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CCH Cristalización
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DOCUMENTOS LABORATORIO DE QUÍMICA

PRÁCTICAS UNO Y DOS : CRISTALIZACIÓN Y CRECIMIENTO DE CRISTALES

FECHA: Agosto-Septiembre 2003

 

GENERALIDADES SOBRE LA TÉCNICA DE CRISTALIZACIÓN:

Los compuestos (tanto orgánicos como inorgánicos) que son sólidos a temperatura ambiente generalmente se purifican por cristalización.

La técnica general implica disolver el material a cristalizar en un disolvente "caliente" (o mezcla de disolventes) y el enfriamiento lento de la disolución.

El material disuelto tiene una solubilidad menor a menores temperaturas y por lo tanto va a separarse del disolvente a medida que se enfría. A este fenómeno se le llama "cristalización" si el crecimiento del cristal es relativamente lento y selectivo o "precipitación" si el proceso es rápido y no selectivo.

Pregunta # 1:

¿A qué se referirá el párrafo anterior cuando se dice que el crecimiento de un cristal puede ser lento y selectivo? ¿Cuáles serán las principales diferencias estructurales que suceden en la sustancia cuando las variables tiempo y selectividad entran en juego?

La cristalización es un proceso de equilibrio y produce un material muy puro. Una pequeña semilla de cristal se forma al inicio del proceso y luego empieza crecer capa por capa de manera reversible. Por motivos de selectividad y de forma espontánea, al cristal sólo se incorporan las partículas de la sustancia de forma lenta y por lo tanto muy ordenada que no rompe con la estructura o red cristalina en ninguna parte del proceso. En cambio, en la precipitación, la red cristalina se forma tan rápidamente que atrapa impurezas. Como conclusión se tiene que evitar cualquier intento de purificación que sea demasiado rápido.

El método de cristalización que llevaron a cabo la clase anterior se conoce como "Cristalización a escala estándar". Esta técnica se lleva a cabo en un vaso de precipitados o preferentemente en un matraz Erlenmeyer para disolver el material y un embudo de cola larga o embudo Büchner para filtrar los cristales obtenidos. Otro método, conocido como método de Craig se utiliza cuando se tienen cantidades muy pequeñas de muestra (menores a 0.1g), y se trata de una técnica de microescala que probablemente utilicemos cuando trabajemos con sustancias orgánicas en Química IV.

Los principales pasos que participan en el logro de un buen proceso de purificación por cristalización son:

-Solubilidad del soluto en el disolvente

-Decoloración (si es necesaria)

-Inducción del crecimiento del cristal (cuando es necesaria)

-Filtración y secado de los cristales

El primer problema que enfrenta un químico al llevar a cabo una cristalización es el de elegir un disolvente en el cual el material a ser cristalizado muestre un comportamiento de solubilidad apropiado.

En la situación ideal, el material debería ser parcialmente soluble a temperatura ambiente y bastante más soluble al acercarnos al punto de ebullición del disolvente elegido. La gráfica de Temperatura (eje x) contra gramos de soluto disueltos (eje y) debe tener una pendiente pronunciada, como se ve en la figura:

 

 

 

 

 

 

 

 

Una curva de pendiente muy pequeña (línea B) indica que al enfriar la mezcla, casi no hubo cristalización. Un disolvente den donde el soluto es muy soluble en un rango muy amplio de temperaturas tampoco sería muy apropiado (Línea C). Entonces, el problema básico es el llevar a cabo una cristalización es el de seleccionar un disolvente o una mezcla de disolventes que provean el comportamiento deseado (Línea A).

En la técnica realizada por los alumnos de Opción B en el laboratorio, la curva de solubilidad ya se había realizado, y la cantidad de soluto y disolvente (agua) ya les fue dada desde su protocolo. Se escogió agua dado que la solubilidad de compuestos inorgánicos (y muchos orgánicos también) está dada en función de las polaridades de ambas sustancias. Una regla general que conocen es que lo "semejante disuelve a lo semejante". Si el soluto es muy polar, se requiere de un disolvente muy polar para disolverlo, si por el contrario es no polar, utilizaremos un disolvente no polar, etc.

Pregunta 2:

¿De qué naturaleza es el compuesto que utilizaste para cristalizar en esta práctica? ¿Por qué crees que el agua fue un buen disolvente para cristalizarlo?

Cuando hayas llevado los fundamentos mínimos de Química Orgánica en Química IV, se retomará este tema al conocer más sobre la polaridad de los distintos grupos funcionales que existen y la de los disolventes más utilizados en Química.

II.- TEORÍA DE LA CRISTALIZACIÓN:

Una cristalización exitosa depende de la gran diferencia de solubilidad entre el material y el disolvente a temperatura ambiente, con respecto al disolvente cuando está frío. Cuando las impurezas de una sustancia son igualmente solubles en el disolvente caliente como en el disolvente frío, no se va a lograr una purificación efectiva. Un material va a purificarse por este método cuando tanto la sustancia que se desea purificar como la impureza tienen solubilidades semejantes, pero la impureza representa solamente una pequeña fracción de la muestra total. La sustancia deseada cristalizará al enfriarse en un buen porcentaje, mientras que sólo una pequeña cantidad de impurezas van a cristalizar junto con con el material a purificar. Es por esto que si se desea tener un material muy puro (99.99%) hay que realizar numerosas cristalizaciones hasta que se eliminan prácticamente todas las impurezas.

