Lab. Química Orgánica I - Benemérita Universidad Autónoma de

Fac. Cs. Qs. Dpto. De QUÍMICA ORGÁNICA
LABORATORIO DE QUÍMICA ORGÁNICA I
Q.F.B
1
BENEMÉRITA UNIVERSIDAD AUTÓNOMA DE PUEBLA
FACULTAD DE CIENCIAS QUÍMICAS
LICENCIATURA: QUÍMICO FARMACOBIÓLOGO
ÁREA ESPECÍFICA DE: QUÍMICA ORGÁNICA
NOMBRE DE LA ASIGNATURA:
LABORATORIO DE QUÍMICA ORGÁNICA I
CÓDIGO:
LQF -121L
FECHA DE ELABORACIÓN:
NIVEL EN EL MAPA CURRICULAR:
BÁSICA
TIPO DE ASIGNATURA:
CIENCIAS DE LA DISCIPLINA
PROFESORES QUE PARTICIPARON EN SU ELABORACIÓN:
Dra. Blanca Martha Cabrera Vivas
Quím. Gerardo Durán Espinosa
Dra. Carmen Ma. González Álvarez
Quím. Lucio Gutiérrez García
Dr. René Gutiérrez Pérez
M. en C. Ma. Guadalupe Hernández Téllez
M. en C. Macario Martínez Barragán
Dra. Ruth Meléndrez Luévano
Dra. Socorro Meza Reyes
Dra. Sara Montiel Smith
M. en C. Aarón Pérez Benítez
Dra. Leticia Quintero Cortés
Dr. Jesús Sandoval Ramírez
M. en C. José Luis Vega Báez
HORAS PRÁCTICA: 3
PRE-REQUISITOS: NINGUNO
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Objetivo general.
Proporcionar al estudiante los fundamentos teóricos y prácticos que le
permitan desarrollar actividades experimentales con seguridad y con una actitud
crítica y reflexiva. Así, el estudiante desarrollará habilidades prácticas en el
manejo de material de vidrio y el uso adecuado de sustancias químicas, y con un
sustento teórico aprenderá a usar las técnicas básicas de separación y purificación
de mezclas de sustancias.
Objetivos particulares.
Se pretende que el estudiante aprenda a:
1. Observar los criterios de seguridad básica en el laboratorio.
2. Montar apropiadamente el equipo básico que se usa para desarrollar las
técnicas más comunes en la síntesis y el aislamiento de una sustancia
orgánica.
3. Comprender los principios teóricos en que se fundamentan las distintas
técnicas de separación de mezclas.
4. Realizar experimentos básicos de separación de mezclas de sustancias
orgánicas líquidas, sólidas o líquido-sólidas.
5. Comprender que aunque el aprendizaje es una actividad individual muchas
veces se requiere el trabajo en equipo.
Duración del curso: 16 semanas.
Criterios de evaluación del curso:
1. Asistencia: 100 %.
2. Seminarios y reportes de las prácticas.
3. Tareas.
4. Exámenes: 1 examen corto después de cada seminario.
5. Este laboratorio tiene un valor del 20% de la calificación final del curso de
química orgánica I.
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Requerimientos:
1. Una bata de manga larga 100 % algodón.
2. Unos lentes de seguridad.
3. Una libreta tamaño profesional.
4. Una franela (por equipo).
5. Cinco frascos de vidrio con tapa (por equipo).
6. Un candado.
7. Un par de guantes de neopreno (por persona).
Calendario de actividades:
SESIÓN
ACTIVIDAD.
1
Planteamiento del plan de trabajo y la organización del grupo.
2
Presentación del seminario: “Normas de seguridad en el laboratorio”.
3
Presentación del seminario: “Destilación”.
4
Realización de un experimento en el que se aplique la purificación de
líquidos por destilación simple.
5
Realización de un experimento en el que se utilice la purificación de
líquidos por arrastre de vapor o destilación fraccionada.
6
Presentación del seminario: “Extracción”.
7
Realización de un experimento en el que se utilice una purificación
por Extracción.
8
Realización de un experimento en el que se utilice una purificación
por Extracción.
9
Presentación del seminario: “Cristalización y Recristalización”.
10
Práctica sobre las técnicas de separación y purificación de sólidos,
haciendo énfasis en la técnica de recristalización.
11
Práctica sobre las técnicas de separación y purificación de sólidos,
haciendo énfasis en la técnica de recristalización.
12
Seminario
sobre
la
separación
porCromatografía.
3
de
compuestos
orgánicos
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Práctica
sobre
la
separación
de
compuestos
orgánicos
por
de
compuestos
orgánicos
por
cromatografía en capa fina.
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Práctica
sobre
la
separación
cromatografía en columna.
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Evaluación
Actividades por sesión.
SESIÓN ACTIVIDADES SUGERIDAS.
1
Establecer con los estudiantes el plan del curso y el reglamento de
trabajo en el laboratorio. Las prácticas serán individuales y la
presentación de los seminarios por equipos de dos personas.
2
I. Realizar el seminario “Normas de seguridad en el laboratorio” en el
que se incluyan los temas siguientes:
a) Las normas generales de trabajo en un laboratorio de química
orgánica.
b) La ubicación y la forma de usar los equipos de emergencia del
laboratorio.
c) Las normas de seguridad que se deben de observar en el
almacenamiento, uso y desecho de compuestos químicos.
d) Los códigos de color que se emplean en los suministros del
laboratorio, tales como agua, aire, vacío, etc.
e) Las hojas de seguridad o “material security data sheet (msds)” de
los reactivos.
f) Los pictogramas de seguridad que se presentan en las etiquetas de
los reactivos.
g) Los primeros auxilios básicos en caso de accidentes en el
laboratorio.
II. Realizar el seminario “Métodos de separación y purificación de
líquidos” en el que se incluyan los temas siguientes:
a) Las fuerzas intermoleculares que se presentan en los líquidos.
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b) Los fundamentos físico-químicos en las que se basan las técnicas
de separación de líquidos por destilación simple, fraccionada y a
presión reducida.
c)
Los diagramas de los montajes correspondientes y la
explicación de su funcionamiento.
d) Los criterios que determinan el tipo de destilación que debe usarse.
3
Que el estudiante adquiera las habilidades teóricas y prácticas que le
permitan a realizar la purificación de:
1) Un disolvente impuro (e. g. diclorometano grado industrial).
2) Una mezcla homogénea de disolventes (i. e. sustancias caseras
como vinagre, cloralex, etc.).
4
Idem para la sección B.
5
Que el estudiante adquiera las habilidades teóricas y prácticas que le
permitan realizar la purificación por arrastre de vapor de:
1) Un disolvente impuro (e. g. nitrobenceno).
2) Un producto natural (i. e. extracto de anis, clavo, etc.).
6
Idem para la sección B.
7
Que el estudiante adquiera las habilidades teóricas y prácticas que le
permitan montar un equipo de reflujo para:
1) Llevar a cabo una reacción química.
2) Extraer los componentes naturales de una planta. Se sugiere la
extracción de los flavonoides y la prueba de las propiedades ácidobase de los colorantes de la col morada, la bugambilia morada,
etc.
8
Idem para la sección B.
9
Que el estudiante adquiera las habilidades teóricas y prácticas que le
permitan realizar la extracción de un compuesto orgánico que se
reparte de manera distinta en un par de disolventes inmiscibles.
10
Idem para la sección B.
11
Que el estudiante adquiera las habilidades teóricas y prácticas que le
permitan realizar la separación de compuestos orgánicos por
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recristalización. Se sugiere utilizar compuestos orgánicos obtenidos
por otros estudiantes en los cursos superiores, como muestras
problema, y posteriormente comprobar la pureza del compuesto
aplicando el criterio del rango de punto de fusión.
12
Idem para la sección B.
13
Que el estudiante adquiera las habilidades teóricas y prácticas que le
permitan realizar la separación de compuestos orgánicos por
cromatografía en capa fina y en columna. Se sugiere probar la pureza
de su muestra recristalizada en la sesión práctica anterior.
