MÉTODOS FÍSICOS DE SEPARACIÓN Y PURIFICACIÓN DE SUSTANCIAS ORGÁNICAS
INTRODUCCIÓN
Cuando se quiere conocer la composición de una sustancia orgánica es
necesario seguir tres etapas básicas. Obtener una muestra representativa de la
muestra. Separar o aislar cada una de las sustancias componentes de la mezcla
para su posterior análisis. Identificación de cada uno de los componentes de
dicha muestra. La segunda de las etapas es una de las más complejas, laboriosas
y difícil de realizar El conocimiento de los métodos de aislamiento y
purificación de un compuesto es fundamental en Química Orgánica por las
siguientes razones:
- Poder
determinar su estructura
- En los procesos de síntesis
- Seguimiento de las reacciones químicas
Estos métodos están
basados en las diferencias que existen entre las propiedades físicas de los
componentes de una mezcla (puntos de ebullición, densidad, presión de vapor,
solubilidad, etc.)
Métodos de
separación
·
Sublimación
·
Destilación
·
Extracción
·
Cromatografía
·
Filtración
·
Decantación
·
Cristalización
FILTRACIÓN POR
GRAVEDAD
Consiste en retener partículas sólidas suspendidas de un líquido o un
gas forzando la mezcla a través de una barrera porosa que puede ser mallas,
fibras, material poroso o un relleno sólido.
FILTRACIÓN POR SUCCIÓN
La filtración a vacío o por succión se utiliza
para mezclas como barros y pastas. El agua al pasar a través de la trompa, en
el estrechamiento interior, aumenta su velocidad originando una disminución de
presión. Esto origina una succión del aire a través de la conexión con el
matraz, originando un pequeño vacío en éste. También se emplea para separar los
cristales obtenidos a partir de una disolución.
Consiste en separar
componentes que contienen diferentes fases siempre que exista una diferencia
significativa entre las densidades de las fases ( dos líquidos no miscibles, un
sólido de un líquido. etc.)
CRISTALIZACIÓN
Proceso de separación de un soluto a partir de su disolución, por
sobresaturación de la misma, aumento de la concentración o por enfriamiento de
esa disolución. La cristalización permite separar solutos prácticamente puros.
¿Cómo se sobresatura una disolución para que comience a cristalizar el soluto?
Saturando la disolución en caliente con posterior enfriamiento de la misma
Aumentando su concentración evaporando una parte del disolvente Adicionando a
la disolución otra sustancia más soluble en el disolvente que el compuesto que
se desea separar
TIPOS DE DISOLUCIONES
Disolución no saturada: concentración de
soluto es inferior a su solubilidad Disolución saturada: concentración de
soluto es igual a su solubilidad Disolución sobresaturada: concentración de soluto
es superior a su solubilidad (sistema inestable)
Cuanto más lento sea el enfriamiento de la disolución saturada más
grandes y puros serán los cristales del sólido que se separa.
EL PROCESO DE CRISTALIZACIÓN
Técnica más simple y eficaz para purificar compuestos orgánicos sólidos.
Consiste en disolver el sólido impuro en la menor cantidad de disolvente
posible y en caliente. En estas condiciones se genera una disolución saturada
que a medida que se va enfriando se sobresatura y origina la cristalización.
Como el proceso de cristalización es dinámico, las moléculas que están en la
disolución alcanzan el equilibrio con las que forman parte de la red
cristalina. El alto grado de ordenación de esa red no permite la participación
de impurezas en la misma. Por eso es conveniente que el proceso de enfriamiento
sea lento para que los cristales se formen poco a poco y el lento crecimiento
de la red cristalina excluya las impurezas. Si el enfriamiento de la disolución
es muy rápido las impurezas pueden quedar atrapadas en la red cristalina.