Esto implica perder gran cantidad de muestra a medida que se va cristalizando, es por esto que cuanto más puro es un reactivo químico (grado analítico) más caro es. Dado que en el laboratorio no partiste de muestras muy impuras, en este caso no consideramos tener que recristalizar varias veces, sino solamente una.

EL MÉTODO DE CRISTALIZACIÓN A ESCALA ESTÁNDAR:

El método de cristalización descrito en la práctica que realizaste se utiliza cuando se quiere purificar una cantidad mayor a 0.1 g de muestra. Los cuatro pasos de este tipo de cristalización son:

1.-Disolver el sólido

2.-Filtrar las impurezas insolubles (si las hay)

3.-Cristalizar

4.-Aislar los cristales

Los cuatro pasos se ilustran en la figura de la página siguiente y se describen con detalle a continuación.

1.- Disolución de la muestra sólida:

Para minimizar las pérdidas de material a partir de las "aguas madres" (residuo líquido que queda después de filtrar los cristales formados), es deseable saturar el disolvente hirviendo con soluto. Esta disolución cuando se enfría, dará como resultado la máxima cantidad de soluto en forma de cristales. Para alcanzar este alto rendimiento, el disolvente debe llevarse a su punto de ebullición y el soluto se disuelve en la MINIMA CANTIDAD del disolvente hirviendo. Para esto se recomienda tener una parrilla o Baño María con disolvente preparado durante todo el proceso. Cuando el sólido se tiene en el recipiente adecuado, se van agregando pequeñas porciones (1-2mL) de disolvente hirviendo hasta que todo el soluto se haya disuelto. Es muy importante enfatizar que este procedimiento requiere la adición del disolvente al sólido, NUNCA AL REVËS.

Pregunta # 3

¿Por qué no se recomendará agregar una cantidad grande de disolvente a la muestra para acabar de una sola vez? ¿Qué se persigue al agregar pequeñas porciones de disolvente hirviendo a la muestra?

En la técnica descrita en tu protocolo, las cantidades de sólido y disolvente ya estaban preestablecidas, ya que los autores del artículo ya habían calculado los gramos y mililitros de cada uno para alcanzar la saturación y la sobresaturación respectivamente. Debe quedar claro que si tuvieras que definir estos datos, deberías entonces seguir la recomendación de la técnica.

En este punto puede ser nesario filtrar impurezas insolubles, o , en el caso de tener alguna impureza colorida que le imprime un color indeseable a la muestra, usar un agente decolorante como el carbón activado, lo cual puede que realices en alguna de las prácticas subsecuentes.

2.-Eliminación de las impurezas insolubles

Este paso sólo es necesario si existe presencia de material insoluble en la disolución caliente ó si se ha utilizado carbón activado para decolorar.

OJO: el uso indiscriminado de este paso lleva a la pérdida innecesaria de muestra.

La decantación es el método más fácil para quitra impurezas sólidas y debe ser considerada en primer lugr, pero si las partículas contaminantes no sedimentan, entonces se utiliza la filtración con embudo y papel. En las figuras siguientes se esquematizan cada uno de lso tres métodos que existen para eliminar impurezas:

Decantación

Filtración con embudo

Por pipeta filtrante (una pipeta con filtro incluido, sólo a nivel microescala).

3.-Cristalización

Para cristalizar correctamente debe utilizarse un matraz Erlenmeyer, no un vaso de precipitados. La boca ancha del vaso es una excelente forma de captar impurezas del ambiente. Por el contrario, la boca estrecha del matraz Erlenmeyer reduce la contaminación por polvo y permite el uso de tapones, por lo que el medio de cristalización se mantiene limpio por mucho tiempo y sin evaporación significativa del disolvente, lo cual favorece las cristalizaciones de forma más lenta.

Pregunta 4

¿Qué pasaría con la cristalización de una sustancia si el disolvente empleado se evapora muy rápido antes de separar los cristales formados?

La posibilidad de obtener cristales puros aumenta cuando la disolución se enfría lentamente hasta la temperatura ambiente. Una vez que ha iniciado la cristalización es recomendable enfriar el matraz en un baño de hielo con agua. Debido a que el soluto es menos soluble en el disolvente a bajas temperatauras, ésto aumentará el rendimiento de la cristalización. Si la disolución enfriada no cristaliza, será necesario entonces inducir la cristalización por medio de:

raspado de las paredes con un agitador de vidrio

sembrado con semilla de la sustancia

evaporación de exceso de disolvente (reducción de volumen).

4.-Separación de los cristales

Después de que se han formado los cristales en el matraz, éstos se filtran por medio de vacío en un embudo Büchner o Hirsh. Los cristales deben lavarse con una pequeña cantidad de disolvente (bien frío) para retirar cualquier fracción de agua madre adherida al mismo. Los cristales deben permanecer entre 5 y 10 minutos al vacío, ya que el aire, a media que pasa a gran velocidad por el embudo, enfría y seca los cristales, dejándolos libres de disolvente de manera muy efectiva y rápida.

Pregunta # 5

De acuerdo a la información de este documento, ¿cuáles son las principales diferencias que encuentras con respecto a la técnica que seguiste en el protocolo?

¿Qué consecuencias negativas puede haber tenido el no haber trabajado como se especifica en la información recomendada en esta información?

Bibliografía:

Pavía et.al. Organic Laboratory Techniques. Saunders College Publishing

EEUU, 1998. pp 648-663.

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