tp destilación

5/10/2018 TP destilaci n - slidepdf.com

http://slidepdf.com/reader/full/tp-destilacion 1/21

QUIMICA ORGANICA I (Lic. en Óptica Ocular y Optometría)TRABAJO PRÁCTICO

DESTILACIÓN

Cátedra de Química Orgánica I, para la Licenciatura en Óptica Ocular y Optometría. 1

Atención: previo a todo trabajo experimental, debe volver a leerse detenidamente las “Medidas de Seguridad para Operaciones en el Laboratorio”, y las Hojas de Seguridad (HS) de las sustancias de trabajo.

Se debe trabajar permanentemente con guardapolvo, guantes y lentes de seguridad.

Objetivo del TPConocimiento de las diferentes técnicas de destilación; aplicación de la destilación al aislamientoy purificación de sustancias orgánicas.

Fundamentos y tipos de destilación.DESTILACION SIMPLE

FUNDAMENTOSLa técnica de destilación simple se aplica en el caso de una sustancia fundamentalmente

pura, para determinar su punto de ebullición o cuando se trata de una mezcla homogénea que

posee sustancias no volátiles disueltas. Se emplea el aparato de la Figura 1. Cuando el

líquido en el balón es calentado a ebullición, los vapores se elevan, pasan por el cuello del

balón alcanzan el termómetro y por la tubuladura lateral el condensador, algo del vapor se

condensa en el cuello del balón y en la cabeza del termómetro. El bulbo del termómetro se

debe encontrar levemente por debajo o en el nivel de la tubuladura lateral de forma de ser

bañado por los vapores del líquido que va a destilar. Si está por encima habrá error por

defecto, los vapores no mojan el termómetro; si está por debajo el error será por exceso,

estará en contacto con vapores de mayor pe que no alcanzan la tubuladura lateral y

condensan. El termómetro está sumergido en los vapores y el bulbo del termómetro tiene

líquido condensado en equilibrio con los vapores y el punto de ebullición se puede determinar

con exactitud.

Las partes más importantes del equipo son:Refrigerante

El más usado es el tipo Liebig. En el refrigerante se condensan los vapores debido a la

corriente de agua fría que asciende por la camisa. El sentido de circulación del agua es tal

que la zona más fría de la camisa está en contacto con los vapores de bajo pe que aún no

condensan. Para líquidos que hierven entre 120 y 150 oC no se suelen usar refrigerantes con




DESTILACIÓN


agua corriente por el peligro de la rotura de este. Se procede en ese caso al cierre de la

entrada de agua. Si la temperatura de ebullición es superior a 150 oC se utilizan refrigerantesde aire (que bien puede ser el mismo refrigerante vacío).

Alargadera

Es la comunicación entre el refrigerante y el colector. Cuando se destilan líquidos

higroscópicos las alargaderas poseen una salida con un ensanchamiento donde se adosa un

tubo que contiene el agente absorbedor.

Colector y balones de destilación

Puede emplearse un Erlenmeyer o balón de base plana como recipiente de destilación. Nunca

debe llenarse más de 2/3 del volumen total. Es necesario agregar en frío algún regulador deebullición. La velocidad de destilación apropiada es 1 gota por segundo. Las impurezas

volátiles son las que destilan primero a menor temperatura y se colectan separadamente

(fracción cabeza). Luego se colecta la fracción principal o corazón. Generalmente la

temperatura cae después de destilar la fracción principal lo cual se debe a que no hay vapores

suficientes para calentar el bulbo. No debe destilarse hasta llevar a seco el balón porque

puede ocurrir sobrecalentamiento y rotura del balón. Un compuesto puro exhibe un punto de

ebullición con un rango de 1-2 oC (no todos los líquidos de punto de ebullición constante son

compuestos puros simples).

El punto de ebullición se informa a una presión dada por ej. pe = 83.5-84.5 oC (752mm Hg).