14
Idem para la sección B.
Metodología.
1) Se plantearán las características generales del curso y los criterios de
evaluación.
2) Con el fin de que el estudiante adquiera buenos hábitos de trabajo
experimental se le indicarán las reglas de trabajo vigentes en el laboratorio de
química orgánica, la ubicación de los equipos y salidas de emergencia, etc.
3) Previamente a la realización de la práctica, los estudiantes prepararán los
seminarios y los presentarán por equipos de acuerdo al calendario de
actividades.
4) Se realizarán prácticas individuales para que el estudiante adquiera destreza
en el uso y en el manejo de los equipos que se utilizan en las técnicas de uso
común en la química orgánica experimental. Para ello el grupo se dividirá en
dos secciones de trabajo en caso de ser necesario.
5) Asimismo, con el fin de que el estudiante adquiera rigor en el registro de los
datos experimentales obtenidos, se le pedirá que mantenga una bitácora de
trabajo que contenga: a) Portada; b) Introducción; c) Parte teórica; ch) La parte
experimental en la que se incluya el esquema del equipo que se usará, su
funcionamiento y el procedimiento experimental; d) Las observaciones que se
realizaron durante el experimento; e) Las conclusiones; y f) Las tareas e
investigaciones.
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Bibliografía.
1. Brewster, R. Q.; VandeerWerf, C. A. y McEwen, W. E. “Curso práctico de
química orgánica”. Alambra. España, 1982.
2. Butruille, D.; Rivas, J. y Villarreal, F. "Experimentos de Química, parte 2:
Química orgánica y bioquímica". Trillas. México, 1982.
3. Domínguez, X. A. "Métodos de Investigación Fitoquímica". Limusa, 1988.
4. Pavia, D. L.; Lampman G. M. y Kritz, G. S. Jr. "Química orgánica
experimental; productos naturales, compuestos de interés farmacológico
e industrial" . Editorial Universitaria de Barcelona (EUNIBAR), 1978.
5. Vogel, A. I. "Elementary Practical Organic Chemistry". Longmans, Green
and Co. London, 1958.
6. Borgford, C. L. y Summerlin, L. R. "Chemical Activities Teacher Edition".
American Chemical Society, 1988.
7. Pecsok, R. L. "Métodos Modernos de Análisis Químico, experimentos".
Limusa–Wiley, 1973.
Sitios de la red recomendados:
Seguridad.
Pictogramas.
Hojas de seguridad.
Etiquetas.
Indicadores.
Manual de sobrevivencia
en el laboratorio.
Manejo de residuos.
Métodos de separación.
Gases comprimidos.
Manual de Org. I. UNAM.
Maletín en yahoo:
ID: quimorg2004-08-11
Password: aaronperez
http://www.fortunecity.com/campus/dawson/196/segla
bor.htm
http://www.fortunecity.com/campus/dawson/196/etiq1.
htm
http://www.mtas.es/insht/ipcsnspn/Introducci.htm
http://internet.mtas.es/insht/ntp/ntp_005.htm
http://www.fortunecity.com/campus/dawson/196/indica
dores.htm
http://keats.admin.virginia.edu/lsm/home.html
http://www.mallbaker.com/changecountry.asp?back=/
Default.asp
http://internet.mtas.es/Insht/ntp/ntp_359.htm
http://www.ur.mx/cursos/diya/quimica/jescobed/separa
.htm
http://internet.mtas.es/Insht/ntp/ntp_198.htm
http://132.248.56.130/organica/1345/index.htm
http://espanol.f2.pg.briefcase.yahoo.com/quimorg2004
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NORMAS DE SEGURIDAD EN EL LABORATORIO
El trabajo en el laboratorio y particularmente dentro de un laboratorio de química
orgánica, requiere el montaje de aparatos complejos o la ejecución de operaciones
delicadas, también entraña la manipulación de productos que pueden ser tóxicos,
inflamables o explosivos. La ejecución de estos trabajos puede entonces ser el
origen de accidentes o de intoxicaciones graves cuyos efectos son inmediatos o
insidiosos. Todo el personal de laboratorio debe desarrollar un espíritu de
seguridad, y debe conocer y aplicar rigurosamente los reglamentos de seguridad,
estar al corriente de las implicaciones y los riesgos asociados a la manipulación en
curso y ser capaz de intervenir eficazmente en caso de accidente o de incendio.
Toda persona que trabaje en un laboratorio, que no tome en cuenta las reglas de
seguridad, corre un riesgo elevado cuyas consecuencias para ella misma y sus
colegas pueden ser catastróficas. Su responsabilidad está entonces, demasiado
implicada.
PRINCIPALES REGLAS DE SEGURIDAD.
PREVENCIÓN
La prevención es la primera marcha elemental de seguridad. Prevenir los
accidentes, es tener un buen conocimiento del trabajo a efectuar, respetar los
letreros de seguridad, tener un buen comportamiento en el laboratorio, ejercer una
protección personal eficaz, etiquetar, almacenar y eliminar correctamente los
productos químicos.
A)
Conocimiento del trabajo a efectuar.
Se debe buscar el máximo de información sobre los productos y el material
empleados, igual que sobre las técnicas y las reacciones químicas puestas en
marcha. En caso de dudar sobre los riesgos asociados a una manipulación, uno
debe proceder a una búsqueda bibliográfica y, si es posible, solicitar los consejos
de una persona competente.
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B)
Letreros de seguridad y material de protección general.
Al respecto los símbolos de peligro (solventes inflamables, alta tensión, etc.) son
esenciales para la prevención de los accidentes; entrando dentro del laboratorio,
se debe localizar estas advertencias y asegurarse de conocer bien su significado.
Ciertos números de teléfonos útiles, tales como aquéllos de la ambulancia y del
médico, deberían ser pegados permanentemente en un lugar accesible a todos.
Se debe conocer la posición y el modo de funcionamiento de los extintores, de la
ducha de urgencia, de los baños oculares, y del botiquín de primeros auxilios. En
fin es esencial conocer la posición de las salidas de urgencia y de los dispositivos
de alarmas.
C)
Comportamiento en el laboratorio.
En el laboratorio, se debe ser atento y evitar todo comportamiento irreflexivo o
precipitado, es más, se debe tener conocimiento del trabajo realizado por los
vecinos y ser consciente de los peligros que esto puede presentar.
Los accidentes de laboratorio son frecuentemente provocados por la ejecución de
demasiado rápida operaciones, ya sea porque uno esta apresurado por obtener
resultados, porque el tiempo disponible para una manipulación parece insuficiente.
El químico, técnico o estudiante, debe entonces adoptar una conducta metódica,
prudente y cuidadosa, concentrándose sobre lo que está tratando de hacer, no
dejarse llevar por distracciones y jamás creer que los accidentes no le suceden
más que a los otros.
Por lo tanto se debe evitar correr, solo en caso de urgencia, de apresurarse
inútilmente y de empujarse. Se debe prohibir la preparación, el consumo y la
conservación de alimentos y bebidas dentro del laboratorio, a fin de evitar su
contaminación accidental por los productos tóxicos. Dentro de un laboratorio de
química orgánica, en particular, no se debe fumar jamás a causa de la presencia
frecuente de substancias inflamables.
Para evitar la caída o resbaladas accidentales, se debe cerrar los cajones y las
puertas de los armarios, se dejan los pasillos libres sin permitir pequeños objetos
en el piso como pedazos de vidrio, de hielo o de tapones y debe secarse
inmediatamente los lugares húmedos.
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D) PROTECCION PERSONAL
Protección ocular
En el laboratorio, uno debe llevar siempre lentes de seguridad cuyo modelo
depende de la manipulación a efectuar. Los lentes provistos de lados
transparentes son suficientes para la mayoría de trabajos. Si hay peligro de
proyección o si una reacción se produce a alta temperatura, se recomienda una
viscera protectora. Los lentes de contacto no debería llevarse dentro del
laboratorio: los vapores orgánicos o corrosivos pueden dañar de manera
irreversible cuando se infiltran bajo la lentilla.
