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Ciertas reacciones químicas deben realizarse por debajo de la temperatura ambiente por seguridad o para obtener el producto deseado.
Un baño de enfriamiento permite que un sistema se mantenga en un cierto rango de temperatura durante la duración de la reacción. Esto se logra colocando el matraz de reacción en el baño, enfriando la reacción sin tener nunca contacto directo con los reactivos.
El baño suele ser un recipiente bien aislado, como un matraz Dewar, que contiene los componentes criogénicos necesarios para alcanzar la temperatura deseada. En configuraciones simples como esta, la temperatura no es estable y el baño debe controlarse y ajustarse durante todo el procedimiento.
Este video explorará los diferentes baños de enfriamiento que se utilizan regularmente para llevar a cabo reacciones por debajo de la temperatura ambiente.
Durante una reacción química, las especies involucradas deben chocar para que se formen nuevos enlaces. El aumento de la temperatura aumenta la energía interna del sistema y hará que estas especies se muevan más rápidamente, lo que significa que chocarán con más frecuencia. Como resultado, las reacciones proceden más rápido a temperaturas más altas.
Sin embargo, en algunos casos, es deseable llevar a cabo reacciones a bajas temperaturas, a pesar de la disminución de la velocidad de reacción. Por ejemplo, algunas reacciones son demasiado vigorosas y deben enfriarse para evitar derrames y acumulación de presión. Las reacciones altamente exotérmicas también podrían hervir rápidamente y brotar si no se enfrían, lo que crea un peligro para la seguridad.
El enfriamiento se puede utilizar para proporcionar un beneficio económico. Por ejemplo, evitar la ebullición de un disolvente o la descomposición de un reactivo ahorra tiempo y recursos.
El enfriamiento también se usa con frecuencia para controlar qué producto se produce mediante una reacción que tiene vías competitivas. En estas reacciones, la vía con la energía de activación más baja se genera a temperaturas más bajas, mientras que la vía con la energía de activación más alta se prefiere a temperaturas más altas.
Ahora que comprende la importancia de ejecutar las reacciones por debajo de la temperatura ambiente, echemos un vistazo a cómo preparar varios tipos de baños de enfriamiento.
Los baños de agua helada son fáciles de instalar y están disponibles en todos los laboratorios de enseñanza de química. Mientras que el agua helada en sí misma tiene una temperatura de 0 ? C, se puede lograr una depresión del punto de fusión mediante la adición de ciertas sales.
Esto permite que los baños de agua helada alcancen una temperatura de -40 ?C. La temperatura final se puede ajustar aumentando o disminuyendo la concentración de aditivo salino.
Para configurar un baño de agua con hielo, comience pesando las cantidades adecuadas de aditivo de hielo y sal, como se describe en la tabla de baño de hielo que se encuentra en el protocolo de texto.
A continuación, añade la sal al hielo. Vierta una pequeña cantidad de agua desionizada en el recipiente. Con una varilla agitadora, mezcle bien el baño.
Ahora que se ha configurado el baño, verifique con un termómetro para asegurarse de que se haya alcanzado la temperatura deseada. Si no es así, agregue más sal según sea necesario. Cuando se alcance la temperatura correcta, coloque el recipiente de reacción en el baño de hielo.
Los baños de agua helada no conservan su temperatura por mucho tiempo y deben ajustarse cada 20 a 30 minutos. Para mantener la temperatura objetivo, puede ser necesario eliminar el agua líquida y agregar más hielo y sal.
Para temperaturas de hasta -78 ? C, se utilizan baños de hielo seco. El hielo seco es dióxido de carbono sólido, por lo que la transferencia eficiente de calor desde él a un recipiente de reacción requiere un solvente. Porque el hielo seco se sublima a -78 ? C, un disolvente con un punto de congelación por debajo del que debe utilizarse si se quiere alcanzar esta temperatura. Los solventes con puntos de congelación más altos se pueden utilizar para crear baños de hielo seco más cálidos. Para preparar un baño de hielo seco, comience por ponerse guantes de protección criogénica y gafas de seguridad. Nunca permita que el hielo seco toque la piel desnuda.
¿Por un 1? L, obtenga aproximadamente 1/3 de un bloque de hielo seco y rómpalo en pedazos más pequeños en el recipiente.
