BENEMÉRITA UNIVERSIDAD AUTONOMA DE PUEBLA FACULTAD DE CIENCIA QUÍMICAS Laboratorio de Química Orgánica I Destilación Carmen Guadalupe Márquez Hernández.

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1 BENEMÉRITA UNIVERSIDAD AUTONOMA DE PUEBLA FACULTAD DE CIENCIA QUÍMICAS Laboratorio de Química Orgánica I Destilación Carmen Guadalupe Márquez Hernández

2 DESTILACIÓN

3 OBJETIVO Familiarizarse con el método de destilación como proceso físico de separación Conocer el montaje que se realiza para la destilación. Reconocer cada uno de los pasos que se siguen para realizar una buena destilación

4 PARTE TEÓRICA La destilación es una técnica de laboratorio utilizada en la separación de sustancias miscibles. Consiste en hacer hervir una mezcla, normalmente una disolución, y condensar después, por enfriamiento, los vapores que han producido. Si se parte de una mezcla de dos sustancias en la que sólo una de ellas es volátil, se pueden separar ambas mediante una destilación. El componente más volátil se recogerá por condensación del vapor y el compuesto no volátil quedará en el matraz de destilación. Si ambos componentes de una mezcla son volátiles la destilación simple no logrará su completa destilación. La mezcla comenzará a hervir a una temperatura intermedia entre los puntos de ebullición de los dos componentes, produciendo un vapor que es más rico en el componente más volátil (de menor punto de ebullición). Si condensamos este vapor obtendremos un líquido enriquecido notablemente en este componente, mientras que el líquido que queda en el matraz estará enriquecido en el componente menos volátil (mayor punto de ebullición). Por tanto, en una destilación simple no conseguimos separar completamente las dos sustancias volátiles.

5 1.- PRINCIPIOS TEÓRICOS La destilación es una técnica que nos permite separar mezclas, comúnmente líquidas, de sustancias que tienen distintos puntos de ebullición. Cuanto mayor sea la diferencia entre los puntos de ebullición de las sustancias de la mezcla, más eficaz será la separación de sus componentes; es decir, los componentes se obtendrán con un mayor grado de pureza. La técnica consiste en calentar la mezcla hasta que ésta entra en ebullición. En este momento los vapores en equilibrio con el líquido se enriquecen en el componente de la mezcla más volátil (el de menor punto de ebullición). A continuación los vapores se dirigen hacia un condensador que los enfría y los pasa a estado líquido. El líquido destilado tendrá la misma composición que los vapores y; por lo tanto, con esta sencilla operación habremos conseguido enriquecer el líquido destilado en el componente más volátil. Por consiguiente, la mezcla que quede en el matraz de destilación se habrá enriquecido en el componente menos volátil.

6 1.- PRINCIPIOS TEÓRICOS El fundamento teórico de esta técnica de separación se basa en la ley de Dalton y en la ley de Raoult. A partir de estas leyes de puede deducir que si tenemos una mezcla líquida en equilibrio con su vapor, la fracción molar de cada componente de la mezcla en estado gaseoso -para un líquido de comportamiento ideal- está relacionado con las presiones de vapor de los componentes puros y con las fracciones molares de los mismos en estado líquido

7 2.- SOLUCIÓN IDEAL Una solución es una mezcla homogénea de especies químicas dispersas a escala molecular, una solución es una fase simple: El constituyente presente en mayor cantidad se le conoce comunmente como disolvente o solvente, mientras que aquellos constituyentes (uno o más) presentes en cantidades menores se les denomina solutos. Dado que el soluto no es volátil, es vapor de disolvente puro. A medida que se añade más materia no volátil, disminuye la presión en la fase de vapor.

8 2.- SOLUCIÓN IDEAL Esta ley de Raoult es un ejemplo de la ley límite. Las soluciones reales se ajustan más a la ley de Raoult mientras más diluidas se encuentren. Una solución ideal es aquella en la que: El calor de mezclado es cero, DHmez = 0. El volumen de mezclado es cero, DVmez = 0. La presión de vapor (P) del disolvente varía linealmente con la fracción mol del soluto X2. Obedece la Ley de Raoult en todo el intervalo de composición.

