Separación y purificación de compuestos orgánicos líquidos

Introducción

Los Métodos de Separación se basan en diferencias entre las propiedades físicas de los componentes de una mezcla, tales como: Punto de Ebullición Densidad, Presión de Vapor, Punto de Fusión, Solubilidad, etc.

Aquí se presentan los métodos más usuales de separación de compuestos y sustancias líquidas, especialmente para compuestos orgánicos. Estos métodos se basan principalmente en las diferencias en punto de ebullición y presión de vapor

Objetivo

El objetivo del seminario es conocer de manera teórica las diferentes técnicas de separación y purificación de compuestos orgánicos líquidos para mayor aprovechamiento en el aprendizaje en la práctica en laboratorio y posteriormente aplicarlo en el campo laboral.

Contenido

Separación de líquidos inmiscibles

Separación de líquidos miscibles

Destilación simple

Destilación fraccionada

Destilación por arrastre de vapor

Destilación a presión reducida

Extracciones

Reflujo

Separación de líquidos inmiscibles

Definición: Se llama liquido inmiscible cuando las sustancias no se pueden mezclar en ninguna proporción, es decir no son capaces de formar una fase homogénea

Separación de líquidos miscibles

Definición: La miscibilidad es la propiedad que tienen los líquidos de mezclarse en iguales proporciones, como resultado de lo cual se forma una solución homogénea. Por ejemplo en agua y el etanol.

Principios fisicoquímicos que determinan la miscibilidad

En los compuestos orgánicos, el porcentaje del peso de la cadena de hidrocarburos con frecuencia determina la miscibilidad del compuesto con agua. La miscibilidad es parcialmente una función de la entropía, y por lo tanto se observa más comúnmente en los estados de la materia que poseen más entropía. Dos sustancias son miscibles si la mezcla tiene como resultado una menor energía libre que cada uno de los componentes por separado. Por regla general lo igual disuelve a lo igual, igualmente compuestos polares son miscibles con compuestos polares, y no polares miscibles con no polares

Utilidad

Básico para entender cómo se llevan a cabo separaciones fisicoquímicas más complejas

¿Cómo realizarías la separación de dos líquidos inmiscibles?

-Con un embudo de decantación

–Destilación por arrastre de vapor

-Centrifugacion

¿Cómo realizarías la separación de dos líquidos miscibles?

-Extracción

-Reflujo

-Destilación

-Por punto de congelación

El uso entre dos solventes inmiscibles se puede utilizar para determinar el coeficiente de distribución o reparto. Ese coeficiente mide la solubilidad diferencial de una sustancia en esos dos disolventes.

Destilación simple

Definición

En química, se llama destilación simple o destilación sencilla a un tipo de destilación donde los vapores producidos son inmediatamente canalizados hacia un condensador, el cual lo refresca y condensa de modo que el destilado no resulta puro. Su composición será idéntica a la composición de los vapores a la presión y temperatura dados.

Principios fisicoquímicos

El principio fisicoquímico involucrado es la diferencia en el punto de ebullición. Calentando la solución a una temperatura y presión dada se logra la evaporación y posterior condensación de la sustancia o sustancias requerida, mientras que otras en la solución.

Utilidad

Se usa para separar líquidos con puntos de ebullición inferiores a 150ºC de impurezas no volátiles, o bien para separar mezclas de dos componentes que hiervan con una diferencia de puntos de ebullición de al menos 60-80°C. Mezclas de sustancias cuyos puntos de ebullición difieren de 30-60°C se pueden separar por destilaciones sencillas repetidas

Forma en que se monta

El aparato utilizado para la destilación en el laboratorio es el alambique. Consta de un recipiente donde se almacena la mezcla a la que se le aplica calor, un condensador donde se enfrían los vapores generados, llevándolos de nuevo al estado líquido y un recipiente donde se almacena el líquido concentrado.

Para que la ebullición sea homogénea y no se produzcan proyecciones se introduce en el matraz un trozo de plato poroso (o agitación magnética).

La existencia de una capa de sólido en el fondo del matraz de destilación puede ser causa de violentos saltos durante la destilación, especialmente si se utiliza una calefacción local fuerte en el fondo del matraz. La calefacción de un matraz que lleva cierta cantidad de sólido depositado en el fondo se debe realizar siempre mediante un baño líquido.

Destilación fraccionada

Definición

La destilación fraccionada es un proceso físico utilizado en química para separar mezclas (generalmente homogéneas) de líquidos mediante el calor, y con un amplio intercambio calorífico y másico entre vapores y líquidos. Se emplea cuando es necesario separar soluciones de sustancias con puntos de ebullición distintos pero cercanos.

Principios fisicoquímicos

La principal diferencia que tiene con la destilación simple es el uso de una columna de fraccionamiento. Ésta permite un mayor contacto entre los vapores que ascienden con el líquido condensado que desciende, por la utilización de diferentes "platos" (placas). Ello facilita el intercambio de calor entre los vapores (que ceden) y los líquidos (que reciben). Ese intercambio produce un intercambio de masa, donde los líquidos con menor punto de ebullición se convierten en vapor, y los vapores de sustancias con mayor punto de ebullición pasan al estado líquido.

