Cuestionario N°3

Prácticas No. 4 y 5, Módulo 2 Purificación de sólidos Laboratorio de Química Orgánica I (1000035) 1. Discuta y explique ¿cómo se puede determinar si una sustancia sólida es, o no es, un compuesto puro? Para determinar la pureza de sustancias solidas se tiene en cuenta las propiedades físicas de esta, se realiza una análisis de la sustancia y si los datos obtenidos son iguales a los encontrados en la literatura esta sustancia es pura, los análisis que se pueden realizar so; densidad, punto de fusión, recristalizacion. 2. ¿Cuáles técnicas de separación y purificación conocidas son útiles para obtener compuestos puros desde mezclas sólidas que los contienen? 3. ¿Qué se entiende por a. Solubilidad? Es una medida de la capacidad de disolverse una determinada sustancia (soluto) en un determinado medio (solvente); implícitamente se corresponde con la máxima cantidad de soluto disuelto en una dada cantidad de solvente a una temperatura fija y en dicho caso se establece que la solución está saturada. b. Cosolvente? Un cosolvente se definen como solvente orgánico miscible con agua el cual se usa para aumentar la solubilidad de compuestos poco solubles en agua o para reforzar su estabilidad química y física. c. Antisolvente? Un antidisolvente es un disolvente en el que el producto es insoluble, se utiliza para generar una precipitación, se produce cuando se añade a una mezcla del compuesto con un disolvente, reduciendo drásticamente la solubilidad del producto deseado. d. diagrama de solubilidad? Es representación gráfica de la composición de equilibrio de las soluciones como una función de la temperatura, la presión, u otro parámetro que caracteriza las condiciones externas. El diagrama de solubilidad es un tipo especial de diagrama de fases, este último siendo ampliamente utilizados en la termodinámica química. Un diagrama de solubilidad para un sistema compuesto por dos componentes líquidos parcialmente miscibles A y B , nitrobenceno y n –hexano. Cada punto fuera de la región sombreada corresponde a una solución no saturada de un componente en el otro, cada punto de la curva de límite esta región representa una solución saturada, y cada punto dentro de la región sombreada corresponde a un sistema de dos fases de la capa de la solución saturada de A en B , cuya composición se indica en el punto b , y desde la capa de la solución saturada de B en A , cuya composición se indica en el punto c .

e. diagrama de fases sólido- líquido? Al mezclar dos o más sustancias sólidas y elevar su temperatura, es posible obtener una solución líquida homogénea, o bien una solución liquida parcial o totalmente inmiscible. Al enfriar esta solución esta empezará a cristalizarse a cierta temperatura y la solubilidad de las sustancias disminuirá considerablemente al descender la temperatura. Las curvas que expresan la variación de la temperatura de cristalización y de fusión con la composición del sistema se conocen como diagramas de fusión. Este tipo de diagramas se divide en tres tipos en función de la fase que se desprende de la solución. El primer tipo pertenece a los sistemas en los cuales la cristalización de las soluciones líquidas conforma dos sólidos puros, conocidas como las mezclas no isomorfas. El segundo tipo está representado por aquellas soluciones en las cuales la cristalización conlleva a la formación de una solución sólida la cual no presenta una zona de solubilidad limitada llamadas mezclas isomorfas. Y por último el tercer tipo pertenece a aquellas soluciones, las cuales al cristalizarse forman soluciones sólidas con zona definidas de solubilidad mutua. f. Recristalización? La recristalización es el proceso utilizado para separar un compuesto solido de sus impurezas, basándose en la diferencia de solubilidades de ambos, en algún solvente, o mezcla de solventes. La finalidad de este proceso es conseguir un adecuado grado de pureza que nos permita determinar el punto de fusión de la sustancia. g. Recristalización por mezcla de disolventes? Es el mismo proceso de recristalización pero con la diferencia que se utiliza una mezcla de disolventes misibles entre sí como metanol-agua, etanol-agua, acetato de etilo-etanol, acetato de etilo-hexano, éteracetona. Este proceso se utiliza para sustancias que son demasiado solubles en un disolvente, incluso en frío, y demasiado poco solubles en otros disolventes, aún en caliente. h. Precipitación? Es aquella reacción en la que se forma una fase sólida en el seno de una disolución, usualmente de forma tan rápida que se forman multitud de cristales.

