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Purificación de sólidos

Contenido del artículo
La solubilidad es variable
Influencia de la temperatura
Preparando la solución
Separación de sustancias por cristalización
Descripción de un proceso real
Disolución
Separando las impurezas insolubles
Decantación
Filtrado
Cristalización
Extracción de los cristales
Secado de los cristales



Los compuestos químicos que son sólidos a temperatura ambiente generalmente se purifican por cristalización. La esencia del proceso consiste en disolver el material a purificar en un disolvente caliente y luego enfriar la disolución lentamente. La solubilidad del material disuelto va disminuyendo a medida que baja la temperatura y se va separando de la solución con el paso del tiempo. Los químicos llaman al proceso cristalización si ocurre lentamente, y le llaman precipitación cuando es rápido. Cuando la cristalización se produce desde una solución en equilibrio se obtiene un material muy puro.

Inicialmente se forman cristales muy pequeños conocidos como "semilla" los que van creciendo lentamente por capas de forma reversible "capturando" las moléculas adecuadas de la solución, pero si la red cristalina se forma muy rápido, también se "atrapan" moléculas de las impurezas en la red de forma que debe tratarse siempre de cristalizar de forma muy lenta para lograr purificar la sustancia que se quiere. Para lograr la purificación por cristalización es muy importante conocer algo de la teoría de la solubilidad.

La solubilidad es variable

Decir que un soluto tiene determinada solubilidad no es toda la historia, por ejemplo, si usted dice: "el azúcar de mesa (sacarosa) tiene una solubilidad de 190.5 g en 100 g de agua" ha brindado una información aun inútil, solo ha dado el "nombre" de la cuestión, a ese nombre le falta el "apellido". Si, así mismo, está incompleta la magnitud de la solubilidad en agua si no se dice la temperatura a la que se ha medido esa solubilidad, de manera que lo correcto es decir "el azúcar de mesa (sacarosa) tiene una solubilidad de 190.5 g en 100 g de agua a 10°C" y con ello estamos definiendo con exactitud la máxima cantidad de sacarosa que se disuelve en 100 g de agua en una situación particular de temperatura. De no hacerlo estamos cometiendo un error de gran magnitud ya que, por ejemplo, 100 g de agua a 90°C pueden disolver 420.0 g de sacarosa ¡mas del doble! 

Influencia de la temperatura

Bueno, de lo descrito arriba se puede concluir que la solubilidad aumenta al aumentar la temperatura del solvente, y esto es cierto para la mayoría de los sólidos, decimos "mayoría" porque hay excepciones como puede verse en la figura 1 abajo donde se muestra la solubilidad de algunas sustancias en agua de acuerdo a la temperatura.

 Solubilidad en agua de algunas sustancias
Figura 1. Solubilidad en agua de algunas sustancias

El aumento de la solubilidad no es igual para todas las sustancias; observe que el aumento de esta con la temperatura es muy poca para cloruro de sodio (NaCl), al contrario, el aceato de sodio (CH3CO2Na) sufre un incremento muy pronunciado, y con comportamiento excepcional está el sulfato de cerio Ce2(SO4)3 cuya solubilidad desciende con el aumento de la temperatura. Note que en el gráfico la solubilidad se expresa como la relación entre unidades de masa (g de soluto/100 g de solvente). Pero también en la práctica es común que se use en forma de unidades de masa/unidades de volumen, por ejemplo, g de soluto/100 ml de solvente.

La única forma segura de determinar el comportamiento de la solubilidad de una sustancia cualquiera cuando cambia la temperatura es en forma experimental y como regla general:

La solubilidad de sólidos en líquidos aumenta con el aumento de la temperatura

Preparando la solución

La primera cuestión a tener en cuenta para hacer una buena cristalización es la utilización de un disolvente adecuado, idealmente un buen disolvente (o mezclas de disolventes) es aquel en el que la sustancia a purificar es poco soluble a bajas temperaturas pero muy soluble si la temperatura sube cerca del punto de ebullición. Si la solubilidad es poco variable en relación a la temperatura del disolvente poco se podrá logra al calentar para disolver y enfriar para cristalizar y esto es fácil de entender. Contrariamente si la solubilidad es muy alta en el disolvente caliente la cantidad de soluto que puede utilizarse en estas condiciones es muy grande y durante el enfriamiento se producirá una abundante cristalización.

La solubilidad de sólidos en disolventes depende de la polaridad de ambos. Una regla general dice que "iguales disuelven iguales" de forma que si el soluto es muy polar se necesitará un disolvente muy polar para lograr una buena solubilidad; pero si el soluto es apolar se necesita un disolvente apolar.

Separación de sustancias por cristalización.


Como se mencionó arriba la posibilidad de la cristalización apropiada de una sustancia depende de su solubilidad en relación a la temperatura en cierto disolvente. Cuando la solubilidad de una sustancia considerada como impureza es casi igual entre la solución fría y caliente no se podrá llevar a cabo una purificación efectiva usando la cristalización. Un material podrá ser purificado efectivamente si ambas, sustancia deseada e impurezas tienen una solubilidad creciente y similar al aumentar la temperatura, y las impurezas solo representen una fracción del total de la mezcla. En este caso el material deseado cristalizará al enfriar pero las impurezas no. Veamos un ejemplo:

Supongamos que tenemos 11 g de una mezcla de las sustancias A y B en la proporción 9 g de A y 2 g de B, y que ambas se disuelven a razón de 1 g/100mL de disolvente a 10°C y 10 g/100mL a 100°C; y además que las solubilidad de cada una no se afecta por la presencia de la otra.

A temperatura normal (20°C) no se disolverá toda la mezcla cuando se usan 100 mL de disolvente (siempre es recomendable utilizar la cantidad menor suficiente de disolvente), pero si calentamos la solución parcial a 100°C se disolverán totalmente los 11 gramos ya que esa cantidad de disolvente es capaz de disolver 10 g de A y 10 de B a esa temperatura.

Ahora, si enfriamos la solución a 20°C solo 1 g de cada soluto se mantendrán disueltos y habrán cristalizado 8 gramos de A (eran 9) y 1 de B (eran 2) quedando un remanente de 1 g de A y 1 de B en la solución "madre". Si separamos los cristales formados de la solución madre y repetimos el proceso de cristalización tal y como se hizo anteriormente, los 9 gramos resultantes de la nueva mezcla se disolverán a 100°C, y al volver a enfriar se repite el hecho de que quedan a 20°C, 1 g de cada una disueltas en la nueva solución madre. Y esto significa que tendremos 7 g puros cristalizados de la sustancia A mientras toda la sustancia B se ha quedado disuelta. Finalmente se tiene que de los 11 gramos originales se pierden 4, dos de A y dos de B pero hemos logrado el propósito perseguido al conseguir 7 gramos de la sustancia A en estado puro.

Se puede concluir que la purificación de sustancias por cristalización siempre conlleva pérdidas de la sustancia deseada que se "van" con la impureza, por supuesto si la solubilidad de la sustancia indeseada es mas alta que la de la deseada, habrá menos pérdidas de la deseada durante el proceso. Lo mismo sucede si la cantidad de impurezas es muy baja. Note que si ambas sustancias tienen un comportamiento de solubilidad parecido y están en proporción 50:50 no podrán ser separadas por cristalización. En el ejemplo descrito, al segundo proceso de cristalización con frecuencia se le llama recristalización.

Descripción de un proceso real

Un proceso de purificación en la práctica puede involucrar las etapas siguientes:

1.- Disolver el sólido.

2.- Cristalizar.

3.- Separar los cristales.

4.- Secar de los cristales.

Disolución

Para minimizar las pérdidas de la sustancia deseada lo mejor es mantener siempre el disolvente caliente saturado con el soluto, de esta forma cuando la disolución se enfríe rendirá la cantidad máxima de sustancia. Para lograr este propósito, al soluto se va agregando poco a poco cantidades pequeñas de disolvente caliente, mientras la solución se mantiene en ebullición y agitación, hasta lograr que todo el sólido se disuelva con la menor cantidad posible de disolvente hirviente.

Es conveniente y muy práctico mantener a ambos, el recipiente con la solución en proceso y el frasco con el disolvente, sobre la plancha calentadora (figura 2) para mantener una leve ebullición en los dos (nunca ponga el frasco con el sólido seco en la plancha, debe agregar primero una cantidad pequeña de disolvente).

Un frasco adecuado para preparar la disolución es el Erlenmeyer como puede verse en la figura 2 debido a que su forma cónica presenta tres ventajas principales:

1.- La forma cónica del cuello tiende a producir un anillo de reflujo que reduce las pérdidas de disolvente por evaporación.

2.- El reflujo del disolvente condensado fluyendo en las paredes las mantiene limpias de costras de material sólido seco que tienden a producirse en los recipientes cilíndricos al evaporarse el disolvente de las salpicaduras que caen sobre las paredes.

3.- Se puede remover la mezcla de vez en vez con mas seguridad sin derrames dando movimientos circulares a mano al recipiente.

Tenga presente que en la mezcla pueden existir partículas insolubles producto de su contaminación en procesos anteriores (partículas de polvo, fibras de papel o telas etc.) lo que puede conllevar al uso de excesivo disolvente tratando de lograr su disolución, si sospecha de esta situación, deje de agregar disolvente y proceda a separar las impurezas insolubles como se describe a continuación.  

Separando las impurezas insolubles.

Para separar las impurezas insolubles se pueden utilizar dos métodos básicos:

1.- Decantación.

2.- Filtración.

Decantación

Cuando las partículas sólidas son relativamente grandes y se asientan fácilmente en el fondo del recipiente, se puede separar la solución caliente de las impurezas trasegando con cuidado el líquido a otro recipiente y dejando el sólido en el fondo. Es común el uso de una varilla agitadora de vidrio colocada en la boca del recipiente como se muestra en la figura 3. El líquido "corre"adherido a la varilla y se conduce de un recipiente al otro sin pérdidas.

Cuando la cantidad de líquido es pequeña se puede usar una pipeta Pasteur precalentada para hacer el trasiego. La pipeta debe precalentarse para evitar que el sólido cristalice en las paredes frías de la pipeta y obstruya el pequeño orificio de salida/entrada de la pipeta. Para precalentar la pipeta se llena y vacía esta desde el recipiente de disolvente hirviente varias veces.

Filtrado

Este método es efectivo cuando la cantidad de líquido es algo grande, por ejemplo, mas de 10 mL o cuando se ha usado con anterioridad técnicas de decoloración con carbón activado. Antes de filtrar se debe agregar una pequeña cantidad de disolvente extra a la solución caliente para evitar que el sólido cristalice en el papel de filtrado frío o sobre las paredes del embudo.

Para filtrar siga los pasos siguientes:

1.- Ponga la boca de salida del embudo con el papel de filtro dentro de un Erlenmeyer colocado sobre la plancha calentadora ajustada a un valor bajo de calor.

2.- Lleve la solución a filtrar hasta la ebullición.

3.- Eche la solución caliente en el embudo de filtrar por partes con el objetivo de mantener los líquidos en los dos recipientes en ebullición. Ajuste el calentamiento de la plancha calefactora de ser necesario.

4.- El reflujo de vapores en el recipiente de filtrado terminará calentando el embudo lo suficiente como para evitar la cristalización prematura y con ello la obstrucción del papel de filtro. Tenga presente que cuando se usa un disolvente volátil (bajo punto de ebullición) siempre se producirán pérdidas por evaporación de disolvente durante el filtrado las que deben corregirse consecuentemente.

5.- Terminada la filtración se debe agregar algo más de disolvente hirviente al embudo a fin de re-disolver los posibles cristales que se formaron en el papel.

Una vez que se obtiene la solución filtrada y limpia de impurezas, muy probablemente tenga disolvente en exceso, por lo que debe concentrase a saturación por evaporación. Para ello se evapora disolvente sobre la plancha hasta que aparezcan algunos cristales aun con la solución hirviente. El resto es proceder como se explicó arriba a la hora de hacer la disolución saturada, re-disolviendo los cristales formados con el mínimo disolvente caliente adicional necesario.

figura 2
Figura 2. Haciendo la disolución.
Decantación
Figura 3. Decantación.

Cristalización


La cristalización debe hacerse en un Erlenmeyer, si se usa un beaker la amplitud de su boca es un excelente capturador de polvo ambiente mientras que la estrechez de la boca del Erlenmeyer reduce las posibilidades de contaminación y permite colocarle una tapa si se dejará abandonado a la cristalización por largo tiempo. Note que el disolvente no puede perderse por evaporación para tener éxito en el proceso, de modo que aunque el tiempo de cristalización sea corto es recomendable tapar la boca del Erlenmeyer con un vidrio reloj o un beaker boca abajo para evitar la evaporación del disolvente mientras se alcanza la temperatura ambiente.

La mejor purificación se logra cuando la solución se enfría lentamente. Si su cantidad es poca (10 mL o menos) probablemente se enfriará a una velocidad mayor que la óptima. En este caso es muy conveniente colocar el Erlenmeyer sobre una superficie mala conductora del calor, por ejemplo, varias capas de papel o una pieza de aislante térmico y cubrirlo con un beaker grande para retener una capa de aire aislante entre el Erlenmeyer y el beaker. Colocar el Erlenmeyer sobre una placa de cerámica tibia puede reducir aun más la velocidad de enfriamiento. En algunos casos puede resultar conveniente enfriar la solución en un baño de agua de hielo para aumentar el rendimiento de cristales.

Puede darse el caso de que la cristalización no se produzca aunque la solución se haya enfriado a la temperatura ambiente por lo que será necesario inducir la cristalización. Para inducir la cristalización existen varios métodos tres de los cuales son los siguientes:

1.- Raspando con una varilla de vidrio (no pulida al fuego) la pared interior del recipiente con movimientos vigorosos verticales que entren y salgan del líquido o golpeando con mesura la pared exterior del recipiente con un mango de madera cerca del nivel de la superficie del líquido. El fenómeno no se entiende bien, pero se asume que puede deberse a dos cosas: a las vibraciones producidas, o al hecho de que el líquido salpica las paredes, allí se seca el disolvente, y con las salpicaduras posteriores es arrastrado el sólido producido al interior de la solución sirviendo sus partículas como centros de cristalización.

2.- Enfriando la solución con un baño de agua de hielo para activar más aun la cristalización.

3.- Tomando una pequeña cantidad de la sustancia pura que debe cristalizar desde una fuente externa y echándola en la solución lo que se denomina "sembrar la semilla" los cristales echados activan la cristalización generalizada.

Extracción de los cristales

Para separar los cristales de la solución fría, esta se filtra en un embudo Büchner o Hirsch y los cristales retenidos en el filtro se lavan (aun en él) con una pequeña cantidad de disolvente frío para eliminar la solución madre que se haya retenido en los cristales. Si se usa el disolvente tibio o caliente se disolverán una parte mayor de los cristales. Después de "lavados" los cristales se dejan en el embudo un tiempo (unos 5 a 10 minutos) para que drene bien y el aire seque la mayoría del disolvente, es recomendable cubrir el embudo con un papel o un trozo de toalla para evitar la entrada del polvo ambiente mientras se seca al aire.

Finalmente el sólido casi seco retenido en el filtro se raspa con una espátula cuidadosamente hacia un vidrio reloj teniendo la precaución de no arrastrar fibras del papel junto a él. Posteriormente se somete al secado final.

Desecador
Figura 4. Desecador.

Secado de los cristales

La forma mas común de secar los cristales es dejándolos secar al aire por el tiempo necesario, normalmente se hace sobre un vidrio reloj o una hoja de papel tapados con un beaker invertido para evitar la contaminación con el polvo presente en el aire. Aunque este método es muy simple puede ser inconveniente para los cristales higroscópicos (que absorben vapor de agua del aire).

Lo mismo se puede hacer, pero utilizando un horno para colocar el vidrio reloj o el papel conteniendo los cristales, es un método también simple, pero se corre el riesgo de que se "desaparezcan" cristales por sublimación o que se se descompongan por el calor en algunos casos. Debe tenerse mucho cuidado con esas dos cuestiones y siempre estar seguro, además, que la temperatura del horno no supere el punto de fusión de los cristales.

Una tercera forma de secar cristales es al vacío donde se eliminan los inconvenientes del contacto con el polvo del aire y los peligros del horno, en un dispositivo especial a ese fin conocido como "desecador", del que se muestra un esquema en la figura 4; o simplemente colocando los cristales en un recipiente cerrado al que se aplica un vacío moderado.



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