Esto es porque él pe varía mucho con cambios en la presión. Al comenzar la destilación se

calienta rápidamente y en las cercanías del pe se calienta más lentamente: 1-2 gotas por

segundo. Casi todos los líquidos tienden a sobrecalentarse (adquieren temperatura mayor al

pe). Se encuentran en un estado meta estable que se interrumpe periódicamente al formarse

una gran burbuja de vapor, por lo que suele decirse que hierve a saltos. Cuando esto sucede

es que el vapor está sobrecalentado y él pe es mayor al real. El problema es que parte del

líquido puede pasar al destilado. Esto se evita agregando regulador de ebullición tal como

trozos de plato poroso, ya que el aire retenido en los poros forma núcleos de burbujas y el

líquido hierve sin sobresaltos. Si el líquido se enfría el plato poroso se inactiva por inundación

de los poros con el líquido que se destila y hay que agregar nuevo regulador antes de

comenzar un nuevo calentamiento. El calentamiento del balón se hace con baño calefactor, si

se calienta con mechero el balón debe estar sobre la tela de amianto. Para destilar se calienta




DESTILACIÓN


y recoge el destilado hasta que la temperatura permanece constante 10 s (fracción cabeza)

luego se cambia el colector y se recoge la fracción que alcanza una temperatura casi

constante (∆T ≅ 2 oC) (fracción corazón). Como residuo queda la fracción cola.

La destilación de cada fracción se da por terminada cuando hay aumento de temperatura y no

hay destilado. Cuando un líquido razonablemente puro es destilado, la temperatura sube

rápidamente hasta alcanzar el punto de ebullición y cuando este valor es alcanzado nocambia más de 1oC en él curso de la destilación. Una caída significante es señal que la

destilación del líquido ha concluido.




DESTILACIÓN





DESTILACIÓN


Un azeótropo es una mezcla que destila a pe constante y con composición constante. Existen

2 tipos de azeótropos i) de pe mínimo, es decir pe menor al de los componentes puros(desviación positiva de la ley de Raoult) en la destilación primero lo hace el azeótropo y luego

el compuesto en exceso y ii) de pe máximo es decir presenta mayor pe que los componentes

puros (desviación negativa de la ley de Raoult). En la destilación destila a menor temperatura

el componente en exceso y luego el azeótropo. Se muestran ambos en las siguientes curvas:

DESTILACION FRACCIONADA

La técnica de destilación fraccionada (Figura 2) difiere de la destilación simple en que el

vapor y el condensado de un líquido que hierve pasan por una columna fraccionadora antes

de ser condensados en el refrigerante. Cuando el vapor pasa por la columna, éste es

condensado y revaporizado continuamente. Cada revaporización del líquido condensado es

equivalente a una destilación simple. Cada una de estas destilaciones lleva a un destilado

más rico en el componente más volátil. La destilación fraccionada es una técnica que permite

realizar una serie completa de destilaciones simples en una sola operación.

Eficiencia de una columna

La eficiencia de una columna depende de la longitud y el empaquetado. Para columnas de

igual longitud un aumento del área de empaquetado y la conductividad térmica aumenta la

eficiencia. La eficiencia de la columna depende del establecimiento de las condiciones de




DESTILACIÓN


equilibrio entre el vapor ascendente y el líquido descendente. La eliminación por la parte

superior de la columna del compuesto más volátil debe ser tan lenta como sea posible. Haymayor eficiencia si se trabaja en condiciones adiabáticas Otro factor que afecta la eficiencia es

la relación de reflujo . La relación de reflujo es la relación de la cantidad de material que

refluja, es decir vapor que condensa y retorna por la columna y la cantidad de material que

sale como destilado. Ejemplo: una relación de reflujo de 15 significa que por cada g destilado

15 g de material retornan por la columna. Una alta relación de reflujo significa mayor eficiencia

y mejor separación pues el sistema está próximo al equilibrio. La relación de reflujo debería

ser igual o mayor al número de platos teóricos de la columna fraccionadora.

La eficiencia de la columna se expresa en platos teóricos , donde un plato teórico se definecomo una sección de una columna de destilación de longitud tal que el vapor alcanza el

equilibrio con el líquido, es decir que el vapor que deja el “plato” tiene la misma composición

que el vapor que entra en él y el vapor ascendiente desde el “plato” está en equilibrio con el

líquido descendiente de él. El número de platos teóricos es el número de procesos simples de

evaporación-condensación que se realizan en la columna fraccionadora. La eficiencia se suele

expresar como la altura equivalente del plato teórico que se obtiene dividiendo el número

de platos teóricos por la altura de la columna.

Al iniciar una destilación se debe comenzar a calentar lentamente. Cuando la solución hierva

se debe observar un anillo de condensación que se va elevando por la columna fraccionadora.

Si se calienta muy rápido no se alcanza una situación de equilibrio entre líquido y vapor y la

separación no es satisfactoria. Si se calienta el balón intensamente antes que la columna

fraccionadora esté caliente por los vapores y condensado, la columna puede inundarse. Este

anegamiento se debe a la falta de equilibrio entre condensado y vapor y puede ser debido a

defectos de empaquetamiento. Se puede mejorar disminuyendo la intensidad de la fuente de

calor o aislando la columna para evitar condensación.