9 3.- FUERZAS INTERMOLECULARES EN LOS LÍQUIDOS Y SU PUNTO DE EBULLICIÓN En los líquidos las fuerzas de atracción intermoleculares son lo bastante fuertes como para mantener juntas las moléculas. Así, los líquidos son mucho más densos y mucho menos compresibles que los gases. Los líquidos tienen un volumen definido, independiente del tamaño y la forma de su recipiente. Estas determinan las características estructurales y propiedades de los líquidos

10 4.-Deducir una expresión para el equilibrio líquido- vapor

11 Equilibrio líquido-vapor y sólido-vapor En estos dos casos el V molar del gas es mucho mayor que el del líquido o que el del sólido por lo que puede hacerse la aproximación Si además se hace la suposición de que el gas se comporta como gas ideal, la ecuación de Clapeyron se transforma en:

12 Esta ecuación se suele expresar como llamada ecuación de Clausius Clapeyron Si el rango de temperatura analizado es pequeño, se puede suponer que ΔH es constante a lo largo de la línea de equilibrio, y por tanto: ec. de Clausius-Clapeyron integrada Importante La ecuación de Clasius-Clapeyron sólo es aplicable para obtener la presión de vapor de un sólido o un líquido a una cierta temperatura, conocido otro punto de equilibrio entre las fases. Esto es así porque para llegar a esta expresión desde la ec. de Clapeyron se hace la aproximación de despreciar el volumen molar del sólido o del líquido frente al del gas, que además se supone de comportamiento ideal.

13 5.-DIAGRAMAS DE TENSIÓN DE VAPOR- TEMPERATURA

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15 6.-PRESIÓN DE VAPOR Y LA LEY DE RAOULT François Marie Raoult efectuó una generalización para una solución ideal conocida como la ley de Raoult, la cual postula que para un solvente (sustancia 1), su presión de vapor P1 es igual a su fracción molar en solución multiplicada por la presión parcial P1o del solvente puro, a temperatura constante. Puede formularse una ecuación análoga para el soluto (sustancia 2), que es la ecuación de Raoult:

16 Sí la solución tiene presiones de vapor parciales que sigan esta ecuación, se dice que dicha solución sigue la ley de Raoult y se comporta de manera ideal. Las soluciones reales se ajustan a la ley de Raoult cuanto más diluida es la solución. Es decir todas las soluciones reales se comportan idealmente cuando la concentración de los solutos se aproxima a cero

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18 7.- PUNTO DE EBULLICIÓN suele definirse al punto de ebullición como el instante en el cual se produce el cambio de estado de una materia que pasa de líquido a gaseoso. El concepto, en concreto, refiere a la temperatura que provoca que la presión de vapor de un líquido iguale a la presión de vapor del medio en cuestión

19 7.- PUNTO DE EBULLICIÓN Suele definirse al punto de ebullición como el instante en el cual se produce el cambio de estado de una materia que pasa de líquido a gaseoso. El concepto, en concreto, refiere a la temperatura que provoca que la presión de vapor de un líquido iguale a la presión de vapor del medio en cuestión. En otras palabras, el punto de ebullición hace mención a la temperatura en la cual un líquido hierve. Dicha temperatura está vinculada a las propiedades específicas del líquido, y no a su cantidad. Es importante resaltar que, una vez que el líquido entró en ebullición (y está hirviendo), la temperatura no sufre ninguna variación.

20 7.- PUNTO DE EBULLICIÓN La temperatura de la materia está vinculada a la energía cinética de sus moléculas. Lo habitual es que unas pocas moléculas puedan quebrar la tensión superficial: sin embargo, una vez alcanzada la temperatura del punto de ebullición, se incrementa la entropía y las partículas se desordenan.

21 7.- PUNTO DE EBULLICIÓN 8.- Los fundamentos físico-químicos en los que se basan las técnicas de separación de líquidos por destilación simple, fraccionada, por arrastre de vapor y a presión reducida.