Este tipo de reacciones se utilizan a menudo en el laboratorio de Química, con alguno de estas finalidades: separación del precipitado, identificación del precipitado (en análisis cualitativo) o determinación del precipitado (en análisis cuantitativo). i. Coprecipitación? La coprecipitación es un fenómeno en el que un soluto que normalmente permanece disuelto en una solución, se precipita en un soporte que lo obliga a unirse, en lugar de permanecer disperso en la solución. Esto puede ocurrir en la naturaleza y en entornos de laboratorio, y a veces se facilitaron activamente, mientras que en otros casos se trata de una reacción química indeseable. j. Floculación? La floculación es un proceso químico mediante el cual, con la adición de sustancias denominadas floculantes, se aglutinan las sustancias coloidales presentes en el agua, facilitando de esta forma su decantación y posterior filtrado. Es un paso del proceso de potabilización de aguas de origen superficial y del tratamiento de aguas servidas, domésticas, industriales y de la minería. k. Macla? Una macla es la agrupación simétrica de cristales idénticos. La simetría puede ser especular respecto del plano de macla o por el giro de sus elementos alrededor del eje de macla en 60º, 90º, 120º ó 180º. Se llaman «de contacto» cuando los elementos se unen en un plano, y «de compenetración» si están cruzados y compenetrados entre sí. En general presentan diedros entrantes; en caso contrario se habla de mimesia de un cristal individual. l. Fenómeno de oiling?

m. nucleación en el proceso de cristalización? La nucleación se produce como consecuencia de rápidas fluctuaciones locales a escala molecular en una fase homogénea que está en estado de equilibrio meta estable. Los núcleos cristalinos se pueden formar a partir de moléculas, átomos o iones. En soluciones acuosas pueden estar hidratados n. isomorfismo? Se llama isomorfismo el fenómeno por el que dos sustancias distintas, por el hecho de presentar la misma estructura, distribución de átomos y dimensiones en sus moléculas, son capaces de formar conjuntamente una sola red cristalina. o. Polimorfismo? El fenómeno por el cual una misma especie química puede originar diversas estructuras y, en consecuencia, diferentes tipos de minerales se denomina polimorfismo. Las estructuras correspondientes se denominan variantes o bien modificaciones polimorfas. p. Enantiomorfismo?

Fenómeno por el cual una misma especie química puede originar diversas estructuras las cuales tendrán enantiómeros (del griego 'ἐνάντιος', enántios, "opuesto", y 'μέρος', méros, "parte" o "porción"), también llamados isómeros ópticos, son una clase de estereoisómeros tales que en la pareja de compuestos uno es imagen especular del otro y no son superponibles, q. Inclusión isomórfica? También llamado formación de cristales mixtos en este el compuesto de coprecipitado posee una composición química y una dimensiones tales que le permiten encajar en la estructura cristalina del precipitado sin causaren ella tensiones apreciables ni distorsiones r. Solución sobresaturada? Es una disolución que contiene más material disuelto que podría admitir el disolvente en esas condiciones. También se puede referir a un vapor de un compuesto que tiene una mayor presión parcial que la presión de vapor de ese compuesto. s. Líquido sobreenfriado? Son líquidos que se pueden enfriar temporalmente a temperaturas más bajas que su punto de congelación. Esto es debido a que cuando se alcanza la temperatura de fusión (en este caso, de solidificación) las moléculas del líquido están demasiado desordenadas y no tienen la orientación adecuada para alcanzar la estructura cristalina. En consecuencia, puede continuar descendiendo la temperatura del líquido por debajo del punto de fusión sin que llegue a producirse la solidificación. t. siembra de núcleos?