Batas y zapatos
Las batas deben ser de tejido de algodón resistente y equipadas de botones de
presión, que permitan quitarlas rápidamente si es necesario; deben ser
suficientemente largas para proteger las piernas. Se debe llevar siempre zapatos
que cubran enteramente el pie.
Guantes
El uso de guantes debe ser recomendado o indispensable para ciertas
manipulaciones, tales como:
productos corrosivos
productos muy tóxicos por vía cutánea
recipientes muy calientes o muy fríos.
Existen diferentes tipos fabricados con materiales naturales o sintéticos (caucho,
polietileno, vinilo. neopreno, amianto.
E)
ETIQUETAJE
Los matraces y recipientes conteniendo productos químicos deben ser claramente
etiquetados para facilitar su identificación. En el caso de productos preparados en
el laboratorio, debe indicarse la fecha de preparación. Para los productos
provenientes de un fabricante exterior, se recomienda marcar la fecha de su
llegada.
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F)
ALMACENAMIENTO Y ELIMINACION DE PRODUCTOS QUIMICOS
No deben dejar los productos químicos acumularse sobre las mesas del
laboratorio ni sobre los estantes. Si se guardan productos susceptibles de
reaccionar entre ellos, se les almacena de tal modo que estén lo más alejados
posible los unos de los otros. Cada producto debe almacenarce de acuerdo al
color marcada en su etiqueta o en su hoja de seguridad. Para una seguridad
máxima, el lugar de almacenamiento debe estar bien ventilado y, si es posible, a
temperatura controlada.
Los matraces de reactivos deben siempre llevar una etiqueta que le identifica
claramente.
La eliminación de los productos químicos debe planificarse cuidadosamente. En
general, las pequeñas cantidades de substancias solubles en agua poco tóxicas
pueden ser eliminadas arrojándolos en el desagüe. Pero lo más recomendable es
entregarlas a una empresa responsable de su destrucción.
1. Usa bata de laboratorio blanca, de algodón de preferencia
2. Usar lentes de protección.
3. Debe existir una campana para solventes inflamables y no inflamables.
4. No trabaje en una campana en la que pueda verse u olerse los vapores de
las sustancias.
5. Las sustancias químicas no deben ser acarreadas en recipientes abiertos
fuera de la campana de extracción.
6. Los aparatos o vasijas en los que halla desprendimiento gaseoso no deben
cerrarse
herméticamente
pues
puede
provocarse
una
explosión,
exceptuando los construidos con este fin como autoclaves, aparatos de
hidrogenación, etc.
7. No se usarán en aparatos de vacío vasijas de paredes delgadas o
superficies planas sino de paredes redondas y consistentes.
8. Los aparatos que pueden estallar fácilmente se aislan mediante pantallas
mecánicas.
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9. Los matraces de destilación deben sujetarse con la pinza por la parte del
cuello que está encima del tubo lateral.
10. Los termómetros no deben de tocar las paredes de los matraces.
11. Entre la trampa y el quitazato se debe intercalar un matraz de seguridad.
12. El grifo debe estar siempre abierto cuando se arroja algún líquido
13. Permita que el ácido se enfríe antes de tirarlo. Vacíe despacio con agua
fría corriente.
14. Todo derrame debe limpiarse antes de iniciar nuevamente el trabajo Limpie
primero el suelo para evitar resbalarse.
15. Los derrames de ácidos pueden neutralizarse con cal o bicarbonato de
sodio.
16. Los derrames pequeños pueden ser limpiados con un trapo. Los grandes
presentan serio peligro, avise a todos y prepare los extinguidores.
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PRACTICA No. 1: SEPARACIÓN DE UNA MEZCLA ACETONA-AGUA EN SUS
DOS COMPONENTES
A.- FRACCIONAMIENTO POR REPETICIÓN DE DESTILACIONES SIMPLES.
Monte el aparato de destilación simple, utilizando un matraz de fondo redondo de
100 mL. Ponga un poco de grasa en todas las juntas esmeriladas.
Coloque en el matraz 30 mL de acetona 30 mL de agua y dos o tres perlas de
ebullición. Haga circular una corriente suave de agua por el refrigerante, uniendo
la entrada de éste a bomba mediante una manguera. El agua que sale del
refrigerante por su parte superior se recirculará mediante otra manguera unida a
una bomba de recirculación. Etiquete y numere tres matraces erlenmeyer
pequeños para recoger las fracciones siguientes:
a) 56 - 65 ºC;
b) 65 - 95 ºC
c) Residuo del matraz de destilación
Caliente el matraz de forma que el destilado se recoja de una manera continua a
una velocidad aproximada de una gota por segundo. Cambie los matraces
colectores con rapidez a los intervalos de temperatura indicados. Cuando la
temperatura alcance 95 ºC interrumpa la destilación y enfríe el matraz de
destilación dejando que gotee en él, el condensado del cuello.
Mida con una probeta graduada los volúmenes de destilado obtenido en cada
fracción así como el del residuo del matraz. Anote los volúmenes obtenidos.
La fracción (a) está formada principalmente por acetona y el residuo por agua. La
fracción (b) es una mezcla de acetona y agua.
Deje que el matraz de destilación vacío se enfríe y ponga en él el contenido del
matraz (b) y vuelva a montar el aparato de destilación. Añada dos o tres perlas de
ebullición y destile de nuevo, añadiendo la fracción que destile entre 56-65 ºC al
recipiente (a) y recogiendo de nuevo en el matraz (b) la que destile a 65-95 ºC.
Una vez que el matraz de destilación se haya enfriado algo, vierta el residuo que
quede en él en el matraz (c). Mida de nuevo y anote el volumen total de cada
fracción. Apunte todos sus datos en el informe.
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B.- DESTILACIÓN FRACCIONADA CON UNA COLUMNA VIGREUX.
Monte el aparato de destilación con un matraz de fondo redondo de 250 mL,
lubrifique todas las juntas esmeriladas con grasa de silicona. Ponga en el matraz
60 mL de acetona y 60 mL de agua. Añada dos o tres perlas de ebullición y
proceda a destilar como en la sección A, con la única salvedad de no repetir el
proceso, es decir, efectuarlo una sola vez.
Anote los resultados en el cuadro del informe y saque sus propias conclusiones
referentes a cual de las dos destilaciones, sencilla o fraccionada, ha sido más
eficaz.
RESULTADOS :
56 - 65 ºC
65 - 95 ºC
95 - 100 ºC
A.
Destilación
1ª Destilación simple. Resultado final
B.
Destilación fraccionada
OBSERVACIONES :
CUESTIONARIO:
1. Comparar los resultados de los dos tipos de destilación. ¿Cuál es más eficaz?.
2. ¿Qué finalidad tienen las perlas de ebullición?.
3. Un líquido orgánico comienza a descomponerse a 80 °C. Su tensión de vapor a
esa temperatura es de 36 mm de Hg. ¿Cómo podría destilarse?.
4. Cualitativamente, ¿qué influencia ejercerán cada una de las siguientes
impurezas en el punto de ebullición de la acetona? : a) alcohol etílico (78.8 ºC), b)
éter etílico (35 ºC), c) azúcar.
5. Cítense dos razones que justifiquen que el agua fría circule en un refrigerante
en sentido ascendente.
6. ¿Se podría separar por destilación simple una mezcla de dos líquidos de puntos
de ebullición 77 ºC y 111 ºC? ¿Y por destilación fraccionada ? ¿Qué líquido se
recogería en primer lugar?
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PRACTICA No. 2
CRISTALIZACIÓN Y RECRISTALIZACIÓN
Los compuestos orgánicos aislados a partir de reacciones orgánicas o extraídas
de sustancias naturales a menudo están contaminados por pequeñas cantidades
de otros compuestos (impurezas) las cuales se obtienen junto con el compuesto
deseado. La técnica de purificación habitual es la recristalización, basada en su
diferencia de solubilidad en diferentes disolventes o mezcla de disolventes.
