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Notas de Laboratorio 3: Recristalización y Punto de Fusión

Introducción

  • La recristalización es la técnica más utilizada para purificar sólidos.
    • Idea: disolver el sólido en un disolvente adecuado caliente y, al enfriar, dejar que cristalice, quedando las impurezas en el disolvente.
    • Funciona porque la solubilidad de la mayoría de sustancias aumenta con la temperatura y disminuye al bajar la temperatura.
    • La pureza se evalúa mediante el punto de fusión, una propiedad física que indica pureza de los sólidos.
  • Punto de Fusión
    • El punto de fusión de un sólido cristalino es la temperatura a la que pasa de sólido a líquido.
    • Para una sustancia pura la fusión ocurre en una temperatura característica y en un rango muy estrecho (valor constante bajo una presión dada).
    • La variación del punto de fusión se explica con el diagrama de fases presión de vapor vs. temperatura.
    • En la Figura 3.1 se señalan curvas: AB representa la presión de vapor de la fase sólida entre TA y TB (a volumen constante); BC corresponde a la presión de vapor de la fase líquida entre TB y TC. El punto de intersección de las curvas (T_B) es el punto de fusión para el sólido puro a una atmósfera.
  • Influencia de impurezas
    • La presencia de impurezas, incluso en 1–2%, provoca que la fusión ocurra a una temperatura menor y en un rango más amplio que el sólido puro (ver Figura 3.1).
    • La temperatura de fusión observada del sólido impuro se designa como T_D, debido a la formación de una solución donde las propiedades del disolvente se ven afectadas por la cantidad de soluto (la impureza).
    • Las impurezas afectan el punto de fusión solo si son solubles en la fase líquida.
    • Esta depresión del punto de fusión y el rango resultante se emplean para evaluar la pureza del sólido purificado.
  • Propósito en el laboratorio
    • Determinar la identidad de una sustancia mediante su punto de fusión.
    • Aunque el término es punto de fusión, en la práctica se obtiene un rango de temperaturas desde que la muestra empieza a fundir hasta que termina.
    • Este rango observado puede corresponder a varios compuestos posibles; para corroborar la identidad se utiliza el punto de fusión mixto.
  • Punto de fusión mixto
    • Para obtener un punto de fusión mixto, se tritura y mezcla dos posibles compuestos en proporción 1:1 y se toma el punto de fusión.
    • Solo la mezcla que contiene una sustancia consigo misma mostrará un rango estrecho de fusión.
    • Si la mezcla contiene impureza (otro compuesto), el punto de fusión será más bajo y el rango se ensanchará. La estrechez del rango es un criterio de pureza.
  • Referencia de texto
    • QUÍMICA ORGÁNICA - MANUAL DE LABORATORIO - ESCALA MICRO, 1.ª Parte, 4.ª edición, Mary A. Aponte, Zwin­da L. Rivera y María N. Guntin.

A. Punto de Fusión

  • Definición formal
    • El punto de fusión puro es la temperatura a la que un sólido cristalino pasa a líquido.
    • Para sustancias puras, este valor es único y característico.
  • Interpretación práctica
    • Un sólido impuro funde a una temperatura menor y a lo largo de un rango mayor que el sólido puro.
    • El rango de fusión observado puede indicar la presencia de impurezas y su grado de solubilidad en la fase líquida.
  • Solubilidad y diagrama de fases (concepto)
    • La depresión y el ensanchamiento del rango se deben a la formación de una solución que contiene el soluto (impureza) y el disolvente (la sustancia principal).
  • Aplicación en química orgánica
    • En el laboratorio, el punto de fusión se utiliza para estimar la identidad y la pureza de un compuesto purificado a través de recristalización.
    • Aunque se llama punto de fusión, se reporta como un rango de temperaturas.
  • Notas sobre la figura (Figura 3.1)
    • TB: punto de fusión del sólido puro a 1 atmósfera.
    • TD: punto de fusión observado del sólido impuro (inicio de fusión; en la práctica, el rango se extiende desde TD hasta TC).
    • TC: límite superior del rango de fusión del sólido impuro.