u. Crecimiento de cristales? El crecimiento de cristales es una etapa importante de un proceso de cristalización, y consiste en la adición de nuevos átomos, iones, o cadenas de polímeros dentro del enrejado de Bravais, estructura tomada por muchos cristales. El crecimiento sigue una etapa inicial de homogéneos o heterogéneos (catalización de superficie) de nucleación. v. maduración de cristales? La maduración de Ostwald es un fenómeno observado en soluciones sólidas o líquidas que describe el cambio de una estructura homogénea con el tiempo. Con el tiempo, los cristales pequeños se disuelven, y vuelven a depositar en grandes cristales Esta técnica consiste en poner una mezcle de cristales grandes y pequeños en contacto con un disolvente. Los cristales granes crecen, mientras que los pequeños desaparecen. w. Sólido amorfo? El sólido amorfo es un estado sólido de la materia, en el que las partículas que conforman el sólido carecen de una estructura ordenada. Estos sólidos carecen de formas y caras bien definidas. Esta clasificación

contrasta con la de sólidos cristalinos, cuyos átomos están dispuestos de manera regular y ordenada formando redes cristalinas. x. Sublimación? La sublimación (del latín sublimāre) o volatilización, es el proceso que consiste en el cambio de estado del estado sólido al estado gaseoso sin pasar por el estado líquido. Al proceso inverso se le denomina deposición o sublimación regresiva 4. Discuta y explique las diferencias notables entre las siguientes técnicas de re

cristalización:

a. por enfriamiento de soluciones sobresaturadas, b. por evaporación lenta del disolvente en soluciones saturadas, c. por refinación en zona (fusión diferencial y transporte lento). 5. Investigue y describa cómo se hace cada una de las siguientes etapas a desarrollar en todo proceso de re cristalización por enfriamiento de una solución a. Selección del disolvente, b. Disolución del sólido impuro en caliente, c. Decoloración de la solución, si es necesario, d. Separación de impurezas y del agente de decoloración por filtración en caliente, e. Enfriamiento y cristalización del sólido, f. Recuperación de cristales, por filtración y lavado en frío, g. Secado de los cristales, h. Verificación del grado de pureza del sólido, i. Cálculo del rendimiento del proceso. 6. Discuta y explique cómo varía la solubilidad de los compuestos sólidos por efecto de a. su estructura molecular, b. la estructura molecular del disolvente, c. la temperatura del medio, d. la presencia de impurezas. 7. Investigue y discuta ¿qué cualidades del disolvente son las más convenientes para efectos de re cristalización de compuestos? a) Coeficiente de temperatura: El disolvente ideal para una recristalización lo más perfecta posible debe poseer un coeficiente de temperatura elevado para la sustancia que se vaya a purificar, es decir, debe disolver una gran cantidad de la misma a su temperatura de ebullición, y sólo una pequeña cantidad a la

temperatura ambiente o ligeramente por debajo de la misma. De este modo se recuperará la mayor parte del sólido en la cristalización. Por el contrario, tiene que presentar un bajo coeficiente de temperatura frente a las impurezas, para que éstas no se disuelvan al calentar a reflujo el sólido a purificar y se puedan separar fácilmente de éste mediante una simple filtración en caliente. b) Reactividad, inflamabilidad y toxicidad: El disolvente no debe reaccionar con el compuesto que se pretenda purificar, y su utilización no debe ser peligrosa, es decir, se elegirá un disolvente que no sea tóxico y que además sea poco o no inflamable frente a otro que sea inflamable. Por tanto, debe evitarse el empleo de benceno (muy tóxico) o de éter dietílico (muy inflamable). 8. Explique ¿cómo se elige en la práctica el disolvente adecuado para recristalizar un compuesto? 9. ¿Cómo se determina en la práctica, al seleccionar el disolvente para recristalización, cuando para purificar un sólido es conveniente hacer una recristalización por mezcla de disolventes? En muchos casos se necesita usar una mezcla de disolventes y conviene probar diferentes mezclas para encontrar aquella que proporciona la cristalización más efectiva. Los disolventes más usados, en orden de polaridad creciente son el éter de petróleo,cloroformo, acetona, acetato de etilo, etanol y agua. Existe un principio general "El igual disuelve al igual". Es decir, si el soluto es muy polar, será necesario un disolvente muy polar para disolverlo. Por el contrario si el compuesto no es polar se necesitará un compuesto no polar. Normalmente compuestos que presenten grupos funcionales que puedan formar enlaces de hidrógeno (ej. -OH, -NH, -COOH, -CONH) serán más solubles en disolventes tales como agua o metanol que en disolvente hidrocarbonados como benceno o hexano. Sin embargo, si el grupo funcional no es la mayor parte de la molécula este comportamiento se puede invertir. Frecuentemente, el experimentador elige un disolvente para cristalizar probando varios disolventes distintos y una cantidad muy pequeña del sólido a purificar. Estos experimentos se llevan a cabo en pequeños tubos de ensayo y esta técnica es necesaria cuando el producto que se pretende purificar no es conocido. Cuando los compuestos a aislar son bien conocidos el disolvente de cristalización correcto es conocido debido a experiencias previas de otros experimentadores. En la siguiente tabla aparecen los disolventes más empleados en la cristalización de las clases más comunes de compuestos orgánicos: CLASES DE COMPUESTOS HIDROCARBUROS ÉTERES HALUROS COMPUESTOS CARBONÍLICOS ALCOHOLES Y ÁCIDOS SALES

