Cristalización: Purificación de Sustancias

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Luis Eduardo Hernández – 1ª Edición

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PURIFICACIÓN DE SUSTANCIAS: CRISTALIZACIÓN

OBJETIVOS

 Purificar mediante la cristalización un compuesto orgánico.

 Determinar la combinación de solventes aptos para una purificación por cristalización.

EQUIPO

Embudo Embudo Büchner Papel de filtro Probeta 10 mL

Agitador de vidrio Bomba de vacío Vidrio Reloj Probeta 50 mL

Erlenmeyer 250 mL Mortero Procesador de alimentos

Beaker 500 mL

Beaker 250 mL Beaker 125 mL Filtro de manta Mechero

MATERIALES

20 pastillas de Aspirina

20 pastillas de Acetaminofén

Etanol Agua

Ácido Benzoico Hidróxido de calcio Bisulfito de sodio Hielo Seco

Caña de azúcar Hielo

MARCO TEÓRICO

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empiece a formar cristales de la sustancia que se requiere purificar. El material disuelto tiene una solubilidad diferenciada a diferentes temperaturas en el solvente escogido siendo menos soluble en frío que en caliente.

Los pasos para purificar una sustancia sólida se pueden ver en el siguiente esquema.

Disolución:

En una cristalización se busca hacer disoluciones saturadas de la sustancia a purificar mediante la disolución del sólido con el disolvente apropiado en caliente. Este proceso puede verse como un cambio de fase del soluto (el sólido a disolver) pasando de un sólido cristalino a un líquido (las moléculas disueltas en el disolvente). Para muchos compuestos orgánicos, este proceso es endotérmico ( y la

entropía asociada para el mismo es positiva ( por lo tanto, en muchos casos,

la solubilidad aumenta al aumentar la temperatura.

Encontrar el disolvente apropiado es una tarea que puede requerir tiempo y paciencia. En ocasiones, es necesario recurrir a mezclas de disolventes. Al mezclar disolventes lo que se hace es jugar con la polaridad del disolvente para aprovechar sus características en el proceso de cristalización.

Las características de un disolvente para una cristalización deben ser:

a) Que no reaccione con la sustancia a purificar.

b) Que posea un punto de ebullición por debajo del punto de fusión de la sustancia a purificar. Que este punto de ebullición sea relativamente bajo (60°C – 100°C)

c) Que disuelva la sustancia en caliente

Disolución Filtración

impurezas

Filtración en caliente

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d) Que disuelva el sólido en muy pequeña cantidad en frío. e) Que tenga poca o nula toxicidad y que sea barato.

El solvente (o mezcla de solventes) a usarse en una cristalización debe seguir una tendencia de solubilidad de soluto como se muestra en la figura siguiente.

NOMBRE TIPO P. Eb (°C) d (g/mL) Polaridad

Hexano Alcano 69 0,659 Menos Polar

Más Polar

Tolueno Aromático 110 0,867

Éter Etílico Éter 34,5 0,715

Diclorometano Halogenado 40 1,326

Acetato de etilo Éster 77 0,895

Acetona Cetona 56 0,79

Etanol Alcohol 78 0,789

Agua Acuoso 100 1,00

Temperatura (°C)

So

lu

b

il

id

ad

d

e

l so

lu

to

(g

/m

L)

Excelente comportamiento: Alta solubilidad en caliente, baja solubilidad en frío

Mal solvente: Alta solubilidad tanto en caliente como en frío

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Y como no se trata de adivinar cuáles solventes existen, adjuntamos una breve lista de solventes comunes en el cuadro anterior. Obvio, existen muchos más.

Una excelente guía de solventes usados en el laboratorio y sus propiedades o constantes físicas está recopilado en el Handbook Of Organic Solvent Propert ies de Ian Smallwood.

En este proceso de disolver la sustancia a purificar hay que tomar en cuenta que las impurezas pueden ser solubles o insolubles en el solvente a temperatura caliente. El comportamiento de solubilidad de las impurezas puede ser tan variado como solventes y mezcla de disolventes hay. Importante: Al hablar de impurezas, nos referimos a cantidades de impurezas pequeñas, entre más contaminado esté un producto sus cristales serán más difíciles de purificar.

Filtración en Caliente:

En este paso, las impurezas insolubles se separan de la sustancia que se quiere purificar. Aquí es donde sustancias como aserrín, arena, celulosa y otros quedan separados. Un poco de carbón activado, el cual es insoluble en casi todos los solventes, es agregado antes de ejecutar esta parte para eliminar coloración que no corresponde al color de la sustancia original y otras sustancias. No agregar demasiado carbón activado ya que su poder absorbente es tan alto que puede absorber mucho material de interés.

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momento que se percibe el reflujo se puede hacer la filtración sin riesgo de cristalización prematura.

Es posible que después de este paso se tenga que evaporar parte del disolvente para reducir su volumen. Esto puede hacer en un evaporador rotatorio o bien directamente en el Erlenmeyer y la plantilla solo dejando que se evapore el solvente a una temperatura ligeramente alta. Cuidado con esta técnica pues algunos solutos pueden ser sensibles a las altas temperaturas y descomponerse.

