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DESTILACIÓN

OBJETIVOS

1. Separar una mezcla de compuestos orgánicos utilizando las técnicas de destilación sencilla y fraccionada.

2. Determinar la pureza de un destilado mediante la comparación de propiedades físicas como índice de refracción y densidad.

3. Distinguir los distintos tipos de destilación comparándolos en términos de eficiencia y aplicación.

4. Diferenciar la destilación de una mezcla de dos líquidos miscibles que se comportan idealmente con respecto a la misma de dos líquidos que forman aceótropos.

REACTIVOS

1. Hexano (CH3CH2CH2CH2CH2CH2CH3) 2. Tolueno (C6H5-CH3) 3. Carborundum.

PRECAUCIONES

Caliente suave y moderadamente el matraz de destilación. Nunca se debe destilar a sequedad. Para evitar una ebullición violenta no olvide adicionar al matraz de destilación piedritas inertes (carborundum) o esferas de cristal (boliling chips). Evite cualquier quemadura con la plancha de calentamiento (hot plate). En el presente laboratorio se pueden utilizar dos diferentes equipos a escala micro (Williamson y Mayo) para llevar a cabo tanto la destilación sencilla como fraccionada. Consulte con su profesor cual equipo se utilizara y de acuerdo a la selección utilice la hoja de informe de laboratorio según corresponda.

Ley de Raoult PA = P°A x XA

Ley de Dalton Ptotal = PA + PB +....Pn

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INTRODUCCIÓN La destilación es una técnica común utilizada para remover un solvente,

purificar un líquido o separar los componentes de una mezcla líquida. En la destilación el líquido es llevado a la fase de vapor (destilado) para después ser condensado y recogido en un frasco. La separación se logra por el hecho de que toda la fase de vapor es más rica en el componente más volátil presente en el sistema en equilibrio a cualquier temperatura. Características de la Destilación.

La destilación se basa en las diferencias en el punto de ebullición entre las

sustancias, estando definido el punto de ebullición como la temperatura a la cual la presión de vapor de un líquido es igual a la presión atmosférica, por lo que se establece un equilibrio entre la fase líquida y el vapor de la sustancia. La temperatura de ebullición de un líquido es única pero la presencia de impurezas puede alterarla. Cuando el soluto es uno poco volátil se eleva el punto de ebullición del líquido debido a que la presión de vapor de la solución no alcanza el valor preciso para la ebullición del sistema sino hasta la temperatura Tf (Figura 1) que es mayor que el punto de ebullición para el líquido puro Td. Por otra parte si el soluto es más volátil el punto de ebullición del líquido es menor debido a que en todo momento la presión del vapor en el sistema es mayor que la del líquido puro por lo cual hierve a una temperatura Tb. Por esta variabilidad el punto de ebullición no es un criterio de identificación orgánico.

El punto de ebullición se reporta teniendo como base una presión particular

debido a que este varía significativamente con cambios en presión. Por ejemplo, la acetona tiene un punto de ebullición de 56°C a 1 atmósfera de presión (760 mmHg), pero a 500mmHg el valor de su punto de ebullición es únicamente 45 °C. Destilación de un líquido volátil.

Cuando se remueve un solvente calentando una solución que contiene componente no volátiles o simplemente un líquido puro se destila la temperatura que se observa es equivalente al punto de ebullición. En una destilación cuando se alcanza el equilibrio termal el punto de ebullición permanece relativamente constante, un cambio de esta temperatura es indicio de que la destilación se ha completado (Figura 2.)

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a

b

c

d

e

f

Tb Td Tf °C

Volumen de destilado

punto de ebullición

°C

Figura 1. Diagrama de Presión de Vapor vs Temperatura para un líquido puro (cd), una solución donde el soluto es menos volátil que el disolvente (ef) y una solución en la que el soluto es más volátil que el disolvente(ab)

Figura 2. Diagrama de Destilación de un líquido puro.