DISOLVENTES SUGERIDOS HEXANO, CICLOHEXANO, TOLUENO ÉTER, DICLOROMETANO DICLOROMETANO, CLOROFORMO ACETATO DE ETILO, ACETONA ETANOL AGUA

10. ¿Mediante qué mecanismo, materiales como el carbón activado, consiguen decolorar las disoluciones con impurezas coloreadas? 11. Discuta y explique ¿Qué consecuencias tendría sobre el resultado de una recristalización a. Dejar evaporar el disolvente de la disolución sobresaturada del sólido impuro?

Esto ocurriría al utilizar disolventes muy volátiles, y lo que ocurrirá es que la velocidad aparición de los cristales del solido será mucho más rápida, pero al dejar evaporar todo el disolvente sin haber filtrado antes presentara impurezas en el cristal final. b. dejar enfriar, sin filtrar, la disolución sobresaturada del sólido impuro? Los cristales obtenidos tendrán las mismas impurezas que el sólido inicial debido a que el proceso de filtrado, separa las impurezas de la disolución y al momento de enfriar se presentaran cristales más puros. c. Agregar disolvente frío a la disolución sobresaturada, caliente, del sólido impuro? Al agregar disolvente frío el compuesto a purificar no se solubilizara adecuadamente en el disolvente, ya que una de las características de los disolventes a utilizar es que el compuesto sea poco soluble en ellos a temperaturas bajas y muy solubles a altas temperaturas. d. Filtrar en caliente muy lentamente? Al filtrar en caliente conseguiremos que las impurezas que estaban presentes en el sólido queden en las aguas madres y el compuesto se pueda cristalizar. e. Adicionar una cantidad excesiva de disolvente para disolver el sólido impuro? Al adicionar grandes cantidades de disolvente lo que ocurrirá es que los cristales obtenidos van a presentar impurezas, debido a que estas impurezas generalmente se notaran en el disolvente caliente, y al adicionar más disolvente también serán disueltos y quedaran incorporados en los cristales finales. f. usar un exceso de agente de decoloración (carbón activado)? Al utilizar una cantidad muy grande de carbón activo, se disminuirá la cantidad de cristales obtenida debido a que al adicionar el carbono en su superficie se puede absorber una pequeña cantidad del compuesto a purificar, por ellos es recomendado adicionar una cantidad muy pequeña. g. Usar una cantidad de agente de decoloración escasa? Se generaran impurezas en los cristales finales debido a que no toda la impureza que colorea la disolución será eliminada por el carbono activo. h. Recristalizar con un disolvente de punto de ebullición muy bajo? Si se utiliza un disolvente con un punto de ebullición demasiado bajo se generara perdida de este durante el proceso de disolución y filtrado. i. Recristalizar con un disolvente de punto de ebullición muy alto? Si se utilizan disolventes que posean un punto de ebullición mayor que el punto de fusión del sólido a cristalizar. En este caso es normal que en vez de cristales en el proceso se obtengan materiales aceitosos. j. Enfriar muy rápidamente el filtrado al cristalizar el sólido?

