Sandoval Avilés Raymundo 6Fb14J

Práctica 1. Solubilidad y Cristalización. QO

INTRODUCCIÓN

Muchas reacciones químicas y prácticamente todos los procesos biológicos ocurren en un medio acuoso: una disolución. Una disolución es una mezcla homogénea de dos o más sustancias. El soluto es la sustancia presente en menor cantidad, y el disolvente es la sustancia que está en mayor cantidad, y pueden ser gaseosas, liquidas o sólidas. (Chang 2007). Una disolución verdadera es aquella en la que las partículas de soluto disuelto tienen tamaño molecular o iónico generalmente en el intervalo de 0.1 a 1 nm (Hein 2005).

La regla general que gobierna la solubilidad es “lo semejante disuelve a lo semejante”. Los compuestos polares se disuelven en disolventes polares y los compuestos no polares se disuelven en disolventes no polares (Bruice 2007). La razón de que “lo polar disuelve lo polar” es que un disolvente polar, como el agua, tiene cargas parciales que pueden interactuar con las cargas parciales de un compuesto polar. Los polos negativos de las moléculas de disolvente rodean al polo positivo de soluto polar, y los polos positivos de las moléculas de disolvente rodean al polo negativo del soluto polar. El agrupamiento de las moléculas de disolvente en torno a las del soluto separa a las moléculas del soluto, y es lo que los hace disolverse. A interacción entre moléculas del disolvente y las del soluto se llama solvatación (Bruice 2007), cuando el disolvente es agua se le denomina hidratación (Chang 2007). Para que se pueda dar la solvatación las moléculas tienen que ser afines al disolvente que se esté empleando, de otra manera no se unirán y solo formarán dos capas distintas (Hein 2005).

Ya que los compuestos no polares carecen de carga neta, no atraen a los disolventes polares. Para que una molécula no polar se disuelva en un disolvente polar como el agua debería empujar y separar las moléculas de agua y romper sus puentes de hidrógeno. Los puentes de hidrógeno encierran la resistencia suficiente para impedir la entrada del compuesto no polar (Bruice 2007). En contraste, los solutos no polares se disuelven en los disolventes no polares porque las interacciones de van der Waals entre las moléculas de disolvente y de soluto son más o menos iguales que entre las moléculas de disolvente –disolvente, y entre las moléculas de soluto-soluto (Bruice 2007).

La solubilidad es la máxima cantidad de soluto que se disolverá en una cantidad dada de disolvente (sin llegar a precipitarse) a una temperatura específica. Se describen como sustancias solubles, ligeramente solubles e insolubles con un término meramente cualitativo. Se dice que una sustancia es soluble si se disuelve visiblemente en otra, si no es así, se describe como ligeramente soluble o insoluble (Chang 2007).

Una disolución saturada contiene la máxima cantidad de un soluto que se disuelve en un disolvente en particular, a una temperatura específica. Una disolución no saturada contiene menor cantidad de soluto que la que es capaz de disolver. Un tercer tipo, una disolución sobresaturada, contiene más soluto que el que puede haber en una disolución saturada. Las disoluciones sobresaturadas no son muy estables. Con el tiempo, una parte del soluto se separa de la disolución sobresaturada en forma de cristales. La cristalización es el proceso en el cual un soluto disuelto se separa de la disolución y forma cristales, en el cual un soluto se separa de la disolución y forma un pequeño núcleo cristalino, al cual se van

uniendo moléculas en un plano muy específico para cada tipo de molécula, hasta formar grandes cristales (Chang 2007).

OBJETIVOS

Objetivo general: Conocer y aplicar la técnica de cristalización para separar o purificar compuestos orgánicos

a) Conocer las características de polaridad que deben reunir solutos y disolventes para poder realizar disoluciones entre ellos.b) Realizar pruebas de solubilidad para encontrar un disolvente ideal que permita la purificación de un compuesto.c) Purificar una muestra por medio de una cristalización y determinar el rendimiento.

Guía de estudio

MATERIAL y reactivos

MÉTODOlogía

Se trabajaron con dos compuestos:

1) Ácido Tartárico

2) Ácido Benzoico

En 5 tubos de ensayo colocamos 0.6 g en cada uno de la sustancia a cristalizar,.