Utilidad

Algunos de los ejemplos más comunes son el petróleo, y la producción de etanol.

Un método para destilar el petróleo crudo es la destilación fraccionada. Mediante este método se obtienen fracciones y no productos puros.

Las torres de destilación industrial para petróleo poseen alrededor de 100 bandejas. En el petróleo existen varios compuestos de los cuales se obtienen alrededor de 2.000 productos.

Forma en que se monta

La columna fraccionadora que se usa con más frecuencia es la llamada torre de burbujeo, en la que las placas están dispuestas horizontalmente, separadas unos centímetros, y los vapores ascendentes suben por unas cápsulas de burbujeo a cada placa, donde burbujean a través del líquido. Las placas están escalonadas de forma que el líquido fluye de izquierda a derecha en una placa, luego cae a la placa de abajo y allí fluye de derecha a izquierda.

Destilación por arrastre de vapor

Definición

La destilación por arrastre de vapor es una técnica usada para separar sustancias orgánicas insolubles en agua y ligeramente volátiles, de otras no volátiles que se encuentran en la mezcla, como resinas o sales inorgánicas, u otros compuestos orgánicos no arrastrables. Este método de separación consiste en calentar indirectamente la mezcla a destilar por medio de vapor de agua.

Cuando utilizarla

Si los componentes de la mezcla son líquidos volátiles con puntos con puntos de ebullición muy cercanos, la destilación simple no da una separación completa ya que se corre el riesgo de destilar simultáneamente dos o más líquidos, debido a que el calentamiento se efectúa directamente.

Principios fisicoquímicos

Ley de Dalton

Los vapores saturados de los líquidos inmiscibles sigue la Ley de Dalton sobre las presiones parciales, que dice que: cuando dos o más gases o vapores, que no reaccionan entre sí, se mezclan a temperatura constante, cada gas ejerce la misma presión que si estuviera solo y la suma de las presiones de cada uno, es igual a la presión total del sistema. Su expresión matemática es la siguiente:

PT = P1 + P2+…+Pn

Al destilar una mezcla de dos líquidos inmiscibles, su punto de ebullición será la temperatura a la cual la suma de las presiones de vapor es igual a la atmosférica. Esta temperatura será inferior al punto de ebullición del componente más volátil. Si uno de dos líquidos es agua (destilación por arrastre de vapor de agua) y si se trabaja a la presión atmosférica, se podrá separar un componente de mayor punto de ebullición que el agua a una temperatura inferior a l00°C. Esto es muy importante cuando el compuesto se descompone a su temperatura de ebullición o cerca de ella.

Utilidad

En general, esta técnica se utiliza cuando los compuestos cumplen con las condiciones de ser volátiles, inmiscibles en agua, tener presión de vapor baja y punto de ebullición alto.

Montaje:

Colocar en el primer matraz 300 ml de agua y unas perlas de vidrio. El tubo que va en este matraz no deberá tocar el agua.

Colocar en el segundo matraz 250ml de mezcla (muestra problema).

Tapar los matraces y verificar que las conexiones estén perfectamente colocadas y sin fugas.

Llenar el refrigerante con agua, manteniendo la circulación, hasta el término de la destilación.

Iniciar el calentamiento en el matraz que contiene agua.

La destilación finaliza cuando haya recolectado 100 ml. De destilado

Destilación a presión reducida

Definición

Es una forma de destilación sencilla o fraccionada que se efectúa a presión reducida.

Muchas sustancias no pueden purificarse por destilación a presión atmosférica , porque se descomponen antes de alcanzar sus puntos de ebullición normales.

Principio fisicoquímico

La estabilidad en el punto de ebullición es un condicionante para todas las destilaciones que se llevan a cabo a la presión atmosférica, según la Ley de Raoult

Si la presión total sobre la dilución es menor que la presión atmosférica, las contribuciones de las presiones de vapor a una temperatura menor serán lo suficientemente grandes para permitir la destilación.

El aumento en la volatilidad de un liquido como consecuencia de la reducción de la presión puede ser una gran ventaja para purificarlo.

La presión externa se reduce , con la finalidad de disminuir el punto de ebullición de la mezcla.

Utilidad

Aplicar la técnica de destilación a presión reducida para la purificación de líquidos orgánicos de baja presión de vapor.

Se usa normalmente en la industria para purificar vitaminas y otros elementos inestables.

En la industria petrolera la destilación a presión reducida es el proceso complementario de destilación del crudo procesado en la unidad de destilación atmosférica.

Montaje

Se utiliza un matraz Claisen de dos bocas, al que puede acoplarse un termómetro. Este matraz tiene la ventaja de disminuir al mínimo el riesgo de que el liquido caiga sobre el destilado , arrastrado por la espuma o salpicaduras.

