Ricristallizzazione

ricristallizzazione

Spesso, il prodotto desiderato di una reazione chimica fa parte di una miscela di reazione più complessa, che può essere composta dal solvente, dai materiali di partenza e dalle impurità. Imparare a purificare correttamente i composti organici è una tecnica preziosa in chimica organica. La ricristallizzazione sfrutta le differenze di solubilità del composto desiderato e l'impurità nel solvente per purificare il prodotto desiderato come solido. Esistono tre metodi standard di purificazione: distillazione, estrazione e ricristallizzazione.

solubilità

La solubilità di una sostanza è la quantità massima che si dissolve in un volume fisso di un dato solvente a una data temperatura. Soluti diversi hanno solubilità diverse e si dissolvono in solventi diversi. I soluti possono avere caratteristiche distintive che si prestano ad essere sfruttate per la ricristallizzazione. I composti mostrano uno dei seguenti comportamenti in un solvente. Innanzitutto, il composto può essere insolubile o avere una solubilità molto bassa nel solvente a tutte le temperature. In secondo luogo, il composto può essere solubile nel solvente a temperature più elevate. In terzo luogo, il composto può essere solubile nel solvente a tutte le temperature.

Un fattore importante nel determinare se un soluto si dissolve in un solvente e forma una soluzione è la forza e il tipo di forze intermolecolari tra il soluto e il solvente. La regola generale è "il simile dissolve il simile", il che significa che le sostanze con tipi simili di forze intermolecolari si dissolvono l'una nell'altra. Ad esempio, le sostanze polari come il sale da cucina (NaCl), si dissolvono bene nell'acqua polare.

Un altro fattore chiave che migliora la solubilità è la temperatura. Per molte sostanze, la solubilità aumenta notevolmente a temperature più elevate. Ciò è dovuto al fatto che l'aumento dell'energia cinetica a temperature più elevate rompe le forze intermolecolari del soluto che tengono insieme le molecole. Questo si vede nella vita di tutti i giorni. Ad esempio, sappiamo che il sale da cucina (NaCl) si scioglie bene in acqua; tuttavia, si dissolve di più a temperature più elevate che a temperature più basse.

Qualitativamente, una soluzione è considerata insatura se la quantità massima di soluto disciolto non è stata ancora raggiunta. Quando il soluto massimo possibile si è dissolto, la soluzione è satura. Una soluzione supersatura contiene più soluto disciolto della quantità massima possibile in condizioni tipiche.

ricristallizzazione

La ricristallizzazione sfrutta le differenze di solubilità tra il prodotto desiderato e i contaminanti ad alte temperature. La prima fase della ricristallizzazione consiste nel sciogliere la miscela di prodotti in un volume minimo di solvente riscaldato che si traduce comunque in una soluzione satura, ma non sovrasatura. Quindi, la soluzione viene raffreddata a temperatura ambiente, diminuendo la solubilità sia del composto desiderato che dell'impurità.

Quando la soluzione si raffredda, inizia la cristallizzazione del componente puro, mentre le impurità ancora solubili non lo fanno. Ciò si verifica quando il componente di interesse si trova in una concentrazione significativamente superiore all'impurità. In primo luogo, nella fase di nucleazione, il solvente avvia l'agglomerazione casuale delle molecole di soluto, formando il primo cristallo chiamato seme o nucleo. Successivamente, nella fase di crescita delle particelle o di cristallizzazione, vengono aggiunte più molecole al seme, formando un cristallo. Il cristallo contiene il composto puro, mentre l'impurità rimane nel solvente.

La nucleazione procede più velocemente della crescita delle particelle in una soluzione supersatura. Con più semi, ogni cristallo è più piccolo. Pertanto, se la soluzione è satura, piuttosto che sovrasatura, si formano meno semi, risultando in cristalli più grandi. Il riscaldamento della soluzione a una temperatura più elevata prima di raffreddarla a temperatura ambiente consente la dissoluzione di una maggiore concentrazione di soluto, diminuendo la sovrasaturazione. Inoltre, il rapido raffreddamento provoca una rapida nucleazione, formando molti piccoli cristalli e intrappolando l'impurità all'interno dei cristalli. Il raffreddamento lento è preferito per ottenere un minor numero di cristalli più grandi.

Una volta che la soluzione si è raffreddata a temperatura ambiente e si sono formati i cristalli, la soluzione viene filtrata mediante filtrazione sotto vuoto. Quindi, i cristalli vengono lasciati asciugare. La percentuale di recupero viene calcolata dividendo la massa del prodotto recuperato per la massa del prodotto grezzo.

