LABORATORIO DE QUÍMICA ORGÁNICA I

DESTILACIÓN SIMPLE Y FRACCIONADA

DESTILACIÓNLa destilación es una operación utilizada con frecuencia para la purificación y aislamiento

de líquidos orgánicos.

La destilación aprovecha las volatilidades y puntos de ebullición de los componentes

líquidos a separar.

La destilación depende de varias variables como: El equilibrio liquido vapor,

temperatura, presión, composición, energía.

Alcohol Éter Aldehído Cetona

NOMOGRAMA

Punto de ebullición:

Cuando un líquido se calienta, la presión de vapor del líquido aumenta hasta el punto en que es igual a la presión aplicada (por lo general la presión atmosférica). En este punto el líquido hierve. A esta temperatura se le denomina punto de ebullición (p. e.)

Grupos de los compuestos representados en los nomogramas Antraceno Monocloruro de azufre Antraquinona Sulfuro de carbono Butiletileno Tricloroetileno

Grupo 1

Fenantreno Alcanfor Hidrocarburos Anhídrido ftálico Hidrocarburos

halogenados Benzaldehído Metiletilcetona Benzofenona Monóxido de carbono Benzonitrilo Nitrotoluidinas Dibenzilcetona Nitrotoluenos Dimetilsilano Quinoleína Éteres Salicilato de metilo Fluoruro de hidrógeno Sulfucianuro de carbono

Grupo 2

Fosgeno Sulfuro Acetaldehído Ésteres Acetona Éter metílico Ácido fórmico Metiletiléter Aminas Naftoles Benzoato de metilo Nitrobenceno Cianuro de hidrógeno Nitrometano Cloroanilinas Óxido de etileno Cloruro de cianógeno Tetranitrometano

Grupo 3

Cloruro de mercurio

Nomograma

Nomograma

Grupos de los compuestos representados en los nomogramas Acetofenona Dimetilamina Ácido acético Dióxido de azufre Cianógeno Etilamina Cloruro de nitrosilo Formiato de metilo Cresoles Oxalato de dimetilo

Grupo 4

Diacetato de glicol Ácido propiónico Alcohol bencílico Amoniaco Fenol

Grupo 5

Metilamina Ácido isobutírico Agua

Grupo 6

Anhídrido acético

Nomograma

Grupos de los compuestos representados en los nomogramas

Ácido benzoico Ácido butírico Ácido heptanóico Ácido isocaproico Ácido valérico Alcohol metílico

Grupo 7

Etilenglicol Alcohol p-amílico Alcohol etílico Alcohol isoamílico

Grupo 8

Alcohol isobutílico

DESTILACIÓNPuntos de ebullición, son aquellos puntos o temperaturas de compuestos puros a las que sus presiones de vapor igualan a la presión atmosférica, produciéndose el fenómeno llamado ebullición.

El equilibrio entre el vapor y el liquido de un compuesto esta representado por la relación de moles de vapor y liquido a una temperatura determinada, también puede estudiarse este equilibrio a partir de sus presiones de vapor.

• La temperatura influye en las presiones de vapor y en consecuencia la cantidad de energía proporcionada al sistema, también influye en la composición del vapor y el liquido ya que esta depende de las presiones del vapor.

DESTILACIÓN

• La presión tiene influencia directa en los puntos de ebullición de los líquidos orgánicos y por tanto en la destilación.

• La composición de una mezcla es una consecuencia de la variación de las presiones de vapor, de la temperatura que fijan las composiciones en el equilibrio.

Ácido Carboxílico Ester Amina

Clasificación de la destilación • Destilación simple o sencilla.

• Destilación Fraccionada.

• Destilación por Arrastre de vapor.

• Destilación a presión reducida o al vacío.

Imina Imida

Destilación SimpleEl liquido se destila desde el matraz de destilación, ocurriendo primeramente la vaporización, estableciéndose el equilibrio liquido vapor.

Parte del vapor se condensa en las paredes del matraz, pero la gran parte pasa por la salida lateral condensándose debido a la circulación del agua fría por el tubo refrigerante.

