Recristalización

recristalización

A menudo, el producto deseado de una reacción química es parte de una mezcla de reacción más compleja, que puede estar compuesta por el solvente, los materiales de partida y las impurezas. Aprender a purificar correctamente los compuestos orgánicos es una técnica valiosa en química orgánica. La recristalización aprovecha las diferencias en la solubilidad del compuesto deseado y la impureza en el solvente para purificar el producto deseado como un sólido. Existen tres métodos estándar de purificación: destilación, extracción y recristalización.

solubilidad

La solubilidad de una sustancia es la cantidad máxima que se disuelve en un volumen fijo de un disolvente determinado a una temperatura determinada. Los diferentes solutos tienen diferentes solubilidades y se disuelven en diferentes solventes. Los solutos pueden tener características definitorias que se prestan para ser explotadas para la recristalización. Los compuestos exhiben uno de los siguientes comportamientos en un solvente. En primer lugar, el compuesto puede ser insoluble o tener una solubilidad muy baja en el disolvente a todas las temperaturas. En segundo lugar, el compuesto puede ser soluble en el disolvente a temperaturas más altas. En tercer lugar, el compuesto puede ser soluble en el disolvente a todas las temperaturas.

Un factor importante para determinar si un soluto se disuelve en un solvente y forma una solución es la fuerza y el tipo de fuerzas intermoleculares entre el soluto y el solvente. La regla general es "lo similar se disuelve lo similar", lo que significa que las sustancias con tipos similares de fuerzas intermoleculares se disuelven entre sí. Por ejemplo, las sustancias polares, como la sal de mesa (NaCl), se disuelven bien en el agua polar.

Otro factor clave que mejora la solubilidad es la temperatura. Para muchas sustancias, la solubilidad aumenta considerablemente a temperaturas más altas. Esto se debe al hecho de que el aumento de la energía cinética a temperaturas más altas rompe las fuerzas intermoleculares de soluto que mantienen unidas a las moléculas. Esto se ve en la vida cotidiana. Por ejemplo, sabemos que la sal de mesa (NaCl) se disuelve bien en agua; sin embargo, se disuelve más a temperaturas más altas que a temperaturas más bajas.

Cualitativamente, una solución se considera insaturada si aún no se ha alcanzado la cantidad máxima de soluto disuelto. Cuando el máximo soluto posible se ha disuelto, la solución se satura. Una solución sobresaturada contiene más soluto disuelto que la cantidad máxima posible en condiciones típicas.

recristalización

La recristalización aprovecha las diferencias de solubilidad entre el producto deseado y los contaminantes a altas temperaturas. El primer paso de la recristalización es disolver la mezcla del producto en un volumen mínimo de solvente calentado que aún da como resultado una solución saturada, pero no sobresaturada. Luego, la solución se enfría a temperatura ambiente, disminuyendo la solubilidad tanto del compuesto deseado como de la impureza.

A medida que la solución se enfría, comienza la cristalización del componente puro, mientras que las impurezas aún solubles no lo hacen. Esto ocurre cuando el componente de interés se encuentra en una concentración significativamente mayor que la impureza. Primero, en la fase de nucleación, el solvente inicia la aglomeración aleatoria de las moléculas de soluto, formando el primer cristal llamado semilla o núcleo. A continuación, en la fase de crecimiento o cristalización de las partículas, se añaden más moléculas a la semilla, formando un cristal. El cristal contiene el compuesto puro, mientras que la impureza permanece en el disolvente.

La nucleación procede más rápido que el crecimiento de partículas en una solución sobresaturada. Con más semillas, cada cristal es más pequeño. Por lo tanto, si la solución está saturada, en lugar de supersaturada, se forman menos semillas, lo que da como resultado cristales más grandes. Calentar la solución a una temperatura más alta antes de enfriarla a temperatura ambiente permite la disolución de una mayor concentración de soluto, disminuyendo la sobresaturación. Además, el enfriamiento rápido da como resultado una nucleación rápida, formando muchos cristales pequeños y atrapando la impureza dentro de los cristales. Se prefiere el enfriamiento lento para lograr menos cristales más grandes.

Una vez que la solución se ha enfriado a temperatura ambiente y se han formado los cristales, la solución se filtra mediante filtración al vacío. Luego, los cristales se dejan secar. El porcentaje de recuperación se calcula dividiendo la masa del producto recuperado por la masa del producto bruto.

La recuperación rara vez es del 100%, ya que la solubilidad del compuesto a bajas temperaturas determina la cantidad de compuesto que se cristaliza.

Selección de un disolvente

Para que la cristalización sea eficaz, se debe utilizar el disolvente óptimo. El producto deseado debe tener una baja solubilidad en el disolvente seleccionado a temperatura ambiente, pero una alta solubilidad en el disolvente a una temperatura más alta. Lo ideal es que las impurezas sean solubles en el disolvente a todas las temperaturas. Por lo tanto, cuando la mezcla se agrega al solvente a alta temperatura, el producto deseado y las impurezas se disuelven fácilmente.

A medida que la solución se enfría, la solubilidad del producto deseado disminuye y comienza a producirse la cristalización, formando un producto purificado. Ocasionalmente, las impurezas pueden permanecer insolubles en el solvente de elección, incluso a altas temperaturas. La filtración por gravedad caliente de la solución que contiene el producto disuelto puede eliminar las impurezas sólidas. A continuación, el producto puede recristalizarse enfriando la muestra.

Lo ideal es que el disolvente que se vaya a utilizar pueda hervir a una temperatura muy por debajo del punto de fusión del producto deseado. El disolvente también debe ser inerte y no reaccionar con el producto purificado deseado.

Referencias

1. Kotz, J.C., Treichel Jr, P.M., Townsend, J.R. (2012). Química y reactividad química. Belmont, CA: Brooks/Cole, Cengage Learning.
2. Silberberg, M.S. (2009) Química: La naturaleza molecular de la materia y el cambio. Boston, MA: McGraw Hill.
3. Harris, D.C. (2015). Análisis químico cuantitativo. Nueva York, NY: W.H. Freeman and Company.