Al enfriar rápidamente el filtrado se generaran cristales muy pequeño, esto ocurre porque las moléculas no tienen el suficiente tiempo para acomodarse de una manera más ordenada, generando así polimorfismo en los cristales. k. Enfriar muy lentamente el filtrado al cristalizar el sólido? Al enfriar lentamente se generaran cristales más grandes y detallados, dado que las moléculas del compuesto tienen más tiempo para ordenarse una estructura cristalina altamente detallada. l. Lavar los cristales obtenidos con disolvente caliente? Por disolución se generara perdida de cristales. m. usar volúmenes muy grandes de disolvente frío para hacer el lavado de los cristales? Se producirá perdida de cristales por disolución. n. lavar los cristales con un disolvente frío de otra polaridad a la del disolvente de cristalización? Al tener diferente polaridad no se generara disolución en los cristales, pero se necesitara una cantidad mayor de disolvente para lavas las aguas madres presentes en los cristales. o. Lavar los cristales con un disolvente frío de polaridad semejante a la del disolvente de cristalización; pero de mayor punto de ebullición? El único cambio que genera el uso de disolventes con mayor punto de ebullición será el método de secado de los cristales, se puede utilizar una estufa a temperaturas elevadas, esto en el caso que se sequen sustancias no sensibles al calor, pero los métodos más utilizado y eficientes son: - Secado en un Desecador. - Secado en pistola de vacío. p. Usar un papel de filtro de tamaño de poro muy grande para separar los cristales por filtración? Si se utiliza papel con un poro muy grande al filtrar se generara un paso del carbono y las impurezas, afectando la obtención de la sustancia en el proceso. q. Usar un papel de filtro de tamaño de poro muy pequeño para separar los cristales por filtración? Si se utiliza un papel de filtro con un tamaño de poro muy pequeño, no garantiza el paso de la sustancia a purificar dejando pasar solo r. Secar los cristales por calentamiento prolongado a temperatura superior al punto de fusión, al punto de sublimación o al punto de descomposición del sólido? Se generara fundición de los cristales y descomposición, dependiendo el tiempo que se deje expuesto el compuesto a esas condiciones. s. Secar los cristales por calentamiento durante algún tiempo dado a temperatura inferior al punto de ebullición del disolvente?

No se evaporara el disolvente que esta absorbido por los cristales, generando que los cristales queden húmedos y con impurezas. 12. ¿Qué otras formas de secado puede usarse con los sólidos? 13. Haga un dibujo de un desecador y de una pistola para secado con vacío y explique cómo funcionan.

En el laboratorio es un recipiente usado para eliminar o mantener la humedad de alguna sustancia, los desecadores son recipientes de vidrio o cristal pesado, en los cuales hay una plataforma (2) como la mostrada en la figura anterior donde se colocan las sustancia a ser desecada, en la parte inferior de los desecadores (1) se coloca una sustancia desecante. Los desecantes tiene todos loa borde esmerilados y se suele aplicar vaselina en la parte posterior de la tapa para que esta cierre herméticamente. 14. ¿Con qué tipo de sólidos cristalizados conviene usar filtración con succión por vacío en embudo tipo Buchner o en embudo tipo Hirch para el sólido de sus aguas madres? 15. Describa ¿cómo se usa correctamente y qué recomendaciones se debe tener en cuenta al filtrar con succión en un embudo Buchner? Sobre la parte con forma de embudo hay un cilindro separado por una placa cribada (o perforada). El material filtrante (usualmente papel de filtro) es ubicado en la placa. El líquido a ser filtrado es volcado dentro del cilindro y succionado a través de la placa cribada por una bomba de vacío creado con el efecto Venturi, mediante un kitasato y una corriente de agua. Este tipo de embudo se utiliza en las filtraciones de disoluciones que contienen solidos grandes. Si se realiza con sólidos pequeños, al realizar el vacío y al ser succionado, puede pasar al kitasato. 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.

16. Discuta y explique ¿Qué características o propiedades de la sustancia se deben considerar al momento de elegir la purificación de un sólido mediante re cristalización o mediante sublimación? 17. ¿Cómo se usa la sublimación para efectos de la purificación de sólidos? 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 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. 18. Haga un dibujo de un aparato tipo “dedo frío” para la sublimación de sólidos a baja presión (con vacío) y explique su funcionamiento.

1. Poner el sólido crudo en la parte inferior del sublimador. 2. Poner el dedo frío en la parte inferior del sublimador. Teniendo la precaución que el dedo frío limpio no toque al sólido crudo. Si se tiene un sublimador con el esmerilado de vidrio, engrasar ligeramente la articulación 3. Conectar las mangueras e iniciar el agua de refrigeración. 4. Si se va a usar un vacío en el sublimador, se debe poner ahora. Si la fuente de vacío es una aspiradora de agua, poner una trampa de agua entre la aspiradora y el sublimador. De lo contrario puede deprimirse si, durante una caída repentina de la presión, el agua se regresa, llenando el sublimador, el vacío debe iniciarse lentamente.

5. Calentar poco a poco la parte inferior del sublimador. Es posible que se vean los vapores saliendo del sólido. Pasado un tiempo se podrán ver los cristales del sólido purificado en el dedo frío. Debido a que se pueden utilizar diferentes sustancias, se debe utilizar diferentes métodos de calentamiento. 6. En el momento en que el sublimador se encuentre frio, si se tiene un vacío en el sublimador, introducir aire en el dispositivo. 7. Ahora se quita el dedo frío, con los cristales aferrados a la superficie lisa de vidrio.

19. Discuta y explique ¿qué efecto tiene sobre el resultado de la purificación por sublimación de un sólido a. Sublimar una mezcla de sólidos húmeda (con agua o algún disolvente líquido)? La humedad puede afectar el resultado del experimento, debido a que la humedad en los sólidos pueden hacer que la temperatura de sublimación aumente, también puede ocurrir que al aumentar esta temperatura de sublimación, un componente presente en esta mezcla puede llegar a descomponerse y como resultado generar impurezas en los cristales obtenidos. Si los sólidos son hidrosolubles formaran una solución y el proceso de sublimación no será posible. b. Calentar puntualmente debajo de la muestra, sin calentar eventualmente las paredes del tubo externo del dedo frío?

c. retirar el dedo frío, donde se adhiere el sublimado, bruscamente o rozando las paredes o la boca del tubo externo del dedo frío? Si se retira el dedo frio bruscamente los cristales adheridos, se caerán al fondo del dedo frio y se contaminaran con los residuos de las impurezas, si ocurre esto será necesario realizar el procedimiento de purificación de nuevo. d. Colectar y guardar el sublimado en frasco destapado de boca ancha? Debido a que el sólido purificado, se sublima al dejarlo destapado el sólido empezara a sublimarse y en un tiempo prolongado se desaparecerán los cristales en su totalidad siendo necesario realizar el proceso de sublimación de nuevo. e. La presencia de un compuesto de interés o impureza que descomponga a la temperatura del proceso de sublimación? Si en la mezcla hay presencia de impurezas que tenga una temperatura de descomposición igual a la temperatura del proceso de sublimación, hará que en los cristales obtenidos aun tengan la presencia de este compuesto lo cual generara una impureza y no permitirá hallar un valor de rendimiento.

20. Discuta ¿qué riesgo implica no usar una trampa vacía entre el montaje del aparato tipo “dedo frío” para la sublimación de sólidos a baja presión y la boquilla de succión de la bomba de vacío, que funciona por recirculación y paso de agua a través de una válvula Venturi? 21. Discuta y explique ¿cómo debe operarse la purificación de sólidos inestables por acción del aire, del agua o del calentamiento? 22. Averigüe ¿Qué es y cómo opera la liofilización?