contacto con llamas o focos de calor conducen a un serio riesgo de incendios y explosiones. Proceso de Recristalización Básicamente el proceso de recristalización consiste en generar una solución sobresaturada o supersaturada. Se tiene el siguiente diagrama de concentración vs Temperatura:

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En el punto A se tiene una alta temperatura y determinada concentración de soluto (por ejemplo 100°C), aquí no se ha generado aun una solución sobresaturada. Una vez disuelto, se procede a disminuir ligeramente la temperatura dirigiéndonos hacia el punto B, el sólido para a una región o zona meta estable, en donde se da el proceso de nucleación, la solución se comienza a saturar al aumentar su concentración pues aumenta a crearse núcleos sólidos conforme se va enfriando, los cristales comienzan a crecer hasta cierta temperatura. En este proceso de nucleación, podemos colaborar con la aceleración de este evento con un proceso denominado el sembrado, que consiste en añadir cristales del soluto puro, que sirven como semillas, que permiten el crecimiento del cristal, favoreciendo el proceso de nucleación. Filtración a vacío La Filtración al vació es una técnica física que se utiliza para separar mezclas heterogéneas de un sólido en un solvente o mezcla de reacción líquida. La mezcla se vierte en un embudo a través de un papel de filtro, el sólido de la mezcla queda en el filtro y el líquido es atraído hacia un recipiente colocado debajo, gracias al vacío que se le aplica a éste con una bomba de vacío. Filtración en caliente La solución caliente se debe filtrar de tal forma que no cristalice nada de soluto ni en el papel de filtro ni en el embudo. Para ello se requiere una filtración rápida con un mínimo de evaporación en un embudo previamente calentado en una estufa, y provisto de un filtro de pliegues para aumentar la velocidad de filtración.

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Separación de los cristales En este proceso se pretende separar los cristales formados, quitándoles la mayor cantidad posible de aguas madres, con una evaporación mínima. Generalmente esto se consigue empleando un embudo Büchner unido a un kitasato, que a su vez se conecta a la trompa de vacío. El Büchner debe ser de tamaño adecuado, eligiéndose el más pequeño que permita la recogida con holgura de toda la masa cristalina sin que ésta llegue a rebosar el borde superior del embudo. El papel de filtro debe cubrir por completo todos los orificios de la placa del Büchner, pero su diámetro debe ser ligeramente inferior al de esta placa. Al colocarlo debe quedar completamente liso y sin arrugas para que no pueda pasar nada de sólido por sus bordes. Esto se consigue fácilmente humedeciendo el papel con disolvente y haciendo succión. Sublimación La sublimación es el paso del estado sólido al estado gaseoso sin pasar por el estado líquido. La capacidad de sustancia para sublimar dependerá por tanto de la presión de vapor a una temperatura dada y será inversamente proporcional a la presión externa. La sublimación permite la purificación de sustancias relativamente volátiles en una escala que oscila entre pocos miligramos hasta 10 gramos. Este proceso se lleva a cabo en un sublimador como se ve en la figura contigua.

En algunos compuestos la presión de vapor de un sólido puede llegar a ser lo bastante elevada como para evaporar cantidades notables de este compuesto sin alcanzar su punto de fusión (sublimación). Los vapores formados condensan en zonas más frías ofrecidas por ejemplo en forma de un "dedo frío", pasando habitualmente directamente del estado gaseoso al sólido, (sublimación regresiva) separándose, de esta manera, de las posibles impurezas. Siguiendo este procedimiento se pueden obtener sólidos puros de sustancias que subliman con facilidad como la cafeína, el azufre elemental, el ácido salicílico, el yodo, etc.

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Punto de fusión Actualmente se han diseñado unos bloques de fusión que sustituyen al Thiele en la determinación de puntos de fusión. Consta de un bloque metálico con un orificio en la parte superior por donde se sitúa el tubo capilar con la sustancia desconocida y el termómetro. El calentamiento del bloque se realiza mediante resistencias eléctricas y a través de una lente externa- bien iluminada - se observa el cambio de estado de la sustancia en el interior del bloque. Si la sustancia está pura, el punto de fusión se observa en un intervalo pequeño de temperatura (aproximadamente 2ºC). De ser mayor, indica la presencia de impurezas por lo que el compuesto debe recristalizarse. Tubo capilar Tubo de vidrio de paredes finas de 1 - 2 mm de diámetro y cerrado por un extremo. Se fabrican a partir de una varilla hueca de vidrio, calentándola al rojo en una determinada zona y sometiéndola a estiramiento rápido cuando el vidrio está reblandecido, se forma el capilar.

Materiales y reactivos (indicar cuáles son controlados)

Estudiante 1.Materiales: ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ●

Vasos de 400 mL 1 Recristalizador 1 Bagueta 1 Termómetro 1 Rejilla de asbesto 1 Kitasato 1 Mechero Bunsen 1 Tubo thiele 2 Tubos capilares 1 Manguera para vacío 2 Papeles de filtro

Reactivos no controlados: ● Acido benzoico

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● Carbón activado ● Acetanilida

Estudiante 2.Tabla 1 Materiales y Reactivos Materiales

2 Vasos de 400 mL 1 Bagueta 1 Manguera para vacío Recristalización

Reactivos

Acetanilida(Producto Controlado) Carbón activado

1 Embudo Buchner 1 Rejilla de asbesto 1 Kitasato 2 Papeles de filtro 1 Mechero bunsen

Estudiante 3.Materiales que se deberían utilizar , para la recristalización : 1. Equipos e instrumentos : - Balanza - Estufa - Vasos de precipitado - Un Recristalizador. - Un Termómetro. - Una Rejilla de asbesto.

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- Un Embudo Buchner. - Un kitasato. - Mechero bunsen. - Manguera para vacío. - Papeles de filtro. 2. REACTIVOS: - Acetanilida. - Carbón activado.

Estudiante 4.Materiales y equipos ❏ ❏ ❏ ❏ ❏ ❏ ❏ ❏ ❏ ❏ ❏ ❏

2 vasos de 400 mL 1 Recristalizador 1 Bagueta 1 Termómetro 1 Rejilla de asbesto 1 Embudo Buchner 1 kitasato 1 Mechero bunsen 1 Tubo thiele 2 Tubos capilares 1 Manguera para vacío 2 Papeles de filtro

Reactivos ❏ Acetanilida (Reactivo controlado) ❏ Ácido benzoico ❏ Carbón activado

Estudiante 5.-

Equipos y materiales

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Termómetro

Una bagueta

Una gradilla de madera

Embudo buchner

Kitasato

2 vasos de 400ml

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Un mechero bunsen

Manguera para vacío

Papel de filtro

Recristalizador

Sustancias químicas (Controlados y no controlados)

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 Agua (Disolvente)

Acetanilida

No controlado

R. controlado

Procedimiento experimental Estudiante 1.Recristalización de la acetanilida: En primer lugar, en un vaso de 150 mL colocaremos 2 gramos de acetanilida impura y agregaremos el disolvente (agua) previamente calentado hasta que cubra al sólido. Luego se somete a calentamiento hasta ebullición (para aumentar la solubilidad de la acetanilida) y se va agregando la mínima cantidad de agua, si se aprecia la formación de un aceite oscuro,esto indica que todavía queda acetanilida sin disolver, agregar agua hasta que el sólido se disuelva en su totalidad. A continuación, con la ayuda de un ...