El matraz tiene dos bocas estrechas, en la cuales se introduce utilizando goma de vacío el tubo capilar y el termómetro.

El calentamiento del matraz se inicia únicamente después que se ha hecho el vacío en el aparato; de otro modo el liquido pudiera hervir demasiado rápido al disminuir la presión.

Para reducir la presión externa se aplica vacío al aparato de destilación conectándole una bomba que succiona el aire contenido en el interior del aparato.

Extracciones

Definición

En química, la extracción es un procedimiento de separación de una sustancia que puede disolverse en dos disolventes no miscibles entre sí, con distinto grado de solubilidad y que están en contacto a través de una interface. La relación de las concentraciones de dicha sustancia en cada uno de los disolventes, a una temperatura determinada, es constante. Esta constante se denomina coeficiente de reparto

Principios fisicoquímicos

Si tenemos una sustancia soluble en un disolvente, pero más soluble en un segundo disolvente no miscible con el anterior, puede extraerse del primero, añadiéndole el segundo, agitando la mezcla, y separando las dos fases.

Utilidad

El proceso tiene repercusión industrial y se emplea en extracción de aceites, grasas y pigmentos. Por ejemplo, el yodo, poco soluble en agua, se extrae de la misma con tetracloruro de carbono. Una vez efectuada la separación de las fases se trata de calcular la concentración del yodo en cada fase, valorándolo con tiosulfato.

Montaje

A nivel de laboratorio el proceso se desarrolla en un embudo de decantación. Como es esperable, la extracción nunca es total, pero se obtiene más eficacia cuando la cantidad del segundo disolvente se divide en varias fracciones y se hacen sucesivas extracciones que cuando se añade todo de una vez y se hace una única extracción

Reflujo

Definición:

Se puede definir como un proceso de separación en donde la mezcla esta formada por diversas sustancias cuyos puntos de ebullición están muy cercanos entre si. Esto causa dificultades para que se de la separación por lo que se usa un proceso de rectificación.

Aquí los líquidos y vapores fluyen en contracorriente, haciendo un conjunto de etapas de equilibrio con un solo alimento y dos productos, denominados destilado y fondo.

Incluye además fases denominadas rectificación y agotamiento.

Principios fisicoquímicos:

Se basa en la diferencia del punto de ebullición de los distintos componentes de la sustancia, además de que los componentes de la mezcla líquida se separan mediante vaporizaciones y condensaciones sucesivas de la misma a lo largo de la columna.Además de que hay diversos factores que influyen en el proceso como son:

Relación del reflujo: la relación entre el caudal del líquido que se devuelve a la columna como reflujo y el que se extrae como destilado. Al aumentar la relación de reflujo es mayor el contacto y más fácil la separación.

L/V

Reflujo total: Cuando todos los vapores desprendidos en la cabeza de la columna se condensan y se devuelven a la misma como reflujo, de modo que no se extrae destilado, se dice que la columna opera bajo REFLUJO TOTAL.

L/V = 1/1 = 1

Utilidad:

Es lo más empleado para la separación de líquidos volátiles en la industria debido a la facilidad con que se consigue el enriquecimiento progresivo del vapor y del líquido en los componentes respectivos y es fundamental en la elaboración de numerosos productos industriales.

Montaje:

Consiste en colocar la muestra en el calderín (o cualquier otro recipiente donde este nuestra muestra). Este estará sobre una manta térmica. Sobre de ella estará la columna de rectificación con refrigerante.

Después estará el condensador y el sistema de llaves de extracción de líquido.

El proceso consistirá en que la muestra se calentara hasta su punto de ebullición, entonces el vapor subirá por la columna hasta el condensador, ahí dependiendo de la relación de reflujo una porción del vapor condensado se rectificara y otra pasara como destilado. El liquido que se rectifica cuya concentración no está en equilibrio con el vapor, para alcanzarlo parte de los componentes menos volátiles del vapor han de condensar sobre el líquido y a cambio, evaporarse parte de los componentes más volátiles del líquido que pasaran a la corriente de vapor.

Conclusión

Conocer los principios por los que se pueden separar compuestos líquidos entre sí, (miscibles o inmiscibles, con puntos de ebullición alejados o cercanos, entre otras características de estas soluciones) nos resulta muy útil y práctica para llevarlo a cabo en la industria, la investigación o incluso para comprender fenómenos de la naturaleza

Bibliografía

H. D. Durst, G. W. Gokel, Química orgánica Experimental, Reverté, 1ª edición, 1985

Moore J.A. and Dalrymple D.L., Experimental Methods in Organic Chemistry, 2nd edition, W.B. Saunders Co.,Philadelphia, 1976.

Brewster R.Q., Vander Werf C.A. y Mc Ewen W.E., Curso Práctico de Química Orgánica, 2a. Edición. Alhambra, S.A., Madrid, 1979.

Autor:

Didyer Live