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Destilación de mezclas. 1) Soluciones ideales. Líquidos inmiscibles que no interactúan entre sí. En estas

soluciones las moléculas de cada uno de los componentes están diluidas por las moléculas del otro componente. Por lo tanto, la presión de vapor total sobre el líquido es resultado del aporte de la presión parcial que cada componente hace al medio. Al saber la composición de la mezcla y las presiones de vapor de los componentes puros es posible calcular la presión de vapor total y la composición de la fase de vapor a cualquier temperatura. Estas relaciones son establecidas por la ley de Dalton y la ley de Raoult.

La ley de Dalton establece que la presión de vapor total de la solución es la suma de las presiones parciales de sus componentes

Ptotal = PA + PB + ….PN N = # de componentes La ley de Raoult establece que la presión de vapor parcial de un componente A en una solución (PA) a una temperatura dada, es igual a la presión de vapor de la sustancia pura (P°A) multiplicada por su fracción molar (XA)

PA = P°A XA XA = moles de A/ moles Totales

Estas leyes permiten interpretar que:

a. Para una solución ideal la presión de vapor total es un valor intermedio entre las presiones parciales de sus componentes.

b. El componente más volátil predomina en la fase de vapor. c. El punto de ebullición de la solución es intermedio entre los puntos de

ebullición de los componentes puros.

La Figura 3 ilustra el diagrama de fase para una solución ideal de dos componentes. El punto de ebullición del componente A y B son respectivamente 50 y 90 °C. Las presiones de vapor del liquido A y B puros son P°A=2.32 atm y P°B = 0.56 atm.

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Figura 3. Diagrama típico de Composición vs Temperatura para un sistema binario de una solución ideal.

De acuerdo con el diagrama 3 se tiene que: 1) El componente A es más volátil que el componente B

2) A 75°C la composición del liquido es 25% A y 75% B

La presión parcial de cada componente en solución será: PA = 2.32 atm X 0.25 = 0.58 atm PB = 0.56 atm X 0.75 = 0.42 atm

La presión total (PT) de la solución PT = 0.58 atm + 0.42 atm = 1.00 atm 3) A 75°C la composición del vapor es 58% A y 42% B

De acuerdo con la ley de Roult: La fracción molar de A XA= 0.58 atm/ 1.00 atm = 0.58 mol La fracción molar de B XB = 0.42 atm/1.00atm = 0.42 mol

A 75°C la composición del vapor de la mezcla ideal es 0.58A/0.42B que está en equilibrio con la solución que contiene 0.25A/0.75B

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A B

2) Soluciones no-ideales. Estas soluciones no se ajustan a las descripciones de una mezcla ideal. A una composición determinada en la curva de composición vs temperatura aparecen unos valores máximos o mínimos en el cual por tener el vapor la misma composición que el líquido, este no se modifica al ebullir y en consecuencia el punto de ebullición no cambia (figura 4). Estas mezclas de punto de ebullición constante se denominan mezcla aceotrópicas. Los componentes de esta mezcla aceotrópica no se separan con una destilación ordinaria.

Figura 4. Diagramas de punto de ebullición vs composición para mezclas aceotrópicas. Mezcla A (metanol/cloroformo), mezcla B

(acetona/cloroformo).

Tabla 1. Tipos de destilación. TIPO DE

DESTILACIÓN CARACTERÍSTICAS

-Sencilla -Separa líquidos con puntos de ebullición por debajo de 150°C a una atmosfera de presión y con una diferencia en sus puntos de ebullición mayor a 25 °C. - La solución debe tener en menor grado componentes poco volátiles.

-Fraccionada -separa mezclas de líquidos miscibles con diferencias en puntos de ebullición menor a 25°C.

- Al vapor - separa mezclas de compuestos orgánicos inmiscibles y agua (vapor).

-Al vacio - Destila líquidos que se descomponen por debajo de su punto de ebullición ó cuyo punto de ebullición es tan elevado que se hace difícil la destilación. Se puede combinar con la destilación sencilla y fraccionada.

