Purificación de ácido benzoico por recristalización y sublimación y determinación del punto de fusión

UNIVERSIDAD ICESI FACULTAD DE CIENCIAS NATURALES LABORATORIO DE QUÍMICA ORGÁNICA I

PRÁCTICA 1

PURIFICACIÓN DE ÁCIDO BENZOICO POR RECRISTALIZACIÓN Y SUBLIMACIÓN Y DETERMINACIÓN DEL PUNTO DE FUSIÓN

1. OBJETIVOS

1.1. Aplicar el concepto de solubilidad a diferentes temperaturas para purificar un compuesto orgánico.

1.2. Separar el ácido benzoico de una mezcla empleando el método de recristalización.

1.3. Purificar ácido benzoico utilizando el método de sublimación.

1.4. Determinar el punto de fusión del ácido benzoico purificado por sublimación y recristalización.

2. INTRODUCCIÓN

Una sustancia pura es materia que tiene propiedades definidas y una composición que no varía de una muestra a otra. Un compuesto obtenido a partir de una reacción química o aislado de una fuente natural difícilmente se encuentra puro. Los químicos orgánicos dedican considerables esfuerzos al aislamiento de productos puros y para ello se emplean técnicas experimentales acordes con el estado físico de la sustancia.

Los compuestos orgánicos sólidos a temperatura ambiente suelen purificarse por recristalización. Esta técnica involucra la disolución del sólido en un solvente caliente (o una mezcla de solventes) y el enfriamiento lento de la solución. Durante ese enfriamiento la solubilidad del compuesto en el solvente disminuye y finalmente cristaliza o precipita.

Otra técnica muy útil para purificación de sólidos es la sublimación. Este proceso consiste en el cambio de estado de la materia sólida al estado gaseoso sin pasar por el estado líquido. Se puede llamar de la misma forma al proceso inverso; es decir, el paso directo del estado gaseoso al estado sólido, pero es más apropiado referirse a esa transición como sublimación inversa. Un ejemplo clásico de una sustancia capaz de sublimarse es el hielo seco.

Por otro lado, las propiedades físicas son intrínsecas a un compuesto cuando se encuentra en estado puro y las podemos observar sin cambiar la identidad y la composición de la sustancia. Estas propiedades incluyen color, olor, densidad, punto de fusión, punto de ebullición y dureza. Por el contrario, las propiedades químicas describen la forma en que una sustancia puede cambiar, o reaccionar, para formar nuevas sustancias. Entre las propiedades físicas frecuentemente determinadas para los compuestos orgánicos están el punto de fusión, el punto de ebullición, el índice de refracción, la densidad, la rotación específica y la solubilidad.

3. CONSULTAS PRELIMINARES

3.1. Consulte la solubilidad del ácido benzoico en agua a diferentes temperaturas y reporte los datos en una tabla.

3.2.Consulte la solubilidad del ácido benzoico en otros solventes a temperatura ambiente, el punto de fusión teórico y la presión de vapor en estado sólido.

4. MARCO TEÓRICO

4.1. Recristalización

El sólido que se va a purificar se disuelve en la mínima cantidad del disolvente apropiado a una temperatura elevada, la mezcla caliente se filtra para eliminar todas las impurezas insolubles y entonces la solución se deja enfriar para que se produzca la cristalización. En el caso ideal, todo el compuesto debe separarse en forma cristalina y todas las impurezas solubles deben quedar disueltas en las aguas madres. Finalmente, los cristales se separan por filtración y se dejan secar. Si con una cristalización sencilla no se llega a una sustancia pura, el proceso puede repetirse empleando el mismo u otro disolvente.

El paso más importante en una recritalización es la acertada elección del disolvente, puesto que debe satisfacer una serie de requisitos:

1. El compuesto debe ser razonablemente soluble en el solvente caliente (1 g/20 mL) e insoluble en el solvente frío o a temperatura ambiente.

2. Las impurezas deben ser insolubles en el solvente a cualquier temperatura o por lo menos moderadamente solubles en el solvente frío.

3. El punto de ebullición del disolvente debe ser relativamente bajo para poder removerlo de los cristales con facilidad.

4. El punto de ebullición del disolvente debe ser menor que el punto de fusión del sólido a purificar, en por lo menos 10 oC.

