Práctica 2

“Cristalización simple”

OBJETIVOS:

Conocer las características que debe tener un disolvente ideal para ser utilizado en una cristalización.

Saber cuándo se debe utilizar un adsorbente como el carbón activado. Observar la utilidad de la solubilidad de un compuesto en diferentes

disolventes y seleccionar la mejor opción para una cristalización. Realizar la purificación de un sólido mediante una cristalización simple.

ANTECEDENTES:

1) Disolvente ideal:

a) Solubilidad como fenómeno físico:

Es una propiedad que permite que una sustancia pueda disolverse en otra llamada solvente;  dicha propiedad depende de la naturaleza del disolvente y del soluto, así como de la temperatura y la presión del sistema al alcanzar el valor máximo de entropía.

Esto ocurre dependiendo de cómo interactúen entre sí las características de polaridad tanto de soluto, como del disolvente.

b) Relación entre solubilidad y estructura molecular.

La solubilidad y la estructura molecular van ligadas por que la estructura molecular es lo que le permite o no a las sustancias disolverse o disolver; es decir, la polaridad y las fuerzas intermoleculares están en función de la forma en que se acomodan los átomos y las cargas en una molécula. Por ejemplo el cloruro de sodio se puede disolver en agua por que como el agua es polar y esta sal también las cargas positivas atraen a las negativas y las negativas a las positivas ionizando la molécula.

c) Disolventes orgánicos.

Son compuestos orgánicos basados en el Carbono. En general, los disolventes orgánicos son de uso corriente en las industrias para pegar, desengrasar, limpiar, plastificar y flexibilizar, pintar y lubricar.

d) Propiedades físicas de los disolventes.

Son compuestos líquidos y de peso molecular ligero. Son sustancias poco polares, y por tanto escasamente miscibles en

agua, que manifiestan una gran lipofilia. Poseen gran volatilidad, por lo que presentan una alta presión de

vapor, pudiendo pasar fácilmente a la atmósfera en forma de vapor durante su manejo y por ello susceptibles de ser inhalados fácilmente.

Tienen unos puntos de ebullición relativamente bajos. En general son mezclas de varios compuestos químicos mayoritarios

acompañados de trazos de otros. Su composición puede variar con el tiempo, dada su volatilidad y

elevada presión de vapor y por el hecho de que se contaminan con el uso.

Uso muy amplio y diverso. En general, producen importantes efectos tóxicos. Son sustancias combustibles cuyos vapores mezclados con el aire

pueden dar lugar a mezclas inflamables y con riesgo de explosión.

e) Solubilidad, polaridad y orden de polaridad de los disolventes.

Una sustancia se solubiliza en otra si las magnitudes de las fuerzas intermoleculares del soluto y el disolvente son semejantes. Es decir lo polar es soluble en lo polar y lo no polar es soluble en lo no polar.

La solubilidad es directamente proporcional a la magnitud de las fuerzas intermoleculares, estas fuerzas interactúan con el soluto y de esta interacción depende la solubilidad.

f) Solvatación e hidratación.

La solvatación es un fenómeno que ocurre cuando un ion en una solución se ve rodeado por moléculas del disolvente, es decir, es una interrelación del disolvente y el soluto en la cual ambos se encuentran estables.

La hidratación es el fenómeno que ocurre cuando sustancias que tienen características higroscópicas, ósea que son capaces de absorber agua del ambiente que les rodea sin necesidad de estar en contacto con agua líquida.

2) Cristalización:

a) Fundamentos de cristalización.

Operación de separación líquido-sólido en la cual se produce la transferencia de un soluto desde una disolución a una fase sólida cristalina del mismo, mediante un cambio en la temperatura o en la composición.

Se trata de una operación controlada simultáneamente por la transferencia de materia y la transmisión de calor.

El procedimiento más habitual es concentrar la disolución y después enfriarla en condiciones controladas. De este modo la concentración de soluto supera el valor de su solubilidad a esa temperatura y a partir de la disolución sobresaturada se produce la formación de sus cristales

Existen diferentes técnicas de cristalización, todas con un objetivo específico, las principales son: la cristalización de impurezas coloridas (carbono activado) y cristalización por par de disolventes.

Algunas otras son: Enfriamiento de disolución concentrada, cambio de disolvente, evaporación del disolvente, sublimación y crecimiento cristalino.

Aplicaciones:

- Cristalización de la sacarosa en la industria azucarera- Obtención de aspirina- Separación de ceras en la refinación de aceites (winterización)- Purificación de productos en el refino del petróleo

b) Selección de disolvente ideal.

El disolvente ideal para cristalizar es aquel que cumple los siguientes requisitos:

1.- Disolver el sólido a purificar en caliente (a la temperatura del punto de ebullición del disolvente) pero no en frío (a temperatura ambiente). Éste es el requisito fundamental. Un disolvente que disuelva el sólido en frío o no lo disuelva en caliente, no es válido para cristalizar.