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Montajes típicos para destilación. Escala macro

A= termómetro B = adaptador de termómetro C = cabeza de destilación D = condensador E = Matraz de destilación F = boiling chips o agitador G= agua sale H= agua entra I = Codo de salida J= matraz colector K= Posición termómetro L= empaque columna M = columna destilación N= Banda sujetadora

Figura 5. Montaje típico para destilación a escala macro. A destilación sencilla y B destilación fraccionada

Escala micro (tipo Williamson)

A= termómetro B = adaptador de termómetro C = cabeza de destilación D = envase colector E = Matraz cuello largo F = matraz cuello corto G= arena H= espátula I = Columna destilación (Cu hilos) J= carborundum

Figura 6. Montaje típico para destilación a escala micro con el equipo de Williamson. A destilación sencilla y B destilación fraccionada

A

B

B

C DD

E

F

F

G

G

H

H

I

I

J

J

K

L

M

NA

B

A

B C

C

D

D

E F

G

G

HI

JJ

A

B

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PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL En este experimento se utilizará una mezcla de tolueno y hexano para separar por destilación cada componente. Lo anterior se realizará por medio de destilación sencilla y fraccionada y para cada uno de los líquidos separados se determinara el índice de refracción y la densidad. Los valores obtenidos experimentalmente serán comparados con aquellos teóricos obtenidos en la literatura (ver Tabla 2).

Tabla 1. Propiedades físicas de algunos compuestos orgánicos.

Compuesto Punto de ebullición (°C)

Densidad (g/mL) Índice de refracción

Hexano 69 0.659 1.3749 Tolueno 111 0.867 1.4969 Acetona 56 0.791 1.3590 Etanol 78 0.785 1.3614 Agua 100 1.000 1.3330

Tanto para un tipo de destilación como para el otro tenga en cuenta que: - Nunca se debe destilar a sequedad. Caliente suave y moderadamente. - Para evitar el peligro de una ebullición violenta se debe adicionar al matraz de

destilación piedras inertes (carborundum) o esferas de cristal. - El líquido destilado se almacenara en el cuello de la columna HicKman y será

extraído con una jeringuilla. Este líquido se recogerá en un envase limpio y seco previamente pesado con su respectiva tapa.

- El líquido a destilar no debe ocupar más de 2/3 partes del volumen total del matraz de destilación.

- Coloque el bulbo del termómetro justo en la posición que se muestra en la figura que describe los montajes. Evite obstruir el paso del vapor.

- Las fracciones de destilado son: A. Fracción I. De 50-90°C ó hasta que momentáneamente cese de destilar ó

baje la temperatura. B. Fracción II. Lo que se queda en el envase cónico de destilación

- Asegúrese que la salida del aire acondicionado no da directamente sobre los equipos de destilación.

- Una vez terminado el experimento encontrará dos frascos rotulados como desperdicios de hexano y tolueno, disponga allí las fracciones colectadas según corresponda tanto de la destilación sencilla como la fraccionada

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Destilación sencilla a escala micro (equipo de Mayo).

Monte el equipo para la destilación sencilla conforme a lo representado en la figura 7. Utilice el envase cónico de 5.0 mL y adicione 3.0 mL de una mezcla 1:1 de hexano /tolueno y dos piedritas de carborundum. Complete el ensamblaje del sistema. Extraiga la fracción que destila en el cuello de la columna Hickman en un envase previamente pesado con su respectiva tapa. La Fracción I se recoge hasta una temperatura de 90 C; la fracción II queda en el envase cónico de destilación. Caliente el envase cónico de destilación en un baño de arena controle la temperatura, con la espátula, removiendo ó arropando con arena el matraz de destilación. Una vez extraídas las fracciones asegúrese de tapar inmediatamente los frascos recibidores. Determine la masa (balanza) y el volumen (jerenguilla graduada) de cada fracción y con estos datos calcule la densidad. De igual manera determine el índice de refracción experimental y compare (% error) los valores experimentales con los valores teóricos reportados en la literatura.

Figura 7. Montaje para destilación sencilla a escala micro con el equipo de

Mayo.

Termómetro

3.0 mL mezcla Tolueno:hexano 1:1

Adaptador de Termómetro

14/10

Envase cónico 5.0 mL

Columna Hickmann Aguja

Tapa con septum

14/10

Carborundum Arena

Baño de cristal

Agarradera

Calor Agitación

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Baño de Arena

Plancha de calentamiento

Destilación sencilla a escala micro (equipo de Williamson). Monte el equipo para la destilación sencilla conforme a lo representado en la

figura 8. Utilice el matraz de fondo redondo de cuello largo y adicione 3.0 mL de una mezcla 1:1 de hexano /tolueno y dos piedritas de carborundum. Complete el ensamblaje del sistema y envuelva el brazo de la cabeza de destilación con algodón húmedo. Recoja las fracciones en frascos separados previamente pesados dentro de las temperatura antes mencionadas (Fracción I 50-90 °C; Fracción II 90-115°C). Caliente el matraz de destilación en un baño de arena controle la temperatura, con la espátula, removiendo ó arropando con arena el matraz de destilación. Cuando comience el goteo, anote el número de la gota correspondiente a la temperatura leída (en las hoja del informe encontrará unas tablas que le servirán para consignar la información). Una vez llegue a la temperatura de la primera fracción cambie el recibidor hasta que llegue al límite superior de la segunda fracción (115°C). Una vez recogida cada fracción asegúrese de tapar inmediatamente los frascos recibidores. Determine la masa (balanza) y el volumen (jeringuilla graduada) de cada fracción y con estos datos calcule la densidad y compárela con la densidad de los líquidos puros. Presente una gráfica de temperatura vs el número de gotas ó volumen destilado a cada temperatura. La gráfica debe estar titulada con los ejes rotulados y con la escala apropiada para ver la tendencia de la destilación.

Figura 8. Montaje para destilación sencilla con el equipo de Williamson.

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Destilación fraccionada a escala micro (equipo de Mayo).

Monte el equipo para la destilación fraccionada conforme a lo representado en la figura 9. Utilice el envase cónico de 5.0 mL y adicione 3.0 mL de una mezcla 1:1 de hexano /tolueno. Complete el ensamblaje del sistema. Extraiga la fracción que destila en el cuello de la columna Hickman en un envase previamente pesado con su respectiva tapa. La Fracción I se recoge hasta una temperatura de 90 °C; la fracción II queda en el envase cónico de destilación. Complete la parte experimental tal como se describió en el procedimiento anterior (destilación sencilla). Figura 9. Montaje para destilación fraccionada a escala micro con el equipo de

Mayo.

Termómetro

3.0 mL mezcla Tolueno:hexano 1:1

Adaptador de Termómetro

14/10

Envase cónico 5.0 mL

Columna Hickmann

Aguja

Teflón Spinning band

Arena

Baño de cristal

Agarradera

Calor Agitación

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Baño de Arena

Plancha de calentamiento

Destilación fraccionada a escala micro (equipo de Williamson).

Repita el procedimiento descrito anteriormente teniendo como base el montaje de la figura 10. Utilice ahora el matraz de cuello corto y anexe una columna empacada con alambre. Mantenga de nuevo la rapidez de destilación a 1 gota por segundo y colecte las dos fracciones correspondientes. Nuevamente lleve un record del número de gotas de destilado vs la temperatura leída. Determine las densidades de las fracciones compárelas con los valores teóricos de los líquidos puros y los valores obtenidos en la destilación sencilla. Prepare una gráfica similar a la de la destilación sencilla y compárelas comente y discuta sobre las semejanzas y/o diferencias entre ellas. Figura 10. Montaje para destilación fraccionada con el equipo de Williamson.

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DESTILACIÓN

Pre-laboratorio Nombre: ____________________________________ Fecha: __________ Sección: __________ 1. En una solución con comportamiento ideal, la presión de vapor total corresponde

a la suma de las presiones parciales de sus componentes. ¿Qué ley justifica el anterior enunciado? Plantee un ejemplo.