B. Disolvente

  • Disolvente ideal: determinar por tanteo la mejor opción para la recristalización.
  • Regla base: "igual disuelve a igual". El disolvente debe poseer fuerzas intermoleculares similares a las del sólido.
  • Criterios para elegir/disolver el disolvente ideal
    • No debe reaccionar con el compuesto a purificar.
    • Su punto de ebullición debe ser menor que el punto de fusión del sólido para evitar que este se derrita al calentarse.
    • Disuelve una cantidad razonable del compuesto a alta temperatura, pero poco, o nada, a temperatura ambiente.
    • Fácil de remover de los cristales purificados.
    • No tóxico, inflamable y económico.
    • Capaz de mantener las impurezas en solución a cualquier temperatura.
  • Mezcla de disolventes (solución de dos disolventes miscibles)
    • Cuando no existe un disolvente único que cumpla todas las cualidades, se usa una mezcla de dos disolventes miscibles.
    • El compuesto debe ser soluble en un disolvente, pero insoluble en el otro a todas las temperaturas.
    • Procedimiento típico:
    • El compuesto se disuelve en el disolvente en que es soluble; se hierve la solución y se filtra caliente.
    • Se añade poco a poco el disolvente en que es insoluble hasta obtener una turbidez que no desaparece.
    • Se deja enfriar para proseguir con la recristalización.
  • Caso práctico en el experimento
    • Recristalización de acetanilida usando agua como disolvente. Se demuestra a escala macro y micro; la pureza se evalúa por punto de fusión y se determina el porcentaje de recuperación para evaluar la eficiencia.
  • Fuente de referencia
    • QUÍMICA ORGANICA - MANUAL DE LABORATORIO - ESCALA MICRO, 1.ª Parte, 4.ª edición, María A. Aponte, Zwin­da L. Rivera y María N. Guntin.

C. Identificación Cooperativa de un Sólido Orgánico

  • Enfoque colaborativo en ciencia
    • El trabajo científico moderno es en gran parte colaborativo, con intercambio de datos y muestras para corroborar si se trabajan con las mismas sustancias.
    • Se propone resolver un rompecabezas de forma cooperativa entre los estudiantes, aplicando técnicas básicas de purificación e identificación de sólidos orgánicos.
  • Objetivos de la actividad
    • Identificar cooperativamente un sólido orgánico desconocido a escala micro.
    • Purificar el sólido desconocido, determinar su punto de fusión y comparar con datos de posibles sustancias.
    • Realizar un punto de fusión mixto para confirmar identidad y calcular el porcentaje de recuperación.
  • Proceso general
    • Selección de disolvente adecuado para recristalización.
    • Purificación del sólido y obtención del punto de fusión.
    • Identificación cooperativa entre estudiantes con intercambio de información de mp y muestras.
    • Cotejo de datos y determinación del porcentaje de recuperación.