2.- Disolver muy mal o muy bien las impurezas, para que puedan eliminarse al filtrar en caliente o quedar disueltas en las aguas madres, respectivamente.

3.- No reaccionar con el compuesto a cristalizar.

4.- Presentar un punto de ebullición inferior al punto de fusión del sólido.

5.- Ser relativamente volátil con el fin de que los cristales obtenidos puedan secarse con facilidad.

6.- No ser tóxico ni inflamable.

La realidad es que no existe ningún disolvente que cumpla todas estas características y aunque todas son importantes, es imprescindible que al menos cumpla las cuatro primeras.

También es importante mencionar, que al elegir el disolvente debe tomarse siempre presente la regla de que "lo semejante disuelve lo semejante".

c) Secuencia para realizar una cristalización simple con o sin carbón activado.

El procedimiento general en una cristalización simple es el siguiente:

1) Disolución del compuesto sólido en el disolvente ideal a ebullición.2) Eliminación de las impurezas insolubles por filtración en caliente.3) Inducción de la cristalización (formación de los cristales). Además de dejar

enfriar a temperatura ambiente y luego en baño de hielo-agua, también se puede inducir la cristalización tallando las paredes del matraz con una varilla de vidrio, sembrando cristales, etc.

4) Separación de los cristales de las aguas madres por filtración al vacío.5) Lavado de los cristales con un poco del disolvente frío.6) Secado de los cristales.

d) Métodos para inducir una cristalización.

Para inducir la cristalización existen varios métodos, sin embargo, los más comunes son los siguientes:

Raspando con una varilla de vidrio (no pulida al fuego) la pared interior del recipiente con movimientos vigorosos verticales que entren y salgan del líquido o golpeando con mesura la pared exterior del recipiente con un mango de madera cerca del nivel de la superficie del líquido. El fenómeno no se entiende bien, pero se asume que puede deberse a dos cosas: a las vibraciones producidas, o al hecho de que el líquido salpica las paredes, allí se seca el disolvente, y con las salpicaduras posteriores es arrastrado el sólido producido al interior de la solución sirviendo sus partículas como centros de cristalización.Enfriando la solución con un baño de agua de hielo para activar más aun la cristalización.Tomando una pequeña cantidad de la sustancia pura que debe cristalizar desde una fuente externa y echándola en la solución lo que se denomina "sembrar la semilla" los cristales echados activan la cristalización generalizada.Golpear continuamente las paredes del recipiente para que se perturbe la disolución sobresaturada y comience la cristalización.

e) Tipos de adsorbentes y fenómeno de adsorción.

La adsorción es un proceso por el cual átomos, iones o moléculas son atrapados o retenidos en la superficie de un material.

Para el tratamiento de agua se usan diversos absorbentes como:

Carbono activado Resinas absorbentes de intercambio iónico Óxidos metálicos Hidróxidos Carbonatos Alúmina activada Arenas

f) Soluciones saturadas y sobresaturadas.

Disolución saturada: Tiene la mayor cantidad posible de soluto para una temperatura y presión dadas. En ellas existe un equilibrio entre el soluto y el solvente.

Disolución sobresaturada: Contiene más soluto del que puede existir en equilibrio a una temperatura y presión dadas. Si se calienta una solución saturada se le puede agregar más soluto; si esta solución es enfriada lentamente y no se le perturba, puede retener un exceso de soluto pasando a ser una solución sobresaturada. Sin embargo, son sistemas inestables, con cualquier perturbación el soluto en exceso precipita y la solución queda saturada.

g) Diversos tipos de filtración.

Sistemas de Filtración mecánica 

Pasan el agua a través de diferentes materiales con el fin de retener las partículas en suspensión del agua. Necesitan un mantenimiento constante de limpieza (al menos una vez por semana) para evitar que se depositen detritus de materia que al descomponerse provocarían compuestos tóxicos para los peces (nitritos). Material que utiliza es lana o "Perlón" es ligero, es atoxica, podemos utilizar también esponjas sintéticas.

Sistemas de Filtración química 

Su principal función es la eliminación de compuestos químicos que con la filtración mecánica no serían posibles. Los compuestos se derivan de la actividad metabólica como los nitratos o fosfatos o medicamentos. Materiales filtrantes que se utilizan en esta filtración son:

1. Carbón activado: Material absorbente que a través de un complejo proceso fisicoquímico retiene moléculas de determinados compuestos.

2. Resinas sintéticas: Absorben una serie de compuestos determinados existiendo resinas específicas para eliminar nitratos o fosfatos.

3. Turba: Sirve para disminuir la dureza del agua y rebajar el pH. coloreando el agua de un color amarillento sirve para tener una comunidad de peces de tipo amazónico (como los peces disco).