La solubilidad de un sólido aumenta generalmente con la temperatura, una vez
que se solubiliza en un disolvente caliente, su cristalización puede provocarse por
enfriamiento de la solución debido a la sobresaturación. La recristalización
consiste entonces, en disolver primero el sólido a purificar en un disolvente o en
una mezcla de varios disolventes calientes, generalmente en o cerca del punto de
ebullición y después enfriar la solución para provocar la cristalización del sólido
que se aísla por filtración.
En cuanto a las impurezas, se pueden presentar tres casos:
ƒ
Las impurezas son insolubles en el disolvente caliente: una simple filtración de
la solución caliente permite eliminarlas;
ƒ
Las impurezas son solubles en el disolvente caliente y permanecen
parcialmente en el disolvente frío: la mayor parte queda disuelta en el momento
de la cristalización del producto principal y es eliminada con el filtrado;
ƒ
Las impurezas son muy solubles en el disolvente caliente y poco solubles en el
disolvente frío: la filtración aísla un producto contaminado y, en este caso, la
recristalización es poco eficaz.
Se asume que las impurezas están presentes en pequeñas proporciones
comparativamente, usualmente menos que el 5% de la masa. La purificación es
por lo tanto más eficaz en tanto que la taza inicial de impurezas es menor.
Etapas de la recristalización
Las etapas de la recristalización pueden ser esquematizadas de la manera
siguiente:
ƒ
selección del disolvente
ƒ
disolución
ƒ
tratamiento de la solución caliente
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ƒ
enfriamiento y cristalización
ƒ
filtración de los cristales
ƒ
secado
ƒ
acondicionamiento
ƒ
control de la pureza
ƒ
conclusiones
Selección del disolvente
Las similitudes fisico-químicas del disolvente y del producto a purificar constituyen
el criterio más general de selección del disolvente de recristalización. Entre otros,
su polaridad debe ser similar, una sustancia polar es más soluble en disolventes
polares y menos soluble en disolventes no-polares. La selección se efectúa
mediante pruebas de solubilidad o con la ayuda tablas de las constantes
dieléctricas, teniendo en cuenta los siguientes criterios:
ƒ
El disolvente no debe reaccionar químicamente con el sólido a purificar;
ƒ
La solubilidad del producto debe ser elevada en el disolvente caliente y baja en
el disolvente frío: una solubilidad cinco veces más grande en el disolvente
caliente es aceptable;
ƒ
Las impurezas orgánicas deben ser solubles en el disolvente frío, deben
quedar en la solución en el momento de la cristalización. Las impurezas
inorgánicas a menudo son insolubles, en este caso, se separan de la solución
caliente por filtración;
ƒ
La temperatura de ebullición del disolvente deberá ser inferior al punto de
fusión del sólido, de lo contrario, se corre el riesgo de que se forme una fase
aceitosa;
ƒ
El disolvente debe formar bien los cristales del compuesto purificado;
ƒ
El disolvente deberá ser poco tóxico y poco inflamable, pero la mayoría de los
líquidos orgánicos no poseen estas dos características a la vez.
La siguiente tabla da la lista de los disolventes usuales, su punto de ebullición y
una evaluación de su inflamabilidad y de su toxicidad. Están clasificados del agua
al hexano, en orden decreciente aproximado de su polaridad.
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TABLA 1. DISOLVENTES COMUNES PARA LA RECRISTALIZACIÓN
NOMBRE DEL DISOLVENTE
p. eb. (°C)
Agua
100
Ácido etanoico
118
CARACTERÍSTICAS
poco inflamable, vapor
picante
Metanol
65
inflamable
Etanol
78
inflamable
2-propanol
83
inflamable
propanona
56
poco inflamable
etanoato de etilo
77
inflamable
diclorometano
40
vapor tóxico
cloroformo
61
vapor tóxico
benceno
80
muy inflamable y muy
tóxico
tetraclorometano
77
vapor tóxico
tolueno
111
inflamable
ciclohexano
81
inflamable
éter de petróleo
35-60
muy flamable
hexano
68
inflamable
Puesto que los valores de solubilidades no son conocidos, la selección del
disolvente se hace con la ayuda de la prueba siguiente:
ƒ
Colocar alrededor de 1.0 g de la muestra en un tubo de ensayo o en un matraz
erlenmeyer pequeño y añadir 3 mL de disolvente; si el sólido se disuelve
fácilmente a la temperatura ambiente o por un ligero calentamiento, el
disolvente no es adecuado;
ƒ
Calentar la mezcla cerca del punto de ebullición agitando y seguir la adición del
disolvente en fracciones de alrededor de 1 mL; observar la evolución de la
disolución;
Después de la adición del alrededor de 10 mL,
ƒ
Si solo se ha disuelto un poco de sólido, el disolvente no es el adecuado;
17
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ƒ
Si el sólido está totalmente disuelto, enfriar a temperatura ambiente para
provocar la cristalización. La aparición de cristales en cantidad apreciable
indica que el disolvente es apropiado. La proporción de disolvente por gramo
de producto a purificar debe ser generalmente entre 5 y 20 mL.
Un disolvente puro no responde siempre a los criterios de selección, el sólido a
purificar puede ser demasiado soluble en un disolvente dado o no lo suficiente en
otro. Es por eso que una mezcla de dos disolventes miscibles, uno de los cuales
es buen solvente del sólido y el otro malo, dan a menudo mejores resultados. Se
determina su proporción procediendo según las etapas siguientes:
ƒ
Disolución en caliente en el mejor disolvente,
ƒ
Adición gradual del otro disolvente caliente hasta la aparición de una turbidez,
ƒ
Eliminación de la turbidez por una nueva adición de algunas gotas del primer
solvente. La mezcla se deja enfriar a temperatura y se separarán los cristales.
Los pares de disolventes más comunes están en la siguiente tabla:
TABLA 2. PARES DE DISOLVENTES PARA LA RECRISTALIZACIÓN
Metanol-agua
Etanol-agua
Ácido acético-agua
Acetona-agua
Etanol-acetona
Acetato de etilo-ciclohexano
Benceno-éter de petróleo
disolventes clorados-éter de petróleo
Disolución del compuesto a purificar
Una vez que se determinó la naturaleza del disolvente, se procede a efectuar la
disolución. Según las cantidades de producto a purificar y del disolvente
necesario, se emplea un matraz redondo equipado de un refrigerante a reflujo y
eventualmente, un agitador. En caso de que el disolvente sea agua, se puede, en
ciertos casos, utilizar un erlenmeyer provisto de un embudo de vástago corto.
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Según la precisión de los informes que se poseen sobre la solubilidad del producto
a purificar en el disolvente o en la mezcla de disolventes, se puede proceder de
dos maneras diferentes:
Si la solubilidad se conoce exactamente, se introduce la cantidad necesaria
calculada, aumentando un exceso de 10%. Este exceso es indispensable,
particularmente en el caso donde se deba efectuar una filtración en caliente. Se
caliente la mezcla y se mantiene en ebullición hasta la disolución del sólido;
Si la solubilidad no se conoce más que de manera aproximada, se introduce
solamente la mitad de la cantidad de disolvente estimada necesaria. Se calienta la
mezcla hasta la proximidad del punto de ebullición y se agrega gradualmente
disolvente hasta la disolución completa del sólido, llevando a la proximidad del
punto de ebullición después de cada adición.
Esta manera de proceder es
delicada. Se debe asegurar que la disolución sea completa, sin sobrepasar la
cantidad mínima de disolvente necesaria, lo que conllevará a una pérdida
importante de producto luego de la cristalización. A la disolución obtenida se
agrega un exceso de 10% del disolvente y se lleva a ebullición.
Nota: no olvidar, que si se procede sin agitación, se debe agregar algunas piedras
de ebullición para regularizar la ebullición.