Aislamiento térmico

Aún pequeñas pérdidas de calor pueden alterar considerablemente el delicado equilibrio en

columna eficiente, y casi una perfecta aislación se requiere para la separación de

componentes cuyos puntos de ebullición difieren unos pocos grados. Teóricamente la mayor

eficiencia se obtiene en condiciones adiabáticas. Varios métodos se emplean para lograr el




DESTILACIÓN


aislamiento térmico: uso de camisas plateadas al vacío, la aplicación de calor para balancear

las pérdidas o los recubrimientos con materiales aislantes.

DESTILACION A PRESION REDUCIDA

Cuando la presión sobre el líquido se reduce este hierve a menor temperatura. Esta técnica se

usa para líquidos de alto pe o sensibles al calor, el equipo se muestra en la Figura 3. Para

presiones próximas a la atmosférica, una caída de presión de 10 mm Hg baja el pe en 0.5 oC.

A bajas presiones una disminución de la presión a la mitad disminuye la temperatura en 10o

C. Debido a que el plato poroso no puede ser usado como regulador de ebullición, se usa uncapilar muy fino para introducir una fina corriente de aire o un gas inerte (N2, CO2, Ar).

También se deben usar adaptadores para recolectar en vacío las distintas fracciones sin

detener la destilación. En general el vacío se obtiene con una bomba mecánica con lo que se

logran presiones menores que 20 mm Hg. La bomba mecánica debe protegerse por trampas

para prevenir el paso de vapores del destilado. La medida de presión se hace con un

manómetro.




DESTILACIÓN





DESTILACIÓN


Para efectuar el arrastre se utiliza un aparato como el de la Figura 4 empleando un balón de

100 a 250 mL donde se coloca la muestra suspendida en agua. Cuando desde el erlenmeyerse produce una corriente continua de vapor, por ebullición del agua, se lo conecta al balón, el

cual es calentado suavemente con otro mechero, para acelerar el arrastre y evitar la

condensación del vapor. La destilación por arrastre puede efectuarse con o sin el generador

de vapor lo cual dependerá de cada sistema particular.

INDICE DE REFRACCION

El índice de refracción (n) está definido como el cociente de la velocidad (c) de un fenómeno

ondulatorio como luz o sonido en el de un medio de referencia respecto a la velocidad de fase

(vp) en dicho medio:

Generalmente se utiliza la velocidad de la luz (c) en el vacío como medio de referencia para

cualquier materia, aunque durante la historia se han utilizado otras referencias, como la

velocidad de la luz en el aire.

Cuando la luz pasa de un medio a otro cuyo índice de refracción es mayor, por ejemplo del

aire al agua, los rayos refractados se acercan a la normal. Si el índice de refracción del

segundo medio es menor los rayos refractados se alejan de la normal.

En el caso de considerar que n1>n2, si aumentamos el ángulo de incidencia, llega un

momento en que el ángulo de refracción se hace igual a 90º, lo que significa que desaparece

el rayo refractado. Como el seno de 90º es uno, el ángulo de incidencia para el cual ocurre

este fenómeno viene dado por c =n2/ n1

Este ángulo de incidencia, c recibe el nombre de ángulo crítico, ya que si aumenta más el

ángulo de incidencia, la luz comienza a reflejarse íntegramente, fenómeno que se conoce

como reflexión total.




DESTILACIÓN





DESTILACIÓN


Refractómetro de Abbe.

El principio de funcionamiento de este instrumento es la reflexión total interna. El líquido cuyoíndice de refracción se desea medir se coloca entre dos prismas transparentes rectangulares

de índice de refracción conocido.