A continuación, agregue lentamente el solvente orgánico elegido al hielo seco mientras revuelve con una varilla de vidrio. Habrá una efervescencia vigorosa a medida que se desarrolle el gas de dióxido de carbono.
Continúe agregando solvente lentamente y revuelva hasta que la mayor parte del hielo seco se disuelva, formando una suspensión homogénea. Esto asegura que la transferencia de calor al matraz de reacción sea lo más uniforme posible.
Usando un termómetro o termopar de temperatura fría, asegúrese de que el baño haya alcanzado la temperatura deseada, luego coloque el recipiente de reacción en el baño.
Controle el baño a intervalos regulares y agregue trozos de hielo seco cuando note un aumento en la temperatura del baño.
Finalmente, cuando la temperatura deseada del baño está por debajo de lo que puede proporcionar el hielo seco, se utiliza nitrógeno líquido. El nitrógeno líquido tiene un punto de fusión de -196 ? C, y los solventes solo son necesarios cuando se crean baños más cálidos.
Debido a las temperaturas extremadamente bajas del nitrógeno líquido, un Dewar es el único recipiente aceptable.
Para preparar un baño de enfriamiento de nitrógeno líquido, comience por ponerse gafas de seguridad y guantes de protección criogénica. Tenga cuidado al manipular nitrógeno líquido, ya que puede causar congelación y daño ocular permanente.
Para un baño con aditivos, determine el solvente orgánico apropiado para la temperatura deseada, como se muestra en la tabla de nitrógeno líquido que se encuentra en el texto. Agregue el solvente al Dewar, luego agregue lentamente el nitrógeno líquido.
Inserte un termómetro o termopar de temperatura fría en el baño para asegurarse de que se haya alcanzado la temperatura deseada. Luego, coloque el recipiente de reacción en el baño.
Para un baño sin aditivos, simplemente agregue la cantidad adecuada de nitrógeno al Dewar para obtener una temperatura tan baja como -196?? C.
Monitoree el baño a intervalos regulares para ver si se necesita nitrógeno adicional.
Muchos tipos diferentes de reacciones, a través de varios discípulos científicos, utilizan baños de enfriamiento para operar por debajo de la temperatura ambiente.
Los procesos mecánicos de laboratorio, al igual que las reacciones muy exotérmicas, también pueden crear calor indeseable.
En este ejemplo, el tetrasilicato de cobre y bario a granel se preparó mediante síntesis de fundente fundente y en estado sólido. A continuación, estos materiales estratificados se exfoliaron mediante técnicas de sonicación.
La sonicación utiliza ondas sonoras para agitar partículas. Sin embargo, debido a que es un proceso de alta energía, puede crear un exceso de calor en una muestra.
Por lo tanto, se utilizó un baño de agua helada para enfriar la muestra durante el proceso de sonicación de una hora. La prevención de este calentamiento excesivo garantizó la integridad y la consistencia del rendimiento del producto.
En este ejemplo, se utilizó un baño de hielo seco para garantizar que el diyodometilillitio se sintetizara mediante la desprotonación del diyodometano.
Los reactivos se añadieron a un matraz de fondo redondo que contenía una barra de agitación. Luego, el matraz de fondo redondo se colocó en un Dewar. Se añadió hielo seco y acetona al Dewar, y se cubrió todo el aparato para minimizar la exposición a la luz. Mantener baja la energía del sistema era esencial para la estabilidad del producto.
Los baños de hielo seco y nitrógeno líquido se utilizan con frecuencia como trampas frías para condensar muestras. En particular, estas trampas frías pueden ayudar al transporte seguro de compuestos sensibles al aire al tiempo que evitan la contaminación de los equipos. En este ejemplo, se utilizó una trampa fría de nitrógeno líquido para condensar una muestra volátil y sensible a la oxidación, para su posterior preparación para el análisis espectrométrico de masas.
Primero se limpió y calentó el sistema para eliminar cualquier contaminante potencial. A continuación, el tubo de ensayo con cerradura se sumergió en nitrógeno líquido para permitir la condensación de la muestra a través de la línea Schlenk. A continuación, se extrajo la muestra para su análisis mediante espectrometría de masas.
Acabas de ver la introducción de JoVE a la realización de reacciones por debajo de la temperatura ambiente. Ahora debe comprender los baños de enfriamiento de agua helada, hielo seco y nitrógeno líquido, y por qué son químicamente importantes.
¡Gracias por mirar!