Tratamiento de la solución caliente
Tratamiento con carbono activado: Este tratamiento es optativo, y se impone en
caso de que la mezcla a purificar contenga impurezas coloreadas o cuando la
solución está turbia por la presencia de una suspensión fina de productos
insolubles. El carbono activado adsorbe las impurezas coloreadas disueltas y fija
las materias en suspensión.
La solución se enfría ligeramente antes de agregar alrededor de 0.2 g de carbón
activado por cada 100 mL de solución. Esta adición no se debe hacer en caso de
que el líquido esté cerca del punto de ebullición, porque la gran cantidad de aire
absorbido por el carbón activado será liberada bruscamente, lo que provocará la
formación de espuma abundante y podría ocurrir un desbordamiento. Antes de
efectuar la filtración en caliente, se lleva la mezcla a ebullición nuevamente
durante cinco a diez minutos.
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Filtración de la solución caliente: Esta operación es delicada pero necesaria
cuando la solución no está perfectamente limpia. Es obligatoria después de un
tratamiento con carbón activado. La solución caliente se debe filtrar de tal forma
que no cristalice nada de soluto ni en papel filtro ni en el embudo. Generalmente,
para ello se requiere una filtración rápida con un mínimo de evaporación en el
embudo de vástago corto, previamente calentado en una estufa, y provisto de un
filtro de pliegues para aumentar la velocidad de filtración.
Enfriamiento y cristalización
La calidad de los cristales obtenidos depende en gran parte de la velocidad de
enfriamiento de la solución:
•
Si el enfriamiento es demasiado rápido, los cristales son pequeños y corren el
riesgo de estar impuros;
•
Si el enfriamiento es demasiado lento, los cristales son grandes y aprisionan
impurezas y solvente dentro de la red cristalina.
La siguiente manera de proceder a menudo da buenos resultados: enfriamiento
lento en contacto con el aire, y después inmersión del recipiente dentro de un
baño refrigerante, a menudo, utilizando hielo. Evidentemente, la temperatura de
este baño no debe ser inferior al punto de congelación del solvente. Una ventaja
en ciertos casos, y sobretodo para grandes cantidades de productos es servirse
de un agitador.
La cristalización se detiene generalmente desde que la temperatura de la solución
comienza a bajar y normalmente dura de 15 a 30 minutos. Puede suceder que,
aún si la temperatura es baja, no se formen cristales. La solución está, entonces,
en un estado de equilibrio inestable, la sobresaturación. Se debe, por lo tanto
romper el equilibrio. Para ello, se pueden emplear varios métodos, en los cuales
el éxito es aleatorio.
El primero consiste en frotar vigorosamente las paredes del recipiente sobre la
superficie del líquido con una varilla de vidrio. En el segundo, la cristalización
empieza sembrando en la solución fría, con agitación fuerte, un cristal del producto
a purificar, o mejor, con un cristal del producto puro. En ciertos casos puede ser
necesario enfriar localmente la solución agregándole pequeños pedazos de hielo
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seco, de bajar la temperatura o de prolongar el tiempo de enfriamiento, que puede
esperar de dos o tres días.
Se puede formar una fase aceitosa en el curso del enfriamiento. Es difícil hacer
solidificar y provocar la formación de un sólido que retiene una gran cantidad de
impurezas. Desde su aparición, se debe calentar de nuevo hasta la disolución
completa, y después enfriar lentamente manteniendo una agitación constante
hasta la aparición de cristales; esto puede se puede facilitar por la adición de un
cristal del producto, luego de que la solución comience a enturbiarse.
Separación de los cristales
En este paso 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 quitasato, que a su
vez se conecta a la bomba de vacío. 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. Después,
sin succión, o mejor, sólo con una ligera succión, para evitar evaporaciones
innecesarias, se agrega la mezcla (o parte de ella) dentro del embudo. Entonces
se aplica todo el vacío (o el máximo deseado). Se debe utilizar una varilla de vidrio
o una espátula para que, ayudándose con ella, se pueda pasar lo más
rápidamente posible toda la masa cristalina al embudo. Si algunos cristales
quedan adheridos a las paredes del erlenmeyer, se pueden lavar y vaciar en el
embudo con pequeñas cantidades del disolvente frío.
Tan pronto como la masa sólida se hace suficientemente rígida, se presiona, con
cuidado pero con firmeza. Cuando cesa el paso de líquido a través del filtro se
interrumpe la succión. En este momento, si el filtrado tiene valor, se deberá
transferir a otro recipiente.
Entonces se procederá al lavado de los cristales para eliminar todo el disolvente
que llevan adherido (que, desde luego, contendrá impurezas solubles). Sin
succión, se cubrirán los cristales con una pequeña cantidad de disolvente puro y
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frío. En este momento conviene agitar la mezcla cuidadosamente, para no romper
el papel de filtro, con una espátula o varilla de vidrio roma para asegurar que todos
los cristales se humedecen con el disolvente. Entonces se aplica de nuevo la
succión y los cristales se presionan con un tapón como antes. Este proceso se
puede repetir varias veces. Con frecuencia, por concentración de las aguas
madres (filtrado) se puede obtener una nueva cantidad de cristales. Sin embargo,
éstos son casi siempre algo menos puros que los cristales obtenidos en primer
lugar.
Secado de los cristales
Como paso final de la recristalización, los cristales obtenidos deben quedar libres
del disolvente adherido mediante un secado. El büchner se invierte sobre un papel
de filtro de superficie lisa doblado en tres o cuatro capas y los cristales se pasan a
éste con ayuda de una espátula limpia. Sobre los cristales se colocan otras hojas
de papel de filtro y la mayor parte del disolvente se exprime presionando
fuertemente.
Entonces se pasan los cristales a un vidrio de reloj limpio o una cápsula plana y se
cubren con una hoja de papel de filtro para evitar que caigan partículas de polvo.
En estas condiciones se pueden dejar secar al aire a la temperatura ambiente o se
pueden introducir en un desecador de vacío sobre un desecante que sea eficaz
para eliminar el disolvente usado. El secado a temperaturas superiores a la
ambiente se puede realizar en una estufa. Se debe tener en cuenta que las
muestras al principio están humedecidas con el disolvente y que, por tanto,
fundirán a una temperatura inferior a la del punto de fusión de la sustancia pura.
Control de la pureza
Se debe controlar siempre la pureza de un producto después de la recristalización.
Todos
los
métodos
físicos,
fisicoquímicos
o
químicos
de
control
son
evidentemente aplicables. La más utilizada, porque es la más simple es y la más
rápida, es la determinación del punto de fusión.
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Conclusiones
Las conclusiones que se imponen después de una recristalización son de dos tipo:
una es la pureza del producto y la otra el rendimiento. Si el producto obtenido no
es suficientemente puro, se debe proceder a un segunda recristalización y a veces
buscar un mejor disolvente. Si el rendimiento es insuficiente, se reúnen las aguas
madres y el disolvente de lavado, se concentra parcialmente y se enfría para
cristalizar de nuevo. Esta nueva cristalización proporciona un producto de calidad
inferior.
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PRACTICA 3. PRUEBAS DE SOLUBILIDAD EN DISOLVENTES ORGÁNICOS.
Objetivos
a) Determinar el comportamiento de solubilidad de compuestos en disolventes
orgánicos;
b) Utilizar las pruebas de solubilidad en disolventes orgánicos para la selección del
disolvente ideal en la recristalización de un sólido;
c) Emplear la recristalización como una de las técnicas más usadas para la
purificación de compuestos sólidos;
d) Ilustrar el uso de un adsorbente para eliminar impurezas coloridas.
PROCEDIMIENTO
Elección de un disolvente para una recristalización: se ensayará la solubilidad de
ácido salicílico, ácido benzoico y acetanilida en hexano, diclorometano, acetato de
etilo, acetona, etanol, metanol, y agua.
Se observará y anotará la solubilidad de cada compuesto en cada disolvente,
tanto en frío como en caliente, y se elegirá el mejor disolvente para cada
compuesto.