Sistemas de Filtración biológica 

Se basa en la acción de determinadas especias de bacterias (Nitrosomonas o Nitrobacter) capaces de descomponer los desechos y convirtiéndolos en otros menos contaminantes para los animales del acuario. El proceso biológico de los peces, excretan amoniaco, que lo convierten en nitritos nocivos para los peces, existen bacterias que convierten los nitritos en nitratos (abono para las plantas) esta labor de transformación debe contar en donde alojarse las bacterias, en su sustrato donde la corriente de agua suministre materiales en suspensión a tratar y aportar oxígeno necesario para la transformación. Los más utilizados son:

1. Cerámica porosa :  Son pequeños tubos huecos de gran porosidad que ofrecen una gran superficie para el asentamiento de las bacterias. Este material está sometido a un tratamiento especial que permite una gran superficie donde se puedan ubicar las bacterias.

2. Arena de coral :  Utilizada actualmente en acuarios marinos para los sistemas de filtración de placa, tiene la ventaja que sirve para estabilizar el pH en valores alcalinos.

3. Resina expandida :  Material sintético concebido especialmente para su uso en acuarios, tiene la forma exterior de la grava pero con innumerables poros que la convierten en un material sumamente aconsejable para los filtros exteriores.

4. Biobolas :  Son esferas de plástico para llevar al máximo la relación superficie-volumen. Huecas y llevan entrecruzadas en su interior una serie de laminillas colocadas de forma que el agua sea desviada en todas direcciones en su interior. Son utilizadas principalmente en los sistemas de filtración seco-húmeda o de percolación.

5. Grava y arena de cuarzo :  Se puede conseguir en diferentes granulometrías y ofrece un buen sustrato para el crecimiento de las bacterias, es utilizada como base de la decoración de acuarios de agua dulce y para el sistema de filtración de placa.

Sistemas de Filtración interna 

Se entiende por sistema de filtración interna toda aquella que se realiza dentro del acuario que puede ser tanto mecánica como biológica. Existen varios tipos de filtración que a continuación se detallan.

Cartucho: Son filtros en los cuales básicamente se realiza una filtración mecánica, compuestos por una bomba llamada cabeza impulsora unida a un cartucho de plástico, que suele ir a una esponja circular con un orificio en círculo que hace de canal de aspiración por el que sube el agua hacia la bomba una vez que ha pasado por la esponja. Se necesita limpiarlo periódicamente.

Placa: Es el filtro más utilizado hasta la fecha para la filtración biológica y uno de los más económicos, principalmente se usa en acuarios de agua dulce aunque se puede usar también en acuarios de agua salada. Funciona sobre la base del acuario se coloca una rejilla especial cubriendo la totalidad de la base. En los laterales (y en el centro dependiendo del tamaño del acuario) se colocan unos tubos verticales llamados "chimeneas", estos tubos hacen la función de impulsar o absorber el agua para que pase por las rejillas.

Sistemas de Filtración externa 

Se entienden por sistemas de filtración externa todos los filtros cuya ubicación está colocada fuera de la urna del acuario. Al igual que los sistemas de filtración interna pueden ejercer según sus especificaciones funciones de filtración mecánica, química o biológica.

Sistemas de filtración total: Son muy eficaces en la calidad del agua y se conocen como cubetas por su forma, tienen las tres formas de filtración, filtración mecánica mediante el paso del agua a través de materiales tipo (perlón o esponjas), filtración química a través de carbón activo y por último filtración biológica a través de un sistema de percolación para lo que suelen usar biobolas.

Filtro de bombona: Es el filtro externo más conocido. Es depósito herméticamente cerrado donde se colocan las sustancias filtrantes, puede utilizarse para realizar filtración biológica, química o mecánica, aunque está más recomendado para estas dos últimas ya que la escasez de oxigeno dificulta la actividad biológica. No obstante con la colocación de los sustratos adecuados puede desarrollar estas funciones. En la parte superior tiene una bomba impulsora encargada de devolver el agua al acuario y dos tomas una de entrada de agua y otra de salida por donde fluye el agua depurada. La altura donde se colocara el filtro con respecto al nivel del agua del acuario es importante ya que cuanto más alta sea esta altura más potencia necesitaremos en la bomba impulsora para que no deje de funcionar.

h) Secado de productos cristalizados.

Los productos cristalinos que se obtienen por filtración no se encuentran perfectamente secos. Suelen estar impregnados del disolvente en el que se ha producido la cristalización y muchos de ellos atrapan humedad del ambiente. El procedimiento más eficaz para su secado es introducir la muestra en un desecador, el cual permite hacer vacío cuando se conecta a una trompa de agua o una bomba de vacío

En el interior se coloca la muestra en presencia de un agente desecante, como pueda ser ácido sulfúrico, pentóxido de fósforo, cloruro cálcico, etc. Si se va a hacer vacío en su interior, es conveniente tapar el recipiente en el que se encuentra el sólido con un papel de filtro que ajuste a la boca del recipiente, al que se le han hecho una serie de perforaciones para dejar pasar el aire, para evitar proyecciones del sólido al hacer vacío o al abrir el desecador.

Cuando se quiera abrir el desecador si se ha hecho vacío, situar un trozo de papel de filtro en la entrada de aire para que esta sea lo más suave posible y no se produzcan torbellinos que hagan saltar los cristales fuera del recipiente.