Cristalización en Frío:

En este paso la sustancia a purificar empieza a cristalizar formando cristales los cuales deben de tener una apariencia cristalina, sin color y de un tamaño apreciable. Para esto, es necesario dejar enfriar la disolución a temperatura ambiente, lentamente, sin perturbar la disolución. Al alcanzar la temperatura ambiente, pueden haberse formado cristales, puede ser necesario poner la disolución en un baño de agua-hielo para provocar la formación de más cristales. NO, repito, NO usar un beaker para hacer la cristalización, es preferible usar un Erlenmeyer para este efecto debido a que si se necesita dejar en reposo por largo tiempo, es posible colocarle un tapón de hule al Erlenmeyer de forma que no se evapore el disolvente. Además la boca angosta

Solvente caliente con impurezas insolubles Embudo y papel de

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del Erlenmeyer reduce la posibilidad de que los cristales se contaminen con polvo y otras impurezas.

Filtrado En Frío

Una vez formados los cristales estos se pueden filt rar usando un embudo Büchner y una bomba de vacío. Esta técnica hace que la velocidad de filtrado sea bastante mayor y el vacío ayuda a secar los cristales con rapidez. ¡CUIDADO! Verificar que el papel de filtro se adapte bien al embudo Büchner de forma que no se pierdan los cristales por los poros del embudo.

Secado de Cristales

Los cristales una vez filtrados por medio del embudo Büchner pueden ser dejados durante algunos minutos bajo la corriente de aire que forma el vacío de la bomba para remover todo el exceso de disolvente. Si el solvente es de bajo punto de ebullición muy probablemente con esta técnica quedarán listos para ser pesados y guardados.

Embudo Büchner con papel de flitro acoplado

Hacia la bomba de vacío

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Si el solvente es de alto punto de ebullición se puede recurrir al uso de la bomba de vacío nuevamente. Se colocan los cristales en vial o recipiente con trampa de vacío, se coloca el vacío y se calienta a baño maría el frasco (entre 40 °C y 50 °C) para favorecer que se evapore el solvente. Esto no debería de demorar mucho tiempo.

Otra técnica muy común y útil pero que requiere paciencia es el uso de un desecador. Este instrumento es un frasco de vidrio con fondo falso. En el fondo real se coloca un desecante (CaCl2, CuSO4 anhidro) y en el

fondo falso se colocan los cristales en un vidrio reloj y tapados con otro vidrio reloj encima. Se dejan durante 24 h y los cristales quedan secos y listos para ser pesados.

Rendimiento de la Cristalización.

En cuanto al rendimiento de la cristalización se puede usar la simple relación de sacar un porcentaje de cristales recuperados sobre masa inicial.

Esta relación no se espera que sea nunca 100 % pues se supone que las impurezas, las cuales aportaban masa a la muestra, debieron haber sido removidos con la técnica. Además, aunque la escogencia del disolvente haya sido la mejor y más idónea lo cierto es que siempre habrá pérdidas por solubilidad del material en el disolvente.

La cristalización múltiple es una técnica muy usada para lograr cristales de alta pureza sin embargo debido a la solubilidad del material no se recomienda exagerar su uso y efectuarlo solo cuando el nivel de impurezas es bajo.

Asumamos que tenemos 110 mg de un sólido impuro donde 90 mg son del material de interés A y 20 mg son de un material contaminante B. Se hacen pruebas con

Hacia la bomba de vacío

Baño maría tempertura tibia Tapón

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solventes y se determina que la solubilidad en el solvente escogido para el sólido A y sus impurezas es de 10 mg/mL. Al agregar 1 mL de solvente, se disuelven 10 mg de A y 10 mg de B quedando en forma de cristales 80 mg de A y 10 mg B. Una segunda cristalización con 1 mL de solvente nos daría al final 70 mg de A y 0 mg de B, es decir, 70 mg de A puro.

Para este caso el porcentaje de rendimiento de la cristalización sería

Cristalización de Azúcar

En la ingeniería de alimentos e ingeniería química, uno de los procesos de cristalización como purificación más comunes es la cristalización del azúcar a partir del jugo extraído de la caña. El jugo extraído de la caña es rico en sacarosa (nombre del azúcar de mesa común) contando entre 12 % y 18 % de este disacárido. Otros ingredientes en el jugo son fibras, azúcares no fermentables y minerales.

Para purificar el azúcar primero hay que extraer el jugo de caña con una prensa, posteriormente se evapora parte del disolvente (agua) hasta tener un jarabe un poco

110 mg Muestra = 90 mg A + 20 mg B

90 mg Muestra = 80 mg A + 10 mg B

70 mg de A Puro

10 mg A + 10 mg B

10 mg A + 10 mg B

1ª Cristalización

2ª Cristalización

En el licor madre

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más viscoso de color pardo claro. Manteniendo el jarabe caliente se agrega hidróxido de calcio para precipitar impurezas cuidando que el pH no sobrepase 7.5. Posteriormente se burbujea CO2 y por último se burbujea SO2 para aclarar el material.