Los ensayos de solubilidad se pueden realizar de la siguiente forma: en un tubo de
ensayo pequeño (10 x 75 mm) se adiciona con ayuda de una espátula una
cantidad de sólido que pese aproximadamente 0,1 g y que esté finamente
pulverizado. Sobre ésta se añade disolvente, gota a gota y agitando
continuamente. Después de añadir 1 mL de disolvente, se observa la mezcla con
detenimiento. Si los cristales no se han disuelto, repita el procedimiento agregando
un mililitro más, y si es necesario adicione otro mililitro, para completar en total 3
mL. Si el sólido aún no se ha disuelto, es insoluble en frío. Si se disolvió en algún
momento del proceso, es soluble en frío.
Si la sustancia fue insoluble en frío, caliente la muestra hasta ebullición y con
agitación constante. Recuerde que los disolventes orgánicos deben calentarse en
baño de agua caliente (baño maría). Mantenga constante el volumen de la
disolución durante el calentamiento y no olvide siempre emplear cuerpos de
ebullición. Si no hay solubilización, el sólido es insoluble en caliente; si la hay, el
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sólido es soluble en caliente. En este caso, enfríe a temperatura ambiente y luego
en baño de hielo; observe si hay formación de cristales y, de haberlos, su forma,
tamaño y color.
Anote los resultados en la siguiente tabla para cada uno de los compuestos:
hexano
CH2Cl2 acetato de acetona
etilo
Solubilidad en
frío
Solubilidad en
caliente
Formación de
cristales
25
etanol
metanol
agua
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PRACTICA No. 4 RECRISTALIZACIÓN DE ÁCIDO SALICÍLICO (ÁCIDO 2HIDROXIBENZOICO)
COOH
OH
Duración de la práctica: 3 h
Seguridad: Los productos manipulados durante la experiencia no presentan
ningún riesgo particular.
Sustancias
Ácido salicílico 10 g
Agua
150 mL
PROCEDIMIENTO
Introducir 10 g del sólido a purificar, finamente pulverizado en un matraz
erlenmeyer de 250 mL.
Añadir alrededor de 75 mL de agua, y después, agitando frecuentemente la
solución, llevar la mezcla a una temperatura cerca del punto de ebullición.
Añadir agua en porciones de alrededor de 5 mL, hasta la disolución completa del
sólido, manteniendo la mezcla cerca del punto de ebullición y agitando.
Enfriar a temperatura ambiente, sin agitar, y después, en agua helada.
Filtrar en un embudo büchner, enjuagar el erlenmeyer con el filtrado (aguas
madres), y lavar los cristales con un poco de agua fría.
Exprimir y secar
Pesar y determinar el punto de fusión del producto seco.
RESULTADOS CONVENIENTES
Un rendimiento del 85% en producto de punto de fusión conforme a una referencia
es el mínimo deseable.
CUESTIONARIO
¿Cuál es el punto de fusión del ácido salicílico recristalizado en agua?
¿Cuál es su rendimiento?
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PRACTICA No. 5: RECRISTALIZACIÓN DE ÁCIDO SALICÍLICO POR
TRATAMIENTO CON CARBONO ACTIVADO.
Duración de la práctica: 3 h
Seguridad: Los productos manipulados durante la experiencia no presentan
ningún riesgo particular. La adición de carbono activado a una solución caliente
puede causar una ebullición brusca y proyectar el líquido hirviendo.
Sustancias
Ácido salicílico 10 g
Agua
150 mL
PROCEDIMIENTO
Introducir 10 g del sólido a purificar, finamente pulverizado, en un matraz redondo
de 250 mL, provisto de un agitador y un refrigerante.
Añadir alrededor de 75 mL de agua, y después, agitando constantemente, llevar la
mezcla a una temperatura cerca del punto de ebullición.
Añadir agua en porciones de alrededor de 5 mL, hasta la disolución completa del
sólido, manteniendo la mezcla cerca del punto de ebullición y agitando.
Verificar el volumen aproximado de disolvente empleado y añadir un exceso del
10%.
Dejar enfriar algunos instantes, introducir alrededor de 0.4 g de carbón activado y
calentar de nuevo cerca del punto de ebullición alrededor de cinco minutos.
Filtrar rápidamente la solución caliente en un embudo de talle corto con un papel
filtro plisado.
Evaporar el disolvente, si es necesario, para llevar al volumen en que se efectuó la
disolución.
Enfriar a temperatura ambiente, sin agitar, y después, en agua helada.
Filtrar en un embudo büchner, enjuagar el erlenmeyer con el filtrado (aguas
madres), y lavar los cristales con un poco de agua fría.
Exprimir y secar.
Pesar y determinar el punto de fusión del producto seco.
RESULTADOS CONVENIENTES
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Un rendimiento del 75% en producto de punto de fusión conforme a una referencia
es el mínimo deseable.
CUESTIONARIO
¿Cuál es el punto de fusión del ácido salicílico recristalizado en agua?
¿Cuál es su rendimiento?
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PRACTICA No. 6 RECRISTALIZACIÓN DE ÁCIDO BENZOICO UTILIZANDO
UN PAR DE DISOLVENTES
COOH
Duración de la práctica: 3 h
Seguridad: El etanol es inflamable. Esta experiencia no presenta ningún riesgo
si son respetadas las precauciones normales.
Sustancias
Ácido benzoico 10 g
Agua-etanol
PROCEDIMIENTO
Introducir 10 g del sólido a purificar, finamente pulverizado en un matraz
erlenmeyer de 250 mL.
El estudiante debe recristalizar el ácido benzoico a partir de una solución acuosa
de etanol, donde él determina la concentración por ensayos previos.
RESULTADOS CONVENIENTES
Un rendimiento del 75% en producto de punto de fusión conforme a una referencia
es el mínimo deseable.
CUESTIONARIO
¿Cuál es el punto de fusión del ácido benzoico recristalizado?
¿Cuál es su rendimiento?
De acuerdo con las pruebas de solubilidad, ¿cuál es el grado de polaridad de su
compuesto? Fundamente su respuesta.
¿Cuándo un disolvente es el ideal para efectuar la recristalización de un sólido?
Explique. Con base en su respuesta, ¿cuál disolvente seleccionó para recristalizar
su problema?
¿Un sólido que es soluble en determinado disolvente frío, puede ser recristalizado
en dicho disolvente, conforme a lo realizado en esta práctica? ¿Por qué?
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¿Un sólido que es insoluble en un disolvente caliente, puede recristalizarse de él?
¿Por qué?
¿Qué cualidades debe tener el disolvente que va a usar para llevar a cabo una
recristalización?
Al disolver su sólido, ¿notó cambios? ¿cuáles?
¿Para qué se agregan los cuerpos de ebullición?
¿Cómo escogió la fuente de calentamiento que usó en la recristalización?
¿Por qué se debe filtrar en caliente y tener precalentados tanto el embudo de
vidrio como el matraz donde recibe el filtrado?
Anote las diferencias que presente el producto antes y después de purificarlo.
¿Para qué agrega el carbón activado y por qué debe quitar la fuente de
calentamiento antes de agregarlo?
¿Cómo fue su problema antes y después de recristalizarlo con carbón activado?
¿En qué se fundamenta para decidir que su compuesto se purificó mediante estas
técnicas?
30
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PRACTICA No. 7
EXTRACCIÓN
La extracción es un método de purificación de una mezcla de reacción. La técnica
de extracción se usa con mucha frecuencia en química orgánica para aislar, de
mezclas de reacción, las substancias deseadas y para separar, de mezclas
crudas, productos naturales. Este método ofrece la posibilidad de separar
pequeñas cantidades de sustancias a partir de grandes cantidades de producto.
La extracción es una operación que separa una sustancia del material sólido o
líquido que la contiene. Los disolventes más comunes son: agua, éter etílico, éter
de petróleo, hexano, etanol, benceno, etc. Por extracción se aíslan y purifican
numerosos productos naturales, como: vitaminas, alcaloides, grasas, hormonas,
colorantes, etc.