II. EXPERIENCIA PRÁCTICA

  • Objetivo práctico
    • Demostrar el proceso de recristalización a partir de un sólido crudo, purificarlo y caracterizarlo por su punto de fusión.
  • Procedimiento general (resumen de las notas de la experiencia)
    • Disolución de la muestra cruda en la cantidad mínima necesaria de disolvente caliente.
    • Filtración de impurezas insolubles mediante papel doblado en pliegues en un embudo sin tallo (filtración por gravedad) de la solución caliente.
    • Si hay impurezas coloreadas, tratamiento con carbón decolorante (carbón activado, Norit).
    • Cantidad de carbón: aprox. 3% por volumen de la solución; añadir poco a poco, hervir de nuevo y filtrar caliente por gravedad.
    • Evitar usar grandes cantidades de carbón para no absorber el compuesto deseado.
    • Enfriamiento lento de la solución para favorecer la cristalización de cristales puros a temperatura ambiente.
    • Las impurezas solubles permanecerán en la solución y se eliminarán al filtrar los cristales.
  • Filtración de cristales
    • Filtración por gravedad para la separación inicial de cristales formados durante el enfriamiento.
    • Filtración al vacío (Büchner) para obtener cristales bien secos cuando se requieren cantidades grandes o rápidas.
  • Equipo de recristalización (macro y micro)
    • Embudo para filtración por gravedad: embudo cubierto con papel de filtro doblado en pliegues; líquido recogido en un matraz Erlenmeyer o vaso de precipitados.
    • Embudos para filtración al vacío: Embudo Büchner o Hirsch; fondo con agujeros, papel de filtro humedecido con disolvente; conexión al aspirador para succión.
    • Para microescala: embudo Hirsch, pipeta Pasteur y tubo de reacción para filtración sin necesidad de extracción de gran volumen.
  • Procedimiento para verificar rendimiento (punto de fusión)
    • Antes de purificar, se toma el punto de fusión de la muestra cruda para comparar con posibles sustancias.
    • Después de purificar, se toma el punto de fusión del sólido purificado.
    • La muestra debe estar pulverizada y seca; habitualmente se coloca en un tubo capilar sellado por un extremo para el análisis.
  • Métodos para determinar punto de fusión
    • Una técnica consiste en usar un baño de aceite de parafina (punto de ebullición alto) para calentar de manera uniforme; el capilar se sumerge en el baño y el termómetro vigila la temperatura.
    • Instrumentos eléctricos comerciales para puntos de fusión: Fisher-John, Thomas-Hoover Uni Melt, y Mel-Temp (este último es el más común en laboratorios).
  • Caso práctico detallado (Figura 3.2)
    • Paso 1: Disolución de la muestra: disolver aproximadamente 1 g de acetanilida en agua caliente; añadir carbón si es necesario.
    • Paso 2: Preparación de sistema de filtrado: componentes para filtración por gravedad y/o vacío.
    • Paso 3: Filtración en caliente: mantener el sistema húmedo y con agua caliente para evitar la prematurea cristalización.
    • Paso 4: Enfriamiento: permitir que la solución se enfríe a temperatura ambiente para favorecer la cristalización.
    • Paso 5: Filtración por succión: filtración al vacío para secar los cristales.
  • Figura 3.3 a 3.5 (materiales de filtración)
    • Embudo Büchner para filtración al vacío (macro)
    • Embudo Hirsch para filtración al vacío (micro)
    • Pipeta Pasteur y tubo de reacción para filtración en microescala
  • Paso a paso visual y equipo (micro y macro)
    • La reproducción de las imágenes 3.2 a 3.5 muestra la configuración de equipo para macro y micro, destacando la continuidad entre las técnicas de filtración, el control de temperatura y la seguridad durante el procedimiento.
  • Punto de fusión mixto (procedimiento recomendado en el laboratorio)
    • Triturar y mezclar dos posibles compuestos en proporción 1:1 y tomar el punto de fusión de la mezcla.
    • Solo una sustancia consistente consigo misma produce un rango de fusión estrecho; si hay impureza, el rango se ensancha.
  • Observaciones y precauciones
    • Filtración por gravedad para evitar que el cristal se pierda durante la filtración caliente y rápida.
    • Filtración al vacío para obtener cristales secos y evitar pérdidas de producto.
    • Cuidado con el carbón activado: añadir poco a poco y calentar nuevamente para evitar la excesiva retención del compuesto deseado.
    • El disolvente debe eliminarse fácilmente de los cristales para facilitar la recuperación.
    • En la práctica micro, el equipo se adapta sin perder resultados de pureza y rendimiento, destacando la versatilidad de la técnica.
  • Datos técnicos y referencias de equipo (resumen de las figuras)
    • Figura 3.2: Procedimiento para la recristalización de acetanilida (Paso a paso: disolución, filtración, filtración en caliente, enfriamiento, filtración por succión).
    • Figura 3.3: Embudo Büchner utilizado en filtración al vacío a escala macro.
    • Figura 3.4: Embudo Hirsch utilizado en filtración al vacío a escala micro.
    • Figura 3.5: Filtración micro con pipeta Pasteur y tubo de reacción.
  • Conceptos clave a recordar
    • Recristalización: purificación basada en diferencias de solubilidad con temperatura.
    • Punto de fusión como indicador de pureza e identidad.
    • Impurezas deben ser solubles en la fase líquida para afectar el punto de fusión.
    • Recristalización puede requerir una mezcla de disolventes si no existe un disolvente único adecuado.
    • Punto de fusión mixto como confirmación de identidad de un sólido desconocido.
    • Recuperación y eficiencia: porcentaje de recuperación como medida de rendimiento del proceso.

Regionalización de conceptos clave (resumen rápido)

  • Recristalización: disolver caliente, cristalizar al enfriar; impurezas quedan en solución.
  • Disolvente ideal: no reacciona, bp < mp, solubilidad alta a alta temperatura y baja a temperatura ambiente, fácil de eliminar, no tóxico ni inflamable, económico, mantiene impurezas en solución.
  • Dos disolventes: soluble en uno y insoluble en el otro a todas las temperaturas; procedimiento de disolución con disolvente soluble, filtración caliente, adición gradual del disolvente insoluble para inducir turbidez y posterior cristalización.
  • Punto de fusión mixto: mezcla 1:1 de dos posibles sustancias; si es la misma sustancia, el mp es más estrecho; de lo contrario, el rango se ensancha.
  • Equipo de filtración: filtración por gravedad (papel doblado), filtración al vacío (Büchner/Hirsch), embudos y procedimientos para conservar cristales puros.
  • Aplicaciones prácticas: purificación de acetanilida con agua como disolvente; validación de identidad mediante mp y mp mixto; evaluación de rendimiento mediante % de recuperación.
  • Consideraciones de seguridad y práctica: manejar la filtración caliente con cuidado, evitar absorción excesiva de carbón activado, mantener los cristales puros mediante enfriamiento lento, y realizar micro y macro con resultados comparables.