Con el jarabe concentrado y enfriado se procede con el proceso de cristalización el cual puede durar varias horas. Procuraremos emular el proceso de cristalización del azúcar a partir de jugo de caña de azúcar.

PROCEDIMIENTO

Purificación de Ácido Benzoico, Aspirina y Acetaminofén

1. Tomar 15 pastillas de aspirina o acetaminofén y macerarlas en un mortero procurando dejar un polvo fino.

2. Tomar el ácido benzoico de muestra que le ha sido otorgado y comenzar el análisis del solvente idóneo para la cristalización.

Det erminando el solvent e adecuado

1. Preparar los siguientes disolventes: a. Etanol puro

b. etanol: agua (75:25) c. etanol:agua (50:50) d. agua pura

2. Tomar 4 tubos de ensayo y colocar 1 mL de dichos disolventes.

3. Agregar una punta de espátula del macerado a cada tubo de ensayo y agitar vigorosamente. Observar si se disuelve a temperatura ambiente.

4. Aquellos tubos en que no haya habido disolución, colocarlos a baño maría en un Beaker y observar en cual se disuelve el material. CUIDADO: Los vapores de etanol son inflamables.

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6. Efectuar el mismo procedimiento con el ácido benzoico.

Crist alización

1. Calentar entre 150 mL y 180 mL del disolvente escogido en el paso anterior. 2. Pesar 1,0 g del polvo de ácido benzoico, aspirina y acetaminofén, colocarlo en

un Erlenmeyer y agregar 20 mL del disolvente que esté caliente. CUIDADO con las manos y con las llamas. Disolver todo el sólido. Agregar solvente en pequeñas porciones hasta asegurar la completa desaparición del sólido.

3. Agregar una punta de espátula de carbón activado y dejar que la mezcla hierva por 2 minutos.

4. Colocar 20 mL de solvente en un Erlenmeyer 250 mL. Colocarlo sobre una plantilla y calentar lentamente. Armar un embudo con un papel de filtro y colocarlo sobre el Erlenmeyer en proceso de calentamiento.

5. Filtrar la disolución por gravedad estando calient e del Erlenemeyer donde está disuleto al Erlenemeyer con un pequeña porción de solvente caliente que tiene el embudo con el papel filtro. CUIDADO se quema los dedos.

6. Dejar enfriar la disolución a temperatura ambiente. Cuando se observen cristales, colocar el Erlenmeyer en un baño de hielo. Mantener en el baño por 10 minutos.

7. Filtrar los cristales formados por medio de vacío usando un embudo Büchner y una bomba de vacío. Dejarlos secar y retirarlos del papel filtro.

8. Pesar los cristales obtenidos y calcular el porcentaje de recuperación previo a secado en desecador.

9. Colocar los cristales en el desecador y medir la masa de los cristales secos. Calcular el porcentaje de rendimiento con los cristales secos post -desecador y comparar con el dato anterior.

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Cristalización de Azúcar

1. Tomar caña de azúcar y molerlo usando un procesador de alimentos. Separar los residuos sólidos de la caña del jugo de caña el cual debe tener un color pardo verdoso.

2. Preparar un mechero bunsen y colocar 150 mL del jugo de caña al mechero y dejar que llegue a ebullición.

3. Reducir la cantidad de agua a la mitad.

4. Mientras se reduce el jugo de caña, preparar una suspensión de hidróxido de calcio (cal apagada) en agua dispersando 1 g de hidróxido de calcio en 100 mL de agua.

5. Una vez que el agua del jugo de caña se haya reducido a la mitad, reducir el fuego y agregar lentamente la suspensión de hidróxido de calcio controlando que el pH no supere 7.5.

6. Con el hidróxido de calcio agregado y el pH en 7.5 aumentar la llama del mechero y dejar que la disolución hierva por 5 minutos.

7. Preparar un embudo y papel de filtro para proceder a filtrar el jarabe de azúcar. Una vez que hayan pasado los 5 minutos, filtrar y conservar el líquido y colocarlo nuevamente a la llama.

8. Agregar 0,25 g de sulfito de sodio a la disolución caliente y dejar que el volumen se reduzca.

9. Tomar 0,2 g de azúcar blanca y molerla en un mortero con un pistilo. Guardar este polvo.

10. Una vez que el volumen se reduce hasta formar un jarabe muy viscoso, retirar del fuego y colocar en una bandeja dejando enfriar.

11. Espolvorear sobre este jarabe parte del polvo de azúcar de forma que sirva como núcleos de cristalización.

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TRABAJO POSTERIOR

Calcular los rendimientos de todos los procesos de cristalización y purificación. Medir los puntos de fusión y explicar la desviación (si la hay) del punto de fusión medido y el punto de fusión reportado en la literatura.

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