22 DESTILACIÓN SIMPLE 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. La destilación sencilla, se usa para separar aquellos líquidos cuyos puntos de ebullición difieren extraordinariamente (en más de 80°C aproximadamente) o para separar líquidos de sólidos no volátiles. Para éstos casos, las presiones de los componentes del vapor normalmente son suficientemente diferentes de modo que la ley de Raoult puede descartarse debido a la insignificante contribución del componente menos volátil. En este caso, el destilado puede ser suficientemente puro para el propósito buscado. 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. En la industria química se utiliza la destilación para la separación de mezclas simples o complejas. Una forma de clasificar la destilación puede ser la de que ésta sea discontinua o continua.

23 DESTILACIÓN SIMPLE En el siguiente esquema puede observarse un aparato de destilación simple básico : Aparato de destilación simple. Canastilla de calentamiento, proporciona calor a la mezcla a destilar. Ampolla o matraz de fondo redondo, que deberá contener pequeños trozos de material poroso (cerámica, o material similar) para evitar sobresaltos repentinos por sobrecalentamientos. Cabeza de destilación: No es necesario si la retorta tiene una tubuladura lateral. Termómetro: El bulbo del termómetro siempre se ubica a la misma altura que la salida a la entrada del refrigerador. Para saber si la temperatura es la real, el bulbo deberá tener al menos una gota de líquido. Puede ser necesario un tapón de goma para sostener al termómetro y evitar que se escapen los gases (muy importante cuando se trabaja con líquidos inflamables).

24 DESTILACIÓN SIMPLE Tubo refrigerante. Aparato de vidrio, que se usa para condensar los vapores que se desprenden del balón de destilación, por medio de un líquido refrigerante que circula por éste. Entrada de agua: El líquido siempre debe entrar por la parte inferior, para que el tubo permanezca lleno con agua. Salida de agua: Casi siempre puede conectarse la salida de uno a la entrada de otro, porque no se calienta mucho el líquido. Se recoge en un balón, vaso de precipitados, u otro recipiente. Fuente de vacío: No es necesario para una destilación a presión atmosférica. Adaptador de vacío: No es necesario para una destilación a presión atmosférica.

25 DESTILACIÓN SIMPLE Control de calor. Control de la velocidad del agitador. Agitador/placa de calor. Baño de calentamiento (aceite/arena). Barra del agitador/gránulos anti-choque. Baño de enfriamiento

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27 DESTILACIÓN SIMPLE 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, recogiendo durante la primera destilación fracciones enriquecidas de uno de los componentes, las cuales se vuelven a destilar. Para que la ebullición sea homogénea y no se produzcan proyecciones se introduce en el matraz un trozo de plato poroso (o agitación magnética). El líquido que se quiere destilar se pone en el matraz (que no debe llenarse mucho más de la mitad de su capacidad) y se calienta con la placa calefactora. Cuando se alcanza la temperatura de ebullición del líquido, comienza la producción apreciable de vapor, condensándose parte del mismo en el termómetro y en las paredes del matraz. La mayor parte del vapor pasa al refrigerante donde se condensa debido a la corriente de agua fría que asciende por la camisa de este. El destilado (vapor condensado) escurre al matraz colector a través de la alargadera.

28 DESTILACIÓN SIMPLE 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

29 DESTILACIÓN FRACCIONADA La destilación fraccionada es una variante de la destilación simple que se emplea principalmente cuando es necesario separar líquidos con punto de ebullición cercanos. 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". Esto 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 con mayor punto de ebullición pasan al estado líquido. La temperatura aumenta hasta que se mantiene el mismo grado por un tiempo, luego sigue aumentando hasta un grado diferente, el cual se mantiene también por un tiempo. Esto significa que primero se evapora toda una sustancia dentro de la mezcla. Más tarde, cuando se termina de evaporar, la temperatura aumenta hasta llegar al punto de ebullición de la segunda sustancia, donde frena y empieza a evaporarse esta sustancia. Por ejemplo: el agua y la acetona. La temperatura aumenta hasta los 60 ºC después de un rato, la temperatura vuelve a subir.

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31 DESTILACIÓN POR ARRASTRE DE VAPOR Es llamada también: destilación por arrastre de vapor, extracción por arrastre, hidrodifusión o hidroextracción, steam distillation o hydrodistillation. Sin embargo, no existe un nombre claro y conciso para definirla, debido a que se desconoce exactamente lo que sucede en el interior del equipo principal y porque se usan diferentes condiciones del vapor de agua para la obtención. Es así que, cuando se usa vapor saturado o sobrecalentado, fuera del equipo principal, es llamado “destilación por arrastre de vapor” (Günther, 1948). Cuando se usa vapor saturado, pero la materia prima está en contacto íntimo con el agua que genera el vapor, se le llama “hidrodestilación” (Günther, 1948). Cuando se usa vapor saturado, pero la materia no está en contacto con el agua generadora, sino con un reflujo del condensado formado en el interior del destilador y se asumía que el agua era un agente extractor, se le denominó “hidroextracción” (Palomino y Cerpa, 1999).

32 DESTILACIÓN POR ARRASTRE DE VAPOR En ella se lleva a cabo la vaporización selectiva del componente volátil de una mezcla formada por éste y otros "no volátiles". Lo anterior se logra por medio de la inyección de vapor de agua directamente en el interior de la mezcla, denominándose este "vapor de arrastre", pero en realidad su función no es la de "arrastrar" el componente volátil, sino condensarse en el matraz formando otra fase inmiscible que cederá su calor latente a la mezcla a destilar para lograr su evaporación. En este caso se tendrán la presencia de dos fases insolubles a lo largo de la destilación (orgánica y acuosa), por lo tanto, cada líquido se comportará como si el otro no estuviera presente. Es decir, cada uno de ellos ejercerá su propia presión de vapor y corresponderá a la de un líquido puro a una temperatura de referencia. La condición más importante para que este tipo de destilación pueda ser aplicado es que tanto el componente volátil como la impureza sean insolubles en agua ya que el producto destilado volátil formará dos capas al condensarse, lo cual permitirá la separación del producto y del agua fácilmente.

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34 DESTILACIÓN POR PRESIÓN REDUCIDA La destilación por presión reducida consiste en disminuir la presión a la que está sometido el líquido a destilar ( la presión normal es de 760 miligramos de Mercurio, la presión a la que se somete es de 40 miligramos de mercurio aproximadamente), de esta manera, su punto de ebullición también disminuye, y al destilar el material no se pierde por evaporación. Luego de la destilación por presión reducida se extraen materiales como el gas oil pesado, los aceites lubricantes (tanto livianos, medianos como pesados), el asfalto (brea), la vaselina, la parafina, entre otros. Muchas sustancias no pueden purificarse por detilación a presión ordinaria porque se descomponen por debajo de sus puntos de ebullicion normales. Otras sustancias tiene puntos de ebullición tales que su destilación no resulta conveniente e incluso resulta dificil. con frecuencia tales líquidos pueden destilarse si la destilación es realizada a presión reducida (o destilacion al vacío).

35 DESTILACIÓN POR PRESIÓN REDUCIDA Un líquido comienza a hervir a la temperatura en la que su presión de vapor se hace igual a la presión exterior. Utilizando aparatos especiales para la destilación de líquidos a presión reducida, desde algo por debajo de la presión atmotférica y hasta presiones muy bajas, los químicos han podido destilar la mayoria de los líquidos orgánicos.

36 DESTILACIÓN POR PRESIÓN REDUCIDA Un equipo sencillo para la destilación al vacio consta de un Balón que se conecta una columna de Vigreaux equipada con un termómetro, y ésta conectada a un refrigerante recto sencillo; hay un termómetro y un manómetro con una unión T de vidrio la cual va a una trampa de agua la que evita una posible contaminacíón del destilado o el ataque a la bomba de vacío conectada a una llave que se bare lentamente para normalizar la presión al terminar la destilación; existe un calefactor cuya temperatura se mantendrá a 20°C por encima de la temperatura de ebullición del líquido que será destilado.

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38 10.- DIAGRAMA TEMPERATURA- COMPOSICIÓN DE SOLUCIONES QUE NO SIGUEN LA LEY DE RAOULT: AZEÓTROPO.

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