5. El disolvente no debe reaccionar con la sustancia a purificar.

La literatura química es una fuente valiosa de información para la selección del solvente que se utilizará en la recristalización, Si se trata de un compuestos nuevo o desconocido es necesario realizar pruebas de solubilidad hasta encontrar el disolvente apropiado. Es importante tener en cuenta la polaridad de la sustancia y del disolvente, así como la constante dieléctrica. En la tabla 1 se presentan los disolventes más utilizados en recristalización.

Tabla 1. Disolventes comúnmente empleados para recristalización.

Disolvente

Punto de ebullición (oC)

Soluble en agua

Constante dieléctrica

Inflamable

Éter de petróleo

Variable

No

1.9

Si

Dietil éter

35

Ligeramente

4.3

Si

Diclorometano

41

No

9.1

No

Acetona

56

Si

20.7

Si

Metanol

65

Si

32.6

Si

Tetrahidrofurano

65

Si

7.6

Si

Acetato de etilo

77

No

6.0

Si

Etanol (95%)

78

Si

24.6

Si

Ciclohexano

81

No

1.9

Si

Agua

100

NA

78.5

No

1,4-dioxano

101

Si

2.2

Si

Tolueno

111

No

2.4

Si

Traducido de Gilbert y Martin.

En algunas ocasiones es mejor emplear una mezcla de solventes para realizar la recristalización. Los disolventes deben ser miscibles y el sólido impuro debe disolverse primero en aquel en el que es más soluble a temperaturas elevadas y después en el que es menos soluble. La recristalización se realiza de forma normal.

Existen ciertas técnicas para inducir la cristalización cuando esta no se presenta. Una de ellas consiste en raspar con una varilla de vidrio la superficie interna del recipiente. Aunque no se entiende muy bien el efecto de este acto sobre la cristalización, se piensa que las vibraciones de alta frecuencia que se generan pueden iniciar el proceso de cristalización o quizá esto ayuda a evaporar pequeñas cantidades de solución, generando así una “semilla” o núcleo sobre la cual se produce la cristalización. Otra técnica consiste en enfriar la solución en un baño de hielo, disminuyendo la solubilidad del compuesto. Por último, se puede adicionar un

pequeño cristal puro (semilla) durante el enfriamiento para inducir la formación de más cristales. Si a pesar de todo el sólido no cristaliza, es probable que se haya adicionado mucho disolvente, se debe evaporar el exceso y enfriar nuevamente la solución.

4.2. Sublimación

Al igual que sucede con la presión de vapor de un líquido, la presión de vapor de un sólido aumenta con la temperatura. Si la presión de vapor de un sólido es mayor que la presión externa en el punto de fusión, el sólido sufrirá una transición directa al estado gaseoso sin pasar por el estado líquido.

La facilidad con la cual una molécula puede escapar del sólido a la fase de vapor depende de la magnitud de las fuerzas intermoleculares entre las moléculas del sólido. Las estructuras simétricas tienen unas distribuciones de densidad electrónica relativamente uniforme y momentos dipolares pequeños, comparadas con estructuras menos simétricas. Debido a que las interacciones electrostáticas son las fuerzas intermoleculares más fuertes, las moléculas con momentos dipolares pequeños tendrán presiones de vapor altas, de modo que la sublimación es una técnica apropiada para sustancias relativamente no polares y simétricas.

Un compuesto puede ser purificado por sublimación si su presión de vapor es relativamente alta, mientras que la presión de vapor de las impurezas es significativamente menor, de lo contrario se deben emplear otras técnicas para purificar el compuesto. Pocos compuestos orgánicos presentan presiones de vapor altas y las sublimaciones deben realizarse a presión reducida. En este caso emplearemos un sistema muy sencillo para llevar a cabo la sublimación del ácido benzoico.

4.3 Punto de Fusión

El punto de fusión de una sustancia se define como la temperatura a la cual el estado sólido y el estado líquido coexisten en equilibrio. El punto de fusión de un compuesto se usa en la química orgánica no sólo para identificarlo sino también para establecer su pureza. Generalmente se reportan dos temperaturas, la primera es el punto en el cual se forma la primera gota de líquido y la segunda es el punto en el cual toda la masa cristalina se vuelve líquida. El punto de fusión se expresa como un intervalo de temperatura, en el cual

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