Este tratamiento tiene como objetivo el paso de uno de los productos solubilizado
en la fase acuosa a la fase orgánica. En este caso, este proceso se lleva a cabo
en un embudo de extracción.
La extracción puede ser: discontinua (agitar una disolución acuosa con éter etílico
en un embudo de separación) o continua (extractor tipo Soxhlet). En el caso de
una extracción líquido-líquido, el compuesto se encuentra disuelto en un
disolvente (A) y para extraerlo se emplea un disolvente (B), los que deben ser
inmiscibles. (A) y (B) son agitados, y entonces el compuesto se distribuye entre
ambas fases de acuerdo con sus respectivas solubilidades. A la relación que
guardan (a una temperatura dada), las concentraciones del soluto en cada
disolvente, se le denomina Coeficiente de Distribución o de Partición. Así, si (cA)
es la concentración en gramos del compuesto en el disolvente (A), y (cB) es la
concentración del mismo en el disolvente (B).
cA/cB = coeficiente de distribución = K
Para un caso general, la fórmula que expresa un proceso de extracción se deduce
suponiendo que
S = gramos de soluto en A
Vb = volumen de B en mililitros
Va = volumen de a en mililitros
X =gramos de soluto extraído
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Así que, después de una extracción, la concentración de S en la fase A será:
S-X/Va = cA
De donde S en B será: X/Vb = cB
Así que:
cA/cB = K, ó
S - X = K, y K Vb S
Va
= X
Va + K Vb
De aquí se deduce que es más conveniente dividir el disolvente extractor (B) en
varias porciones, que hacer una sola extracción con todo el disolvente.
Los extractos obtenidos a partir de disoluciones acuosas, son generalmente
desecados antes de eliminar el disolvente, empleándose diversas substancias
higroscópicas (tales como: sulfato de sodio anhidro, sulfato de magnesio anhidro,
cloruro de calcio anhidro), y luego se filtran.
Disolventes de extracción
Algunos de los disolventes de extracción más usados en los laboratorios o
industrias son: éter dietílico, el éter de petróleo (mezcla de alcanos de baja
magnitud
molecular),
ciclohexano,
tolueno,
diclorometano,
triclorometano,
tricloroeteno,
1,2-dicloroetano,
pentano,
hexano,
1,1,2-tricloroetano,
tetracloroeteno, etc.
El éter dietílico se utiliza a menudo en el laboratorio por su poder de disolución
elevado y su bajo punto de ebullición. Esta última característica lo hace fácil de
eliminar. Sin embargo es muy inflamable y parcialmente miscible con el agua. El
diclorometano posee las ventajas del éter dietílico, excepto que es poco
inflamable, pero tiende a formar emulsiones y es tóxico. Lo mismo con el
tirclorometano, cuya toxicidad es bien reconocida. Si las condiciones de operación
lo ameritan (punto de ebullición elevado de los compuestos a extraer), se puede
emplear disolventes como el ciclohexano, el tolueno o disolventes halogenados
con dos átomos de carbono, menos tóxicos que el diclorometano o el
triclorometano.
Si no se conoce la naturaleza del disolvente a emplear, se puede seleccionar
introduciendo alrededor de 2 mL de solución en un tubo de ensayo y agitando con
el volumen igual del disolvente a examinar. La fase orgánica se analiza por medio
instrumental (cromatografía, espectroscopía) o de la manera siguiente:
32
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ƒ
se la retira con la ayuda de un cuenta gotas o una pipeta y se la deposita sobre
un vidrio de reloj;
ƒ
después de la evaporación del disolvente, una cantidad significativa de residuo
indica que el disolvente es eficaz; no se debe confundir con residuos con
trazas de agua arrastradas por el disolvente durante la extracción.
Si el disolvente no es adecuado, se repite el ensayo con otros disolventes, hasta
encontrar alguno que dé resultados satisfactorios.
Extracción discontinua
La extracción líquido-líquido discontinua se efectúa por la agitación vigorosa del
disolvente y de la solución a extraer en un embudo de separación. El volumen del
embudo debe ser de alrededor del doble de la solución a extraer y cada extracción
se efectúa con aproximadamente un volumen de disolvente igual a un cuarto o a
un tercio del de la solución. Por ejemplo, se extrae 60 mL de una solución acuosa
con porciones de 15 a 20 mL de disolvente.
La extracción se realiza de la manera siguiente:
ƒ
la solución y el disolvente se introducen en el embudo;
ƒ
después de haber tapado, se invierte sosteniendo fuertemente el tapón y
abriendo al mismo tiempo la llave para liberar el exceso de presión;
ƒ
una
vigorosa
agitación
durando
15
a
30
segundos,
alternada
con
degasificaciones, permiten realizar una extracción eficaz
ƒ
cuando el volumen del líquido a tratar es grande (superior a dos o tres litros),
es más cómodo operar con un embudo equipado con un agitador mecánico.
ƒ
Después de haber dejado reposar hasta la separación de las dos fases, se
procede a la decantación. Para evitar la contaminación eventual por gotas de la
fase inferior retenida en el vástago del embudo, es preferible retirar la fase
superior por la boca superior, cuando ésta constituye la fase orgánica.
ƒ
La solución a extraer se coloca nuevamente en el embudo (cuando constituye
la fase superior, ya se encuentra en el embudo), se introduce una nueva
porción de disolvente y se realiza una segunda extracción.
Se procede enseguida a realizar tantas extracciones como sean necesarias para
la transferencia completa del producto, lo cual depende del coeficiente de partición
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y de la eficiencia de cada extracción (velocidad de transferencia). Se puede
verificar que la extracción es completa analizando la última fase de extracción o
evaporando una parte.
La posición relativa de las capas acuosa y orgánica depende de sus densidades.
En caso de duda puede determinarse la identidad de cada una de ellas ensayando
la solubilidad en agua de unas gotas de la misma. Es una medida prudente, en
especial cuando se trata de reacciones nuevas, conservar todos los extractos y
líquidos residuales hasta comprobar que se obtiene el producto final con el
rendimiento esperado; sólo entonces debe procederse a la limpieza.
Emulsiones
Con frecuencia, sobre todo cuando se trabaja con soluciones alcalinas, se forman
emulsiones durante el proceso de extracción. Estas pueden romperse, de
ordinario, mediante:
1) un movimiento de giro suave al líquido del embudo de separación, mantenido
en su posición normal; 2) agitación vigorosa de la capa emulsionada con una
varilla de vidrio; 3) saturación de la capa acuosa con sal común; 4) centrifugación.
El método 3, de saturación con sal, tiene una doble ventaja: hace disminuir la
solubilidad en agua de la mayor parte de los solutos y de los disolventes
orgánicos. Su nombre es efecto salino.
Extracción con ácidos y álcalis
Con frecuencia se consiguen separaciones muy netas de compuestos orgánicos,
utilizando soluciones ácidas o alcalinas capaces de convertir dichas sustancias en
sales, solubles en agua e insolubles en éter. Una solución de hidróxido sódico al 5
-10% convierte, por ejemplo, los ácidos carboxílicos, RCOOH, en sus sales
sódicas, R-COO-Na+. Los compuestos fenólicos experimentan una transformación
semejante con el mismo reactivo. Por esta causa puede utilizarse una solución de
hidróxido sódico para extraer un ácido carboxílico o un compuesto fenólico de su
solución en un disolvente orgánico o, recíprocamente, liberar estos tipos de
compuestos de sus impurezas orgánicas por extracción de sus soluciones
alcalinas con un disolvente adecuado.
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Las soluciones acuosas de bicarbonato sódico convierten también los ácidos
carboxílicos en sus respectivas sales sódicas, pero no son lo suficientemente
básicas para formar sales con los compuestos fenólicos. Esta es la base de un
elegante método de separación de ácidos carboxílicos y fenoles: el ácido se extrae
en primer lugar de su solución en un disolvente orgánico con una solución de
bicarbonato sódico y, posteriormente, el fenol con solución de sosa.