A cada tubo se le agregó 1 mL y observamos que el ácido benzoico se disolvió en todos nuestro disolventes, excepto en el hexano y el propanol (cabe destacar que en la acetona y en el metanol la disolución fue muy rápida), agregamos 1 mL más y ahora solo se disolvió el propanol, agregamos 1 mL mas, y solo el Hexano no se disolvió.

Ahora calentamos, el hexano se disolvió, por lo tanto es nuestro disolvente ideal.

Nota: Ya no se repitió el experimento con las demás sustancias, pues si se disolvieron en agua fría, iba a ser más fácil que se disolvieron en agua caliente (Bruice 2009).

Tabla 1.1. Resultados de solubilidad del ácido tartárico

Solubilidad Ciclohexano

Acetato de etilo

Acetona Metanol

Frío No No No SiCaliente Se evaporó No No -

Cristalización

- - - -

Disolvente ideal: No tiene

Tabla 1.2. Resultados de solubilidad del ácido benzoico

Solubilidad Ciclohexano Acetato de etilo

Acetona Metanol Agua

Frío No Si Si Si NoCaliente Si - - - No

Cristalización

Si - - - -

Disolvente ideal

Investigación: ¿El naftaleno se disuelve en metanol?

Respuesta: No, ya que el naftaleno es una molécula totalmente no polar, y el metanol es una molécula muy polar, de esta manera al juntarse no forman enlaces y por lo tanto no se mezclan. De la misma manera ocurre al intentar mezclar naftaleno con agua, pues el compuesto no se disolverá en ella, pero si se disolverá el metanol en agua.

Cristalización, recristalización y evaporación

1. Pesar las 20 tabletas de aspirina, molerlas en el mortero y colocar el polvo en un matraz Erlenmeyer de 150 mL. Por otro lado, en una cápsula de porcelana, calentar los 5 g de azúcar, hasta que ésta se caramelice, dejar enfriar la cápsula y disolver parte del caramelo en 5 mL de agua destilada, agregar esta solución al matraz Erlenmeyer donde están las tabletas molidas.

2. Disolver el contenido del matraz, agregando poco a poco etanol y calentar a baño María (cuidado, recordando que el etanol es inflamable) para disolución completa agregar un poco de agua caliente.

3. Deje enfriar ligeramente y agregue 0.1 g de carbón activado. Nunca se debe añadir el carbón cuando la disolución está a temperatura de ebullición, pues el fino pulverizado del carbón hace que burbujee violentamente la disolución y puede derramarse, con la consecuente pérdida de cristales. Hervir brevemente la disolución para mezclar.

4. Agitando el matraz circularmente, cubra la mano con un paño doblado para verter el contenido en un embudo de Büchner o de Hirsch (previamente preparado con papel filtro doble) y filtrar en caliente con vacío; hay que tener la precaución de verter las primeras porciones del líquido sobre la parte central del papel, para disminuir la posibilidad del paso de las partículas de carbón a través del mismo, en el caso de que el líquido filtrado contenga carbón, retirarlo del matraz Kitasato, vaciar en el mismo matraz Erlenmeyer, calentar y volver a filtrar.

5. Retirar el filtrado del Kitasato y ponerlo en un matraz Erlenmeyer limpio y dejarlo que empiece a enfriarse.

6. Lavar el primer matraz Erlenmeyer con 5 mL de mezcla Etanol-Agua (1:1) y filtrar en el Büchner, repetir la operación dos veces más, los líquidos filtrados se reúnen con el primero y se deja enfriar para que cristalice el ácido acetil salicílico. Una vez fría la solución, es conveniente ponerla en un cristalizador con hielo, raspando con un agitador las paredes del vaso para inducir la cristalización, o de ser posible, añadir un pequeño cristal de ácido acetil salicílico como siembra. Mientras espera la cristalización, continúe con la otra parte de la práctica.

7. Una vez cristalizado, filtrar los cristales utilizando vatio y lavarlos con 5 mL de mezcla etanol-agua caliente, repetir la operación tres veces más. Los filtrados o "aguas madres" se concentran por evaporación en baño María y recristalizar utilizando un cristal de la primera cristalización como siembra, recristalice una vez más y reúna todos los cristales obtenidos.