Los prismas son de vidrio ópticamente denso (gran n), y una condición necesaria para poder

utilizar el instrumento es que el índice de refracción del líquido sea menor que el de los

prismas. La cantidad de líquido necesaria es de solamente unas pocas gotas. La luz entra en

el prisma por la cara B1C1, se refracta y los rayos se dirigen a la cara esmerilada A1B1. En esta

cara tiene lugar el fenómeno de la reflexión total interna, y los rayos que no son reflectados,

atraviesan el líquido y el otro prisma (que corrige las desviaciones de los rayos), para emerger

por la cara A1C y seguir hasta el ocular. El ángulo crítico viene dado por la relación:

donde y representan los índices de refracción del líquido y del vidrio

respectivamente. Conociendo el valor de y del ángulo se puede obtener el valor del

índice de refracción desconocido. El refractómetro de Abbe está diseñado de tal forma que,

cuando se ajusta la inclinación de los prismas de manera que la separación de los campos

claro y oscuro en el ocular coincide con el centro del retículo, entonces el índice de refracción

buscado se lee directamente en una escala calibrada, acoplada a los prismas y anexa al

ocular. En algunos instrumentos la escala está ubicada dentro del campo de visión del ocular,de forma que es posible verla conjuntamente con el retículo y los campos claro y oscuro. Los

refractómetros usualmente tienen un sistema óptico auxiliar (prisma de Amici) que permite

trabajar con luz blanca eliminando la coloración causada por la dependencia de n de la

longitud de onda (acromatización).




DESTILACIÓN


El sistema se regula mediante un control en el instrumento, y debe ser ajustado cada vez que

se hace una medición. El ocular posee otro control para el enfoque preciso del retículo y de ladivisión claro-oscuro.

El índice de refracción depende de la temperatura. Para la mayoría de las sustancias

orgánicas esta variación se encuentra entre 0.001 y 0.004 unidades por oC de variación de la

temperatura (representa alrededor de 1 % de variación para un cambio de 5oC en la

temperatura ambiente). Por esta razón, en mediciones de precisión es imprescindible

controlar la temperatura del líquido analizado. Con este fin los prismas del refractómetro

tienen acoplado un sistema para estabilizar y medir la temperatura durante la determinación,

utilizando un termostato como medio auxiliar para establecer un flujo de agua a la temperaturadeseada. Al igual que en cualquier otro instrumento, si no existe información al respecto, el

error absoluto cometido en la medición (n ) se determina por el valor de la menor división de la

escala.




DESTILACIÓN


Figuras

Figura 1. ESQUEMA DEL EQUIPO DE DESTILACIÓN SIMPLE

Tubo adaptador

Termómetro

Refrigerante recto

H2O

Colector

Alargadera

Balón dedestilación

Platinacalefactora




DESTILACIÓN


Figura 2. ESQUEMA DEL EQUIPO DE DESTILACIÓN FRACCIONADA




DESTILACIÓN


Figura 3. ESQUEMA DE UN EQUIPO DE DESTILACION FRACCIONADA A PRESIONREDUCIDA




DESTILACIÓN


Figura 4. ESQUEMA DEL EQUIPO DE DESTILACIÓN POR ARRASTRE CON VAPOR DE

AGUA




DESTILACIÓN


Parte experimental

DESTILACION SIMPLESe destilará una mezcla acetona-agua (alrededor del 50 %) sabiendo que no forman

azeótropo a P normal.

A) Se arma el equipo que se muestra en la figura correspondiente (Figura 1).

B) Se carga en el balón la mezcla líquida a destilar cuidando que el volumen no supere las 2/3

partes del mismo.

C) Se coloca regulador de ebullición (trozos de material poroso limpio o trozos de capilares

cerrados en un extremo).

D) Se comienza el calentamiento y se recogen diferentes volúmenes de destilado en unaprobeta graduada. Los volúmenes leídos serán más pequeños cuando se note una mayor

variación de la temperatura medida en el cabezal (usualmente fracciones de mililitro). Si la

variación de temperatura no es muy grande o se tiene una zona de ¨plateau¨ pueden tomarse

volúmenes mayores.

H) Con los volúmenes medidos a distintas temperaturas de destilación hacer un gráfico

temperatura vs volumen de destilado (llamado “curva de destilación”).

Nota: Cuando se destila un líquido suele llamarse “cabeza de destilación” a la fracción que se

colecta desde el comienzo hasta que la temperatura se estabiliza, mientras que se llama

“cuerpo” o “corazón” al volumen destilado mientras la temperatura permanece constante y

“cola” a la fracción obtenida desde el momento en que la temperatura después de permanecer

constante comienza a variar nuevamente.




DESTILACIÓN


CUESTIONARIO

1- Es posible realizar la purificación de un líquido por destilación simple? De qué depende laeficiencia de la destilación?

2- Cuál es la función del plato poroso?

3- Qué función cumple la bochita de CaCl2?

4- Qué entiende por sobrecalentamiento? Porque se produce? Cómo lo evita?

5- Explique cuál es la posición recomendada del termómetro.

