Cristalizacion

Tema 3. TÉCNICAS DE PURIFICACIÓN.

Recristalización. Destilación simple, fraccionada y al vacío. Sublimación fraccionada y al vacío. Secado y deshidratación de sólidos, líquidos y gases. Purificación por transporte químico en fase de vapor:Métodos de Van Arkel – De Böer y Mond. Ultra purificación: fusión por zonas.

Introducción.

Hemos visto hasta el momento algunas técnicas que permiten llegar a obtener el producto deseado en el grado de pureza que proporcionan los diferentes métodos de síntesis, pero muchas veces ésta no es suficiente y se requiere efectuar procedimientos que permitan alcanzar un grado de pureza superior.

Para ello se emplean diversas técnicas o procedimientos, que en la mayoría de los casos no son exclusivamente para purificación, sino que en ocasiones se emplean también durante el mismo proceso de síntesis. Entre estos se encuentran la cristalización y recristalización, la destilación y la sublimación en sus diferentes variantes, así como el secado y deshidratación de sustancias.

En algunos casos se requieren un alto grado de pureza, por lo que se deben emplear otras técnicas que pueden llevar hasta la ultra purificación. Para ilustrarlas, haremos mención de aquéllas que se basan en el transporte de sustancias químicas a través de una fase vapor y el método conocido como fusión por zonas, el cual es un ejemplo interesante de purificación especial basada en un concepto de solubilidad que habitualmente no empleamos en el laboratorio químico.

Recristalización.

Es el procedimiento más empleado y simple para la purificación de sustancias sólidas, en particular aquéllas que no forman hidratos. Sus fundamentos son los mismos de la cristalización simple, o sea, la dependencia del coeficiente de solubilidad de la sustancia con la temperatura. En esencia consiste en disolver la sustancia que se desea purificar en la mínima cantidad del disolvente caliente, agua por lo general, de forma de obtener una disolución saturada a alta temperatura. Posteriormente se enfría a la temperatura adecuada (para lo cual debe tenerse en cuenta la solubilidad de las posibles impurezas presentes), de modo que se produzca la precipitación o cristalización de la sustancia en cuestión con una mayor pureza. El procedimiento es muy efectivo cuando las solubilidades de la sustancia deseada y las impurezas son muy diferentes.

Para realizarla es necesario conocer los datos de solubilidad de la sustancia, para, a partir de ellos, estimar la cantidad de disolvente necesaria para disolver la masa de cristales a purificar. Una vez realizado este cálculo, se calienta el disolvente a la temperatura necesaria y se va agregando poco a poco y con agitación sobre el sólido a purificar, hasta que éste se disuelve totalmente. En este paso, se filtra en caliente la disolución y se deja enfriar lentamente el filtrado, con lo que se obtienen cristales grandes de mayor pureza.

Es evidente que el proceso de recristalizar una sustancia para purificarla va en detrimento de la cantidad de la misma que se obtiene, máxime cuando en ocasiones es necesario realizar más de una recristalización para lograr la pureza requerida. inicio

El término “recristalizar” tiene otra significación en el trabajo en estado sólido, y consiste en fundir una fase sólida que tiene impurezas o imperfecciones cristalinas, y realizar un enfriamiento, por lo general, lento del fundido, de modo que se formen nuevos cristales exentos de impurezas.

Destilación.

La destilación simple es un procedimiento que permite separar un líquido volátil de una sustancia no volátil o de otro líquido de diferente temperatura de ebullición.

Comúnmente se realiza a presión normal, pero en los casos en que las sustancias a separar reaccionen con el aire, o sean térmicamente inestables o tengan temperaturas de ebullición muy altas, se puede realizar alvacío o en alto vacío. En este caso, se requiere el uso de aditamentos especiales que permitan la unión entre el sistema de destilación y el frasco colector.

Es importante prestar atención a algunos detalles del montaje del equipo. En primer lugar, debe considerarse si se requiere enfriamiento con agua para la condensación o si el aire es suficiente. El sistema de calentamiento es importante sobre todo cuando se trata de líquidos inflamables. El uso de tapones de goma o de uniones esmeriladas es otro asunto al que hay que prestar atención, y en este último caso, hay que atender a los requerimientos de lubricación, que pueden variar desde ninguno, hasta otros muy especiales como por ejemplo, el ácido sulfúrico concentrado o el ácido fosfórico puro para sustancias muy higroscópicas.

En química Inorgánica no es muy frecuente separar mezclas de líquidos de puntos de ebullición muy cercanos, pero hay ocasiones en que se hace necesario hacerlo y entonces se requiere separar los vapores mediante columnas de fraccionamiento. Estaremos empleando la destilación fraccionada.

Generalmente una mezcla líquida en ebullición está en equilibrio con su vapor cuya composición es más rica en el componente más volátil. La condensación del vapor y su reevaporación parcial da lugar a un nuevo enriquecimiento. En una mezcla dada se necesitan varias de estas etapas ideales para lograr un vapor de una proporción determinada del componente más volátil. Este proceso de enriquecimiento discontinuo se puede realizar en una columna de fraccionamiento provista de platos horizontales ordenados de tal forma que el condensado a través del cual burbujea el vapor que asciende, condense sobre cada uno y refluje al plato inferior.

Si los platos fueran ideales, (al plato ideal se le llama plato teórico y es la unidad de eficiencia de todas las columnas de fraccionamiento) el número de platos y el número de condensaciones y reevaporaciones sería el mismo para un grado de enriquecimiento necesario, pero las pérdidas de calor y las condiciones de no-equilibrio hacen que la eficacia sea como máximo aproximadamente del 70 % de la ideal.

El número de platos teóricos necesarios para separar una mezcla de dos líquidos A y B, en dos fracciones que cada una contenga 99 % de cada componente, sólo se puede obtener con exactitud a partir de las curvas de puntos de ebullición y composición del vapor de la mezcla. Pero de forma aproximada se puede obtener el número de platos teóricos por la expresión:

en la cual las temperaturas de ebullición de A y B se expresan en kelvin (K).

El cálculo del número de platos está relacionado con la zona de temperaturas en que se esté trabajando. Por ejemplo:

Tabla 1. Número de platos teóricos en función de la temperatura de trabajo

Temperaturas cercanas a 0oC Temperaturas

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