8. Secar los cristales entre dos papeles filtro limpios, pesar y determinar el punto de fusión con el aparato de Fisher. El punto de fusión del ácido acetil salicílico es de 128 - 1290 C.

9. Observar los cristales a través de una lupa.

Entregar los cristales en una bolsita de plástico o de celofán junto con su reporte.

resultados

Búsqueda del disolvente ideal

DISCUSIÓN

La cristalización nos sirve para purificar sustancias sólidas, pero no nos sirve si sus puntos de ebullición son muy próximos.

A pesar de ser un buen disolvente, el agua no se puede emplear como tal si queremos cristalizar, pues esa misma propiedad provoca que no sea tan fácil que las moléculas se separen del agua. Además también podría generar una reacción química. La sustancia a cristalizar debe tener un punto de ebullición bajo para una fácil separación.

El disolvente ideal va a permitir la solubilidad parcial a una temperatura ambiente o baja, mientras que cuando esté caliente, se deberá disolver completamente.

La sustancia que se empleará tiene que tener un punto de ebullición bajo para que la separación de los compuestos sea mucho más fácil.

CONCLUSIÓN

Fue una práctica relativamente interesante, a pesar de los percances aprendimos como separar compuestos mediantes cristalización, basándonos en las propiedades del soluto y disolvente, aprendimos a predecir si un compuesto se combinará con otro mediante las características polares o no polares de cada uno, "lo similar disuelve lo similar"; encontramos el disolvente ideal para una sustancia mediante ensayo y error, utilizando diferentes disolventes para un solo soluto, y logramos separar mediante cristalización el poco hexano que nos quedó después de la explosión.

También aprendimos un poco de seguridad en el laboratorio, usar googles y bata es importante porque no se puede predecir cómo reaccionará una sustancia ante algunas situaciones, bueno si se puede, pero muchas veces se omite, incluso en los grandes laboratorios.

CUESTIONARIO

1. ¿Qué información se obtiene de un sólido al que se le realizan pruebas de solubilidad con disolventes de polaridad conocida? Si es o no polar, pues si es polar se disolverá en una sustancia polar y analógicamente cuando no es polar se disolverá en una sustancia no polar.

2. Un sólido que es soluble en frío, ¿podrá recristalizarse del disolvente en que se encuentra? Sí. Al bajarse la temperatura aún más, el sólido se cristalizará, análogamente a como pasa cuando se está caliente una sustancia y luego baja a temperatura ambiente, ahora, esta posibilidad es muy reducida porque normalmente, al bajarse más la temperatura, el disolvente se congelará y las moléculas no se podrán mover, por lo tanto no habrá cristalización. Para que se pueda cristalizar, el punto de congelación del disolvente debe ser más baja que el punto de solidificación del soluto.

3. Un sólido que es insoluble en caliente ¿podrá recristalizarse del disolvente en que se encuentra? No, porque jamás se va a mezclar con el soluto, más bien formará un agregado aparte. Al disolverse el soluto en el disolvente las moléculas estarán repartidas homogéneamente, al irse enfriando las moléculas de la sustancia que se solidificará primero (soluto) se unirán otra vez, formando una matriz de cristales de unos cuantos átomos, entre mas pase el tiempo y se valla enfriando mas las sustancia, los átomos del soluto tienen dos soluciones, empezar a formar una matriz nueva o unirse a una matriz ya establecida, si el enfriamiento es rápido, se forman muchas matrices y esto producirá muchos cristales muy pequeños, en cambio, si el enfriamiento es gradual se formarán pocas matrices y los átomos se irán uniendo a una matriz ya establecida, formando pocos cristales pero muy grandes (Tarbuck & Lutgens 2005).

4. ¿Cuáles son las principales características que debe presentar un sólido para recristalizarlo de su disolvente ideal? 1) Debe ser de la misma naturaleza polar o no polar que su disolvente. 2) Debe poder disolverse al calentarlo, pero no a temperatura ambiente, si no al dejarlo enfriar no se cristalizará.