Los ácidos inorgánicos se eliminan con facilidad de los disolventes orgánicos por
extracción con una solución de hidróxido, carbonato o bicarbonato sódicos.
El ácido clorhídrico diluido se emplea con frecuencia para la extracción de
sustancias básicas de sus mezclas con otras neutras o ácidas, o bien para
eliminar impurezas básicas. El ácido diluido convierte la base, p. ej., amoniaco o
una amina orgánica (R3N), en el correspondiente clorhidrato (R3NH+Cl-), soluble en
agua. Por otra parte, las impurezas orgánicas que acompañan a una amina
pueden eliminarse por extracción de las mismas con un disolvente orgánico de
una solución ácida de aquella.
Las sales sódicas de los ácidos carboxílicos y de los fenoles son fácilmente
convertibles en los compuestos de partida por tratamiento de ácido sulfúrico o
fosfórico. Los clorhidratos de las aminas se transforman de nuevo en éstas por
adición de una solución de hidróxido sódico.
Extracción continua
Existe una gran variedad de aparatos para la extracción continua de un líquido.
Los más simples funcionan de la manera siguiente: la solución a extraer se
alimenta al disolvente de manera continua; el disolvente se recicla por destilación.
Debido a que el disolvente es menos denso que la solución a extraer, la
alimentación se hace por la base del extractor, si es más denso, la introducción del
disolvente se efectúa por la parte superior. Pueden utilizarse diversos dispositivos
para mejorar la eficiencia de la extracción: agitación mecánica, agitación por
inyección de vapor, etc.
Lavado de una fase orgánica
Los líquidos orgánicos o las soluciones de compuestos orgánicos provenientes de
mezclas de reacción contienen a menudo impurezas que se pueden eliminar por
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extracción. Éstas se efectúan generalmente con agua o una solución acuosa,
neutra, ácido o alcalina. Esta operación se llama lavado de la fase orgánica.
Lavado con agua o una solución acuosa.
Los lavados con agua eliminan de la fase orgánica las impurezas solubles en el
agua, tales como las sales y los compuestos orgánicos polares de masa molecular
pequeña. El último lavado se efectúa con una solución saturada de cloruro de
sodio, a fin de eliminar el agua del compuesto orgánico líquido y de limitar la
formación de emulsiones en la interfase de las dos fases.
Las impurezas también pueden eliminarse por lavados con una solución de un
reactivo Químico selectivo, tal como una solución ácido o alcalina.
Generalmente, la eliminación de la acidez del medio de reacción se efectúa con
una solución de un reactivo químico selectivo, tal como una solución ácida o
alcalina (carbonato, bicarbonato o hidróxido de sodio). La eliminación de la
basicidad se realiza muy rara vez por una lavado de una solución diluida de ácido
(ácido clorhídrico o sulfúrico).
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PRÁCTICA NO. 8: CROMATOGRAFÍA EN CAPA FINA DE ACETANILIDA Y
NITROBENCENO.
Objetivo
Aplicar la técnica cromatografía en capa fina CCF para el análisis de productos
químicos. Utilizar el equilibrio de partición y adsorción en técnicas cromatográficas
para separar dos compuestos diferentes.
Material
3 tubos capilares
cubas cromatográficas
placas de cromatografía en CCF de aprox. 2 X 5 cm
4 vasos de precipitados de 50 mL
lámpara de luz UV
Sustancias
Disolución de acetanilida al 1 %
Disolución de nitrobenceno al 1 %
Acetato de etilo
hexano
Procedimiento:
Se dispone de tres disoluciones, previamente preparadas de acetanilida (A),
nitrobenceno (N) y una mezcla de ambos (M). Se introduce un tubo capilar en la
disolución (A), tomando una pequeña cantidad de la misma y por su extremo se
coloca en una placa CCF, con gel de sílice como adsorbente, una mancha a unos
6 mm del borde izquierdo de la placa y a 5 mm del borde inferior. A la misma
altura, en el borde derecho se coloca con otro capilar una mancha de la solución
(N) y en la parte central de la placa una mancha de la solución M de nuevo con un
capilar diferente (¡Cuidado, no confundir los capilares de cada disolución!).
Se deja secar y se introduce la placa en el interior de una cuba cromatográfica
conteniendo 3 mL de acetato de etilo/hexano 50:50, de modo que el disolvente no
toque la zona en la que se encuentran las manchas.
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Se tapa la cuba y cuando el disolvente ha migrado hasta llegar a 5 mm del borde
superior se saca la placa y se marca el nivel del disolvente en un extremo de la
misma. Se deja secar y se revela la placa en una lámpara de luz ultravioleta o en
una cámara de yodo, localizando la posición de cada mancha. Se miden las
distancias recorridas por el frente del disolvente y para cada mancha, y se calcula
el valor de Rf.
Se repite todo el proceso utilizando como eluyente etanol. Intentar con otros
eluyentes.
CUESTIONARIO
1.
Anotar los resultados obtenidos con los diferentes eluyentes.
2.
¿Cuál de los dos es el compuesto más polar? ¿Cuál es el disolvente más
adecuado para esta separación?
3.
¿Sería adecuado utilizar metanol en esta separación?
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Práctica No. 9: PRÁCTICA DE CROMATOGRAFÍA EN COLUMNA.
Objetivo
Aplicar técnicas sencillas de laboratorio para el análisis de productos naturales.
Utilizar el equilibrio de partición y adsorción en técnicas cromatográficas para
separar pigmentos naturales presentes en plantas.
Sustancias
Hojas verdes: pueden ser de acelgas, espinacas, verdolagas, etc.
Chile molido: puede utilizarse chile de árbol o cualquier otro.
Zanahorias
Acetato de etilo
Éter de petróleo
Material
tubos de ensayo
gradilla
columna de cromatografía de aprox. 25 X 1 cm
mortero
pipeta Pasteur
vaso de precipitados de 250 mL
1 matraz erlenmeyer de 125mL
Procedimiento
En un mortero muele las hojas verdes con algunos trozos de zanahoria y de chile
molido mezclados con 2 mL de etanol y 2 mL de acetato de etilo. Trasvasa la
solución obtenida a un vaso de precipitados cuidando que no pasen partículas
sólidas, (puedes filtrar la solución).
Introduce un trozo del algodón en la columna de vidrio, ayudándote con una varilla
de vidrio para obturar la salida.
Fija la columna en posición vertical al soporte o rackets mediante 2 pinzas.
En un vaso de precipitados, prepara una suspensión de gel de sílice en éter de
petróleo e introdúcela en la columna con ayuda de un embudo dando pequeños
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golpecitos a la columna. Deja escurrir el disolvente en un matraz erlenmeyer.
Observarás la formación de una columna de gel de sílice a medida que escurre el
éter de petróleo; dicha columna no debe quedar nunca sin disolvente.
Una vez que la altura de la columna de gel de sílice alcance entre 13 y 15 cm de
altura, deja escurrir el disolvente hasta que su nivel quede al ras de la capa del gel
de sílice (sin que ésta se seque).
Toma aproximadamente 1 mL del extracto con una pipeta Pasteur y colócalo en la
cima de la columna. Cuando hayas incorporado el extracto, otra vez deja escurrir
el disolvente al ras del gel de sílice y agrega éter de petróleo suavemente con una
pipeta, cuidando que no caiga directamente sobre el gel, sino que escurra por las
paredes de la columna.
Observarás la separación de los distintos pigmentos a lo largo de la columna a
medida que pasa el disolvente.
Cuando una banda de pigmentos se acerque al extremo inferior del tubo de vidrio,
coloca en la salida del mismo tubos de ensayo y recoge el pigmento así separado.
Una vez recogidos los distintos pigmentos en tubos separados, realiza un
cromatograma en capa fina junto con el extracto original y observa los resultados
obtenidos.
Si no se observa la separación de los pigmentos se puede añadir como eluyente
una mezcla de acetato de etilo/éter de petróleo 5:95.
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