ELECCIÓN DEL DISOLVENTE DE
CRISTALIZACIÓN
Para su elección es muy útil la
regla “semejante disuelve semejante”. Los disolventes más usados en orden de
polaridad creciente son: hexano, cloroformo, acetona, acetato de etilo, etanol
y agua. Es conveniente elegir un disolvente cuyo punto de ebullición no sea
superior a 60ºC y que a su vez sea por lo menos 10 ºC menor que el punto de
fusión del sólido que se desea 5 cristalizar, para que se pueda eliminar
fácilmente por evaporación. Muchas veces es necesario usar una mezcla de
disolventes y es conveniente probar diferentes mezclas hasta encontrar aquella
que nos proporciones la cristalización más efectiva. Una vez obtenidos los
cristales se procede a eliminar el líquido sobrenadante llamado “aguas madres”
generalmente mediante un proceso de decantación.
RECRISTALIZACIÓN
Con el fin de conseguir una cristalización más correcta algunas veces es
necesario llevar a cabo un recristianización La finalidad de este proceso es conseguir
un adecuado grado de pureza que nos permita determinar el punto de fusión de la
sustancia. El punto de fusión de un compuesto es una característica física que
nos confirma el grado de pureza de una muestra. No se puede hablar de punto de
fusión exacto sino de un intervalo de fusión. Si la muestra está impura el
intervalo de fusión es alto. En la siguiente tabla presentamos los disolventes
más empleados en la cristalización de las clases más comunes de compuestos
orgánicos.
Tipos de compuestos
|
Disolventes sugeridos
|
Hidrocarburos
|
Hexano, ciclohexano, tolueno
|
Éteres
|
Éter, diclorometano
|
Haluros
|
Diclorometano, cloroformo
|
Compuestos carbonílicos
|
Acetato de etilo, acetona
|
Alcoholes y ácidos
|
Etanol
|
Sales
|
Agua
|
SUBLIMACIÓN
Es el paso de una sustancia del estado sólido al gaseoso sin pasar por
el estado líquido. Se puede considerar como una forma especial de destilar una
sustancia sólida.
El sólido que sublima se convierte directamente por calefacción (sin
fundir) en su vapor, después se condensan sus vapores a sólido mediante
enfriamiento
La temperatura de sublimación es aquella a la cual la presión de vapor
del sólido iguala a la presión externa. Para que una sustancia sublime debe
tener una elevada presión de vapor, es decir, las atracciones intermoleculares
en estado sólido deben ser débiles.
Cuanto menor sea la diferencia
entre la presión externa y la presión de vapor de una sustancia más fácilmente
sublimará.
La sublimación es un método excelente para la purificación de sustancias
relativamente volátiles.
Ejemplos: la desaparición de la nieve, sin fundir, en un día de invierno
frío pero soleado, el dióxido de carbono sólido, la naftalina y el yodo que
subliman a la temperatura ambiente.
TÉCNICA DE SUBLIMACIÓN
Se calienta en el vaso de precipitados el yodo sólido y lo tapamos con
una superficie fría, en esta caso un balón al que se le añade agua – hielo para
evitar que el vapor de yodo eleve peligrosamente su temperatura. El vapor de
yodo choca con el fondo del balón, y la rápida disminución de la temperatura
hace que el yodo vuelva al estado sólido en forma de pequeños cristales que se
pueden observar al levantar el balón.
EXTRACCIÓN
Técnica general más utilizada para el aislamiento y purificación de un
compuesto orgánico de una mezcla de reacción o de sus fuentes naturales Se
aplica a todo tipo de mezclas ya sean sólidas, líquidas o gaseosas Está
fundamentada en la diferencia de solubilidades de los compuestos.