5. ¿En qué parte del proceso de recristalización es eliminada cada una de las impurezas solubles e insolubles? Al someter a calentamiento, si la impureza tiene un punto de ebullición más bajo se evaporará más rápido, y por lo tanto se escapará al aire y se eliminará. Al empezar a cristalizar, las impurezas insolubles no entrarán en la matriz de cristalización porque simplemente no tendrán afinidad con la sustancia que se esté cristalizando, aunque claro, queda la posibilidad que esa sustancia insoluble quede atrapada entre los cristales que se forman, pero no se mezclará con ellos, solo la rodearán.

6. ¿Qué condiciones se deben controlar en el enfriamiento de la disolución para tener cristales de máxima pureza? Debe de ser un enfriamiento gradual, pues como se comentó en la respuesta 2, al enfriar muy lentamente la disolución, los átomos se irán uniendo gradualmente a la matriz, y la

impurezas no quedarán atrapadas en el, en cambio, si el enfriamiento es rápido se formarán muchos pequeños cristales en los cuales podría quedar encerrada entre ellos cualquier tipo de sustancia ajena al compuesto que queremos obtener

7. El yoduro de etilo (CH3–CH2–I) es relativamente polar, pero al contrario de lo que pasa con el alcohol etílico (CH3–CH2–OH), es inmiscible en agua. Explique esta diferencia de solubilidades. El yodo es una sustancia relativamente grande, por lo tanto su carga negativa se distribuye en un mayor espacio, lo que reduce la polaridad de una molécula, la parte del etilo es no polar, contrario a la otra molécula, el ión hidroxilo, es totalmente polar, y a pesar de que la parte del etilo no es polar, se compensa bastante bien.

Como se observa en la imagen, la molécula de morado representa el Yodo, es una molécula relativamente grande, por lo tanto su carga negativa se distribuye al grado que su polaridad se minimiza, aparte el Yodo, por ser una molécula grande no atrae con tanta fuerza al grupo etilo, y por lo tanto tenderá a disociarse. Se observa lo contrario en una molécula de etanol, la carga negativa del oxígeno representada en rojo, es suficiente para atraer a la parte positiva del agua, los hidrógenos, representados en blanco, y la parte ligeramente positiva del grupo etilo atraerá los oxígenos del agua.

8. ¿Cuál será el orden de solubilidad, de menor a mayor, de los siguientes compuestos en benceno?

Solubilidad en agua

Benceno 1.8 g/L (15 °C)

Ácido Oxálico 83 g/L (20 °C)

Ácido cítrico 95 g/L (15 °C)

Fenol 7.3 g/L (20°C)

Ya que el benceno es un elemento relativamente no polar tendría que disolverse en elementos no polares. El elemento menos polar de esta lista es el fenol, por lo tanto es con el que mejor se disolvería, pues es más parecido a él que la otras dos sustancias, después se disolvería con el ácido oxálica, aunque quizá no se logre por que ya es muy diferente su momento dipolar, y con el que menos se acoplaría es con el ácido cítrico.

9. ¿Por qué razón no se deben desechar por el drenaje, disolventes orgánicos como: hexano, acetato de etilo, acetona, etanol y metanol? Por qué es mas fácil reutilizarlos, utilizando técnicas como la que acabamos de conocer, o mediante destilación, etc., podrían reutilizarse la mayoría de los compuestos.

Además se podrían disociar, haciendo el agua tóxica. También, si echamos a la tarja lo que nos plazca, se podría formar un compuesto no deseado, por ejemplo metano, que es sumamente explosivo.

10. Dibuje las estructuras de los solutos y disolventes empleados en esta práctica e indique su polaridad, así como las fuerzas intermoleculares que existen entre unos y otros.

Hexano

Acetato de etilo

1.78 D

Acetona

2.91 D

Etanol

1.69 D

Metanol

1.69 D

Propanol

1.68 D

Naftaleno

Ácido benzoico

1.72 D in Dioxane

Preguntas

1.0 GUIA DE OBSERVACIONES (Conteste en hoja aparte y engrápela a su reporte)

1. ¿Porqué considera usted que es un método físico de separación el usar un imán

para separar limadura de hierro de aserrín?