6- Si por alguna causa interrumpe la destilación y el contenido del balón se enfría, es

necesario agregar nuevo regulador de ebullición? Justifique la respuesta.

7- Explique la siguiente observación “Nunca se debe agregar el regulador de ebullición allíquido una vez calentado”.

8.- Cualitativamente, qué influencia ejercerán cada una de las siguientes impurezas en los

puntos de ebullición de una mezcla de acetona con:

a) Alcohol etílico (78.8 oC) b) Éter etílico (35 oC) c) Azúcar,

Bibliografía

1. Vogel Practical Organic Chemistry

2. Wiberg Técnicas de Laboratorio de Química Orgánica

3. Brewster-Vanderwerf- Mc Ewen Curso práctico de Química Orgánica

4. Galagovtsky Kurman Fundamentos Teórico-prácticos del laboratorio




DESTILACIÓN


Parte experimental

DESTILACIÓN FRACCIONADA

Se destilará también una mezcla acetona-agua (alrededor del 50 %).

A) Se arma el equipo que se muestra en la figura correspondiente (Figura 2).

B) Se carga en el balón la mezcla líquida a destilar cuidando que el volumen no supere las 2/3

partes del mismo.

C) Se coloca regulador de ebullición.

D) Se comienza el calentamiento regulándolo de modo de obtener una buena relación dereflujo. Se anota temperatura de destilación y volumen de destilado.

E) Se cambia el recipiente colector cuando la temperatura permanezca constante. Se repite el

cambio cuando la misma comience a aumentar.

F) Se anota la temperatura (o rango de la misma) a la que se colectó cada fracción y se mide

el volumen de cada una.

G) Se suspende la destilación cuando el balón está casi seco. No llevar a sequedad total.

H) Se construye un gráfico de temperatura vs volumen destilado.

Se realizará la destilación a una velocidad aproximada de 10 gotas por minuto. Secompararán estos resultados con los obtenidos por destilación simple.




DESTILACIÓN


CUESTIONARIO

1- Principio en que se fundamenta el funcionamiento de la columna fraccionadora.2- Cómo influye la velocidad de destilación en la eficiencia de la separación?

3- Por qué aísla la columna?

4- Explique porqué 2 sustancias de pe próximo no pueden separarse por destilación simple y

sí por destilación fraccionada.

5- Como es la curva de destilación ideal para una destilación simple y para una fraccionada?

Porque en la práctica es algo diferente?

6- De acuerdo a su fórmula estructural ordene los isómeros del pentano y hexano según su

punto de ebullición creciente.7- Cómo pueden separarse dos sustancias que forman azeótropo? Haga un diagrama de

composición versus temperatura para dos sustancias que forman azeótropo.

8- Una mezcla de etanol y agua (50%) se destiló con una buena columna de fraccionamiento.

Se obtuvieron dos fracciones principales: agua casi pura y una mezcla de etanol-agua (95:5).

Explique el origen de los puntos de ebullición de cada fracción, haciendo uso de tablas.

9- Una mezcla de 50 g de acetona (P.E. 56,2 oC) y 50 g de ciclohexano (P.E. 81,4 oC) se

destila con una buena columna de fraccionamiento. Se observa que primero destila una

fracción de temperatura de ebullición 53 oC. Después de haber destilado 75 g, la temperatura

aumenta rápidamente a 81ºC, donde se mantiene hasta el final. Esquematice las curvas y

explique los resultados obtenidos.

10- Conteste, justificando en cada caso su respuesta, si las siguientes afirmaciones son

verdaderas o falsas:

a) 2,2-dimetilbutano y n -hexano tienen el mismo punto de ebullición.

b) iodobutano y bromobutano tienen el mismo punto de ebullición.

c) Cuando se seca un solvente con sulfato de sodio anhidro, no es necesario retirar el

desecante del balón antes de destilar.

d) La destilación a presión reducida de una mezcla azeotrópica a presión atmosférica permite

separar los dos componentes puros.

e) En una destilación a presión atmosférica, el termómetro se debe colocar en el interior del

líquido.




DESTILACIÓN


f) Una mezcla etanol-agua se puede separar en sus componentes puros por destilación con

una columna de fraccionamiento ideal.

Bibliografía

1. Vogel. Practical Organic Chemistry

2. Wiberg. Técnicas de Laboratorio de Química Orgánica

3. Brewster-Vanderwerf- Mc Ewen. Curso práctico de Química Orgánica

4. Galagovsky Kurman. Fundamentos Teórico-prácticos del laboratorio

tp destilación

Documents