LEY DE DISTRIBUCIÓN O
REPARTO
La distribución de un
soluto entre dos disolventes inmiscibles está gobernada por la ley de
Distribución o de Reparto. Para un soluto A distribuido libremente entre dos
fases se cumple:
K = [Ao] / [Aw]
[Ao]
= Concentración del soluto en la
fase orgánica
[Aw]
= Concentración del soluto en la
fase acuosa
K = Coeficiente de reparto
El soluto A se distribuye entre las dos fases en función de su
solubilidad en ambas originando un equilibrio de partición dinámico. Este
equilibrio viene definido por su constante de equilibrio, constante de
distribución o coeficiente de reparto K. Cuando se ha alcanzado el equilibrio
se establece una diferencia entre las relaciones de concentración en ambas
fases. Esa relación de concentraciones entre la fase orgánica y la fase acuosa
es independiente de la cantidad total de A
Mediante extracciones sucesivas con pequeñas porciones del disolvente
extractante, se separa mayor cantidad de soluto que con una sola extracción en
la que se utilice todo el volumen de extractante.
EJEMPLO Se extraen 1000 ml de una disolución acuosa que contiene 60
gramos de I2 con 1000 ml de tetracloruro de carbono. Se desea saber: A) La
cantidad de I2 que queda en la disolución acuosa. B) La cantidad de
I2 que queda en la disolución acuosa si la extracción se realiza con
dos porciones sucesivas de 500 ml de CCl4. DATO: el Yodo es 80 veces
más soluble en CCl4 que en agua.
A)
Una única
extracción
X =
gramos de Yodo remanentes después de la extracción
Concentración de I2 en CCl4
= 60 – x / 1000
Concentración de I2 en H2O
= x / 1000
80 = Concentración de I2 en CCl4
/ Concentración de I2 en H2O
80 = [60 – x / 1000] / [x/ 1000] = 60 – x / x
x = 0,47 gramos de yodo remanentes
B)
Dos
extracciones sucesivas
B – 1) Primera extracción
Y = gramos de Yodo remanentes después de
finalizada la primera extracción
Concentración de I2 en H2O = Y / 1000
Concentración de I2 en CCl4 = 60 – Y / 500
80 = [60 – Y / 500] / [Y / 1000]
Y = 1,46 gramos de Yodo remanentes
B – 2) Segunda
extracción
Z = gramos de Yodo remanentes después de
finalizada la segunda extracción
Concentración de I2 en H2O
= Z / 1000
Concentración de I2 en CCl4
= 1,46 – Z / 500
80 = [1,46 – Z / 500] / [Z / 1000]
Z = 0,0356 gramos de yodo remanentes
EXTRACCIÓN LÍQUIDO – LÍQUIDO
Consiste en tratar la mezcla de
compuestos con un disolvente de tal forma que uno de los componentes se
disuelva en dicho disolvente y el resto de las sustancias no lo haga. Los
compuestos orgánicos en disoluciones acuosas se extraen generalmente agitando
vigorosamente dicha solución con un disolvente orgánico no miscible. El proceso
se realiza en un embudo de decantación
EL PROCESO DE EXTRACCIÓN LÍQUIDO – LÍQUIDO
1)
Se agita
vigorosamente ambas capas
2)
Se deja
sedimentar ambas capas.
3)
Se separan
La eliminación del disolvente se realiza en un rotavapor
Cuestionario:
1)
¿Cómo se llama el método para separar el aceite del agua? ¿y cuál
considera más conveniente y porque?
2)
Las mezclas pueden separarse: Justifique su respuesta
A.
Por método físicos
B.
Por métodos químicos
C.
Por ambos
3)
¿Por qué método se separa una mezcla de dos líquidos miscibles entre sí?
Justifique su respuesta
B.
Centrifugación
C.
Destilación
4)
¿Qué otro nombre reciben las mezclas
homogéneas? Justifique su respuesta
A.
Coloides
B.
Disolventes
C.
Disoluciones
5)
Los procedimientos físicos sirven para separar:
Justifique su respuesta
A.
Sólidos de líquidos
B.
Líquidos de líquidos
C.
Ambos
6)
La sedimentación es una técnica que separa: Justifique
su respuesta
A.
Componentes por diferencia de densidad
B.
Componentes por diferencia de punto de fusión
C.
Componentes sólidos de líquidos