A este producto se le conoce como, “destilado”, y a la porción que queda en el matraz de destilación el “residuo”,

se debe mantener el ritmo de destilación, manteniendo continuamente una gota de condensado en el bulbo del termómetro.

DESTILACIÓN SIMPLE

Destilación Simple

Para evitar el sobrecalentamiento de los líquidos es necesario introducir en el matraz, cuerpos de ebullición y mantener constante el ritmo de destilación. La destilación simple es aplicable en los sistemas que contengan líquidos orgánicos de puntos de ebullición diferentes.

Ejemplos:

agua-acetona agua-metanol acetona-hexano

Sistemas

Destilación Fraccionada

La destilación fraccionada es una técnica para realizar una serie completa de pequeñas separaciones (destilaciones simples), en una operación sencilla y continua.

Una columna de destilación fraccionada proporciona una gran superficie para el intercambio de calor, en las condiciones de equilibrio, que se establece entre el vapor que asciende y el liquido (condensado) que desciende.

Nitrocompuesto Nitrilo o cianuro Isocianuro

DESTILACIÓN FRACCIONADA

Destilación Fraccionada

Esto tiene como consecuencia una serie de evaporaciones completas y condensaciones parciales en toda la longitud de la columna de fraccionamiento.

Cuando el condensado en algún punto de la columna toma calor del vapor, parte se evapora de nuevo y el vapor formando es más rico en el componente mas volátil (el de menor ebullición).

Isocianato Sal de diazonio

Hidrazina

Destilación Fraccionada

Al mismo tiempo, cuando el vapor cede calor al condensado, parte del mismo se condensa, siendo este condensado mas rico en el componente menos volátil (el de mayor punto de ebullición).

Bajo este panorama podemos decir que partiendo de la base de la columna, a medida que aumenta la altura, aumenta el enriquecimiento del componente mas volátil e inversamente con el componente menos volátil. 

Hidroxilamina Haluro R-COX Haluro de acilo

Destilación Fraccionada

También se establece a lo largo de la columna un gradiente de temperaturas que varían desde el punto de ebullición del componente A hasta el punto de ebullición del componente B. 

Existe una influencia adicional al equilibrio termodinámico liquido-vapor, y este es el intercambio de energía (perdida) que se verifica en la columna de fraccionamiento.

R-S-R' Tioéter o sulfuro

RSO3H Ácido Sulfónico

Vaporización-condensación en una columna fraccionada.

EXPERIMENTO

Para obtener una mezcla líquida, la composición del vapor en equilibrio con la solución caliente, es diferente de la composición de la propia solución. Esto se muestra en la siguiente Figura, que es un diagrama de fases de una relación típica vapor-líquido para un sistema de dos componentes (A + B).

• Las líneas horizontales representan las temperaturas constantes.

• La curva superior representa el comportamiento de la composición del vapor

• La curva inferior, la composición del líquido. • En el diagrama, a la temperatura t, la intersección de la

curva en x indica que el líquido de composición w estará en equilibrio con el vapor de la composición de z, que corresponde a la intersección en y.

• Composición se da como porcentaje en moles de A y B en la mezcla.

• B o A puros destilan a una temperatura constante (TA o TB).

• Tanto el vapor como el líquido deben tener la misma composición

Diagrama de fases

La temperatura que se observa durante la destilación de una sustancia pura se mantiene constante durante la destilación siempre que el vapor y líquido están presentes en el sistema (Figura parte A).

La temperatura del líquido en el matraz de destilación se incrementará durante la destilación, y la composición del destilado va a cambiar (como se muestra en la Figura parte B).

Cuando dos componentes que tienen una gran diferencia de punto de ebullición se separan por destilación, la temperatura permanece constante mientras que el primer componente destila. Después, la temperatura de los vapores se eleva, y a continuación, el segundo componente destila, a una temperatura constante. Esto se muestra en la Figura parte C.

Ejemplo de la gráfica B, destilación de una mezcla de 50% de benceno (p. e. 80 °C) y 50% de Tolueno (p. e. 110 °C)

No. Fracción Intervalo de p. e.(°C)

Composición(%)

Benceno Tolueno

1 80-85 90 10

2 85-90 72 28

3 90-95 55 45

4 95-100 45 55

5 100-105 27 73

6 105-110 10 90

La solución de la composición de un 5% (95% de B), se calienta hasta que se observa a hervir a 87 ° C. El vapor tiene una composición (V1) de 20% A (80% de B). el vapor es más rico en A que el líquido original, pero no es A puro.El vapor se condensa en la columna para dar el líquido (L2) de 20% de composición de A. (80% B). Este líquido (L2) se evaporiza (pb 78 ° C) para dar vapor de composición V2 (50% A), que se condensa para dar líquido L3. El líquido L3 (50% A) se evaporiza (pb 63 ° C) para dar vapor de composición V3 (80% A), que se condensa para dar líquido L4. El líquido L4 (80% A) se evaporiza (pb 53 ° C) para dar vapor de composición V4 (95% A), que se condensa para dar líquido L5. Finalmente, el líquido L5 (95% A) es nuevamente

evaporado (pb 51 ° C) para dar vapor de V5 que es esencialmente A puro.

A) Los puntos de ebullición (presiones de vapor) son idénticos (sin separación).

B) Punto de ebullición algo inferior para A que para B (requiere la destilación fraccionada)

C) Punto de ebullición mucho menor para A que para B (destilación simple será suficiente).

Azeótropos

Un azeótropo tiene una composición fija, que no puede ser alterado por destilación normal (simple o fraccionada), y un punto de ebullición fijo. Por lo tanto, un azeótropo actúa como si se tratara de un compuesto puro.

Algunas mezclas de compuestos, a causa de atracciones intermoleculares o repulsiones, no muestran un comportamiento ideal.

Hay dos tipos de diagramas de composición de líquido-vapor que se derivan de este comportamiento no ideal: el de mínimo punto de ebullición y el de máximo punto de ebullición.

Los puntos máximo y mínimo en estos diagramas, corresponden a una mezcla de ebullición constante llamado un azeótropo.

Un azeótropo de punto de ebullición mínimo resulta de una incompatibilidad entre las sustancias, que conduce a mayores presiones de vapor de la solución de lo esperado. Las presiones de vapor más altas combinadas logran un menor punto de ebullición de la mezcla que la de cualquiera de los dos componentes.

Etanol (95.6%)-agua (4.4%)p. e. 78.17 °C

Otros azeótropos:

Benceno (91.1%)-Agua (8.9%)Benceno (74.1%)-Agua (7.4%)- Etanol (18.5%)p. e. 64.9 °C

TAREA: BUSCAR OTROS AZEÓTROPOS

Diagrama de punto de ebullición máximo.Un azeótropo de punto de ebullición máximo resulta de dos componentes que forman una atracción entre las moléculas de los componentes, lo que conduce a disminuir la presión de vapor de la solución. Las presiones de vapor inferiores combinadas causan un punto de ebullición más alto que lo que sería característico de cualquiera de los dos componentes. Dado que el azeótropo tiene un punto de ebullición más alto que cualquiera de los componentes, se concentra en el matraz de destilación, como el destilado (B puro). Una vez que la composición de la solución restante en el matraz de destilación ha llegado a la de la mezcla azeotrópica, la temperatura se elevará y el azeótropo comenzará a destilar. El azeótropo seguirá destilando hasta que se agote la solución en el matraz de destilación.

Acetona (20%; p. e. 56 °C)- Cloroformo (80%; p. e. 60.5-61.5 ) p. e. Az 64.7 °C

HCl (20.2%) –Agua (79.8%)p. e. 108.6 °C

TAREA: BUSCAR OTROS AZEÓTROPOS

OBJETIVOS

1.Conocer el procedimiento de una destilación simple y una fraccionada, así como sus características y los factores que intervienen en ellas.

2.Separar los componentes de una mezcla binaria por medio de una destilación simple o fraccionada.

3.Elegir la técnica de destilación más adecuada, en función de la naturaleza del líquido o mezcla de líquidos que se van a destilar.