Il recupero è raramente del 100%, poiché la solubilità del composto a basse temperature determina la quantità di composto cristallizzata.

Selezione di un solvente

Affinché la cristallizzazione sia efficace, è necessario utilizzare il solvente ottimale. Il prodotto desiderato deve avere una bassa solubilità nel solvente selezionato a temperatura ambiente ma un'elevata solubilità nel solvente a una temperatura più elevata. Idealmente, le impurità dovrebbero essere solubili nel solvente a tutte le temperature. Pertanto, quando la miscela viene aggiunta al solvente ad alta temperatura, il prodotto desiderato e le impurità si dissolvono prontamente.

Man mano che la soluzione viene raffreddata, la solubilità del prodotto desiderato diminuisce e inizia la cristallizzazione, formando un prodotto purificato. Occasionalmente, le impurità possono rimanere insolubili nel solvente scelto, anche ad alte temperature. La filtrazione a gravità calda della soluzione che contiene il prodotto disciolto può rimuovere le impurità solide. Il prodotto può quindi essere ricristallizzato raffreddando il campione.

Idealmente, il solvente da utilizzare dovrebbe essere in grado di bollire a una temperatura ben al di sotto del punto di fusione del prodotto desiderato. Il solvente deve inoltre essere inerte e non reagire con il prodotto purificato desiderato.

referenze

1. Kotz, J.C., Treichel Jr, P.M., Townsend, J.R. (2012). Chimica e reattività chimica. Belmont, CA: Brooks/Cole, Cengage Learning.
2. Silberberg, M.S. (2009) Chimica: la natura molecolare della materia e il cambiamento. Boston, MA: McGraw Hill.
3. Harris, D.C. (2015). Analisi chimica quantitativa. New York, NY: W.H. Freeman e compagnia.

La maggior parte dei prodotti contiene impurità. Un modo per purificare questi prodotti è la ricristallizzazione. La ricristallizzazione inizia con la dissoluzione del prodotto impuro in un solvente caldo appena sufficiente a formare una soluzione satura, in cui nel solvente viene disciolto quanto più soluto possibile. Qualsiasi soluto aggiuntivo sembrerà non dissolversi.

Viene utilizzato un solvente caldo perché la solubilità aumenta tipicamente con la temperatura. All'aumentare della temperatura, aumenta la quantità di soluto che può essere disciolta nel solvente. Quando la soluzione si raffredda, la solubilità del prodotto diminuisce e le molecole di soluto si uniscono per formare piccoli cristalli stabili chiamati nuclei.

Questo è il primo passo della cristallizzazione, chiamato nucleazione. Un'ulteriore crescita dei cristalli avviene sui nuclei perché le molecole di soluto hanno una maggiore affinità per unire i cristalli di soluto esistenti rispetto alla formazione di nuovi cristalli. Le impurità solubili vengono lasciate in soluzione.

La cristallizzazione può avvenire spontaneamente o può essere incoraggiata grattando l'interno del pallone, agitando la soluzione o aggiungendo un cristallo seme del composto, che forniscono una superficie per un'ulteriore crescita.

La ricristallizzazione in cristalli grandi, puri e di forma regolare funziona solo quando viene utilizzato un solvente appropriato. Il composto deve essere insolubile nel solvente a temperatura ambiente e solubile ad alte temperature. Idealmente, le impurità dovrebbero essere insolubili nel solvente ad alta temperatura o solubili nel solvente a temperatura ambiente.

Se le impurità sono insolubili in solvente caldo, vengono filtrate prima della cristallizzazione. Dopo la ricristallizzazione, i cristalli vengono filtrati e lavati con solvente freddo per rimuovere le impurità dalle superfici. Ora è possibile analizzare la purezza dei cristalli.

Quando si sceglie un solvente, tenere presente che maggiore è la differenza di solubilità tra alte e basse temperature, più è probabile che il soluto esca dalla soluzione mentre si raffredda per formare cristalli. Anche la velocità di raffreddamento è importante nella ricristallizzazione.

Il raffreddamento rapido favorisce la formazione di molti siti di nucleazione e la crescita di cristalli più piccoli, mentre il raffreddamento induce lentamente la formazione di un minor numero di siti di nucleazione e la crescita di un minor numero di cristalli, più grandi ