Química Orgánica: Prácticas de Laboratorio – El Legado de Newton

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 filt ro 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 Filt ro de manta Mechero

MATERIALES

20 past illas de

Aspirina

20 past illas de

Acetaminofén

Etanol Agua

Ácido Benzoico Hidróxido de calcio Bisulfito de sodio Hielo Seco

Caña de azúcar Hielo

MARCO TEÓRICO

Los compuestos orgánicos que son sólidos a temperatura ambiente se purifican por

medio de la técnica de cristalización. No es como que los productos quedan puros

saliendo de los reactores, estos hay que purificarlos. La técnica requiere disolver el

material en un solvente caliente y luego dejarlo que enfríe lentamente de forma que

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empiece a formar cristales de la sustancia que se requiere purificar. El material

disuelto t iene 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 posit iva ( por lo tanto, en muchos casos,

la solubilidad aumenta al aumentar la temperatura.

Encontrar el disolvente apropiado es una tarea que puede requerir t iempo 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 característ icas en el proceso de cristalización.

Las característ icas 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 relat ivamente bajo (60°C

– 100°C)

c) Que disuelva la sustancia en caliente

Disolución Filtración

impurezas

Filtración en

caliente

Enfriamiento Filtración

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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)

Solu

bil

idad

de

l so

luto

(g/m

L)

Excelente comportamiento:

Alta solubilidad en caliente,

baja solubilidad en frío

Mal solvente: Alta solubilidad

tanto en caliente como en frío

Mal solvente: Baja 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.

Filt ración 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.

Puede darse el caso de que al momento de filt rar se de una cristalización prematura

para evitar esto se puede recurrir a un método en que toda la cristalería y el papel de

filt ro se mantienen calientes. Para este propósito se coloca el Erlenmeyer a recibir el

líquido en una plantilla de calentamiento y se agrega una pequeña cantidad del

solvente. Se coloca el embudo con el papel de filt ro a medida que el solv ente se

calienta y ebulle este se condensará en el embudo y el embudo se calentará. En este

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momento que se percibe el reflujo se puede hacer la filt ración 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 plant illa 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 t iempo, 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 filtro calientes

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

otras impurezas.

Filt rado 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 filt rado sea bastante

mayor y el vacío ayuda a secar los cristales con rapidez. ¡CUIDADO! Verificar que el

papel de filt ro 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 filt rados 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

Erlenmeyer con los cristales puros

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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 t iempo.

Otra técnica muy común y út il 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 múlt iple 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 de hule

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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 part ir

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 l icor madre

En el l icor 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 últ imo 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 part ir de jugo de caña de azúcar.

PROCEDIMIENTO

Purificación de Ácido Benzoico, Aspirina y Acetaminofén

1. Tomar 15 past illas 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.

5. Identificar aquel disolvente donde el sólido haya sido insoluble en frío y soluble

en caliente.

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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 filt ro y

colocarlo sobre el Erlenmeyer en proceso de calentamiento.

5. Filt rar la disolución por gravedad estando calient e del Erlenemeyer donde está

disuleto al Erlenemeyer con un pequeña porción de solvente caliente que t iene

el embudo con el papel filt ro. 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. Filt rar los cristales formados por medio de vacío usando un embudo Büchner y

una bomba de vacío. Dejarlos secar y ret irarlos del papel filt ro.

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.

10. Tomar una pequeña muestra y medir el punto de fusión del sólido cristalizado.

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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 filt ro para proceder a filt rar el jarabe de

azúcar. Una vez que hayan pasado los 5 minutos, filt rar 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 pist ilo. Guardar

este polvo.

10. Una vez que el volumen se reduce hasta formar un jarabe muy viscoso, ret irar

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.

12. Tapar la bandeja con una manta.

13. Dejar por 7 días.

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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.

Explicar la escogencia del solvente para cristalizar el acetaminofén, aspirina y ácido

benzoico.