Embed Size (px)
Citation preview
BENEMÉRITA UNIVERSIDAD AUTONOMA DE PUEBLA
FACULTAD DE CIENCIA QUÍMICASLaboratorio de Química Orgánica I
Destilación
Carmen Guadalupe Márquez Hernández
DESTILACIÓN
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
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.
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.
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
2.- SOLUCIÓN IDEALUna 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.
Este comportamiento esta descrito por la ley de Raoult, que establece que la presión de vapor del disolvente sobre una solución es igual a la presión de vapor multiplicada por la fracción mol del disolvente en la solución:
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.
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
4.-Deducir una expresión para el equilibrio líquido-
vapor
• 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:
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.
5.-DIAGRAMAS DE TENSIÓN DE VAPOR- TEMPERATURA
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:
• 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
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
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.
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.
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.
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.
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).
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.
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
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.
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
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.
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).
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.
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).
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.
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.
10.- DIAGRAMA TEMPERATURA-COMPOSICIÓN DE SOLUCIONES QUE NO
SIGUEN LA LEY DE RAOULT: AZEÓTROPO.
