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