2 Explique usted brevemente: ¿porqué la destilación es un método fisicoquímico de

separación?

3 ¿Qué es un método de separación químico?

4 ¿Qué diferencia hay entre un método de separación y una técnica de purificación?

Justifique su respuesta.

5 ¿Porqué están unidos los métodos de separación y las técnicas de análisis?

6 ¿Cuál es la diferencia entre cristalización y recristalización?

7 ¿Cuáles son los inconvenientes y las ventajas de la técnica de la cristalización?

8 Describa brevemente el plan de trabajo para llevar a cabo la cristalización.

9 ¿Cuál es la función del disolvente en la cristalización?

10 ¿Qué se debe hacer, si ningún disolvente sirve para cristalizar?

11 ¿Porqué el fenómeno de la sobresaturación hace de la cristalización un método de

purificación muy eficaz?

12 ¿Qué se hace cuando las muestras a purificar contienen sustancias coloridas?

13 ¿A qué se denominan "aguas madres"?

14 ¿Porqué cree usted que se induce la cristalización cuando se "siembra" un cristal?

15 ¿Porqué se induce la cristalización cuando se raspan las paredes de vidrio del

matraz, donde se hace la cristalización?

16 ¿Cómo se separan los cristales y el sobrenadante con la ayuda del vacío?

17 ¿Cuándo se puede usar la decantación?

18 ¿Cuándo se usa la filtración normal en una cristalización?

19 ¿Cuál es la ventaja y la desventaja del uso del embudo de tallo largo para la

filtración?

20 para qué se lava el sólido filtrado?

21 ¿Cuál es el método alterno de lavado cuando se tiene un disolvente de alto punto de

ebullición y es difícil de eliminar por secado?

22 ¿Qué es adsorción?

23 ¿Para qué se le añade agua de azúcar quemada a las aspirinas molidas?

24 ¿Qué punto de fusión obtuvo?

25 ¿Los cristales fundieron en un rango mayor de 10 C?

26 ¿Cuánto ácido acetil salicílico tenían las 20 tabletas?

27 ¿Cuánto ácido acetil salicílico obtuvo?

28 Dé su rendimiento en porciento.

29 Dibuje los cristales de ácido acetil salicílico que observó bajo la lupa ¿qué forma tienen?

30 ¿Cuál es el % de recuperación de cristales sublimados de la primera muestra?

31 ¿Cuál es el % de recuperación de cristales sublimados de la segunda muestra?

32 De los resultados anteriores: ¿cuál es su comentario?

33 Describa con detalle, los pasos que realizó para separar la mezcla agua-cloruro de

sodio - sólido sublimable.

34 ¿Cuál es el % de recuperación del NaCL que obtuvo?

35 ¿Cuál es el % de recuperación de sólido sublimable que separó?

36 En base a sus resultados, ¿cuál método es más eficiente, la centrifugación o la

sublimación? Justifique su respuesta.

2.0 CONCLUSIONES

¿Se cumple el objetivo de la práctica? Justifique su respuesta..

3.0 NUEVOS CONCEPTOS

Anotar los nuevos conceptos que aprendió en esta práctica.

Nombre del alumno Firma del

profesor

____________________________________

__________________

Calificación Observaciones del

profesor

__________________________

BIBLIOGRAFÍA

- Sadava, D., Heller, H.C., Orians, G.H., Purves, W.K., Hillis, D.M. 2008 Life. THE SCIENCE OF BIOLOGY 8th H.W.Freeman & Company. USA 1245p

- Chang, R. 2007 CHEMISTRY 9th McGraw-Hill. Williams College 1063 p. ISBN: 0072980605

- Yurkanis B.Y., 2007 ORGANIC CHEMISTRY 5th Pearson Education. Prentice Hall p. 1440 ISBN: 0131963163

- Mcmurry J.; 2008 Química Orgánica. 7a, Cengage Learning, Mexico

- Hein M., Arena S., 2005 Fundamentos de Química 11a International Thomson Editores. México p. 560

- Edward J. Tarbuck, Frederick K. Lutgens. 2005 CIENCIAS DE LA TIERRA. UNA INTRODUCCION A LA GEOLOGIA FISICA 8a Pearson Prentice Hall. p. 613