2. Correlacione los siguiente tópicos experimentales

( ) Destilar a sequedad 1. No forma núcleo de burbujas ( ) Solución a destilar 2. Suave y moderadamente ( ) Carborundum 3. Tolueno y agua ( ) Calentamiento del matraz 4. Fuerte y rápido 5. Error experimental 6. Hexano tolueno 7. Previene ebullición violenta

Ley de Raoult PA = P°A x XA

Ley de Dalton Ptotal = PA + PB +....Pn

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3. Se tiene una solución ideal con 1.000 g de etanol y 0.500 g de metanol. Si la presiones de vapor de estos alcoholes puros son 135.5 y 260.5 mmHg respectivamente. Calcule la presión de vapor total del sistema.

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DESTILACIÓN

Informe de laboratorio (equipo Williamson) Nombre: ____________________________________ Fecha: __________ Sección: __________ Resultados Experimentales 1. Destilación Sencilla Escala Micro Temperatura °C # gotas Temperatura °C # gotas Con los datos anteriores construya una gráfica en Excel® de temperatura vs # gotas de destilado (hoja aparte). Fracción INTERVALO

de ebullición (°C)

Volumen destilado

(mL)

Masa del destilado

(g)

Densidad del destilado (g/mL)

Índice de refracción

1 2

Compare los valores de la densidad e índice de refracción de los destilados con los valores teóricos para el hexano y tolueno respectivamente.

Ley de Raoult PA = P°A x XA

Ley de Dalton Ptotal = PA + PB +....Pn

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2. Destilación Fraccionada Escala Micro Temperatura °C # gotas Temperatura °C # gotas Con los datos anteriores construya una gráfica Excel® de temperatura vs # gotas de destilado (hoja aparte). Fracción INTERVALO

de ebullición (°C)

Volumen destilado

(mL)

Masa del destilado

(g)

Densidad del destilado (g/mL)

Índice de refracción

1 2

Compare los valores de la densidad e índice de refracción de los destilados con los valores teóricos para el hexano y tolueno respectivamente.

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DESTILACIÓN

Informe de laboratorio (equipo Mayo) Nombre: ____________________________________ Fecha: __________ Sección: __________ Resultados Experimentales

1. Propiedades Físicas experimentales

Destilación Sencilla Fracción Masa

destilado (g)

Volumen destilado

(mL)

Densidad (g/mL)

Índice de refracción

I II

Destilación Fraccionada I II

2. Compare los valores de la densidad e índice de refracción de los destilados con

los valores teóricos para el hexano y tolueno respectivamente

Ley de Raoult PA = P°A x XA

Ley de Dalton Ptotal = PA + PB +....Pn

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Preguntas Finales (Aplican a cualquiera de los dos informes) 1. Compare las técnicas de destilación sencilla y fraccionada teniendo en cuenta el

porcentaje de error obtenido para la densidad e índice de refracción para hexano y tolueno. ¿Cuál de ellas es más eficiente?

2. Una solución contiene 156 g de benceno (C6H6) y 92 g de tolueno (C7H8). Si la

presión de vapor del benceno y tolueno puros a 25°C son 94 mmHg y 29 mmHg respectivamente. Calcule la presión total del sistema.

3. A 40°C la presión de vapor de pentano (C5H12) es 864 mmHg y la de heptano

(C7H16) es de 92 mmHg. Calcule la presión de vapor a 40°C de una mezcla que contiene: a) 3:1 moles de pentano y heptano respectivamente

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4. Utilizando la siguiente gráfica que presenta el diagrama de composición vs temperatura para un sistema benceno/tolueno, determine la composición del líquido y el vapor a 100 °C.

Composición del líquido: Composición del vapor:

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Conclusión. En el espacio provisto a continuación discuta los aspectos más importantes encontrados en el presente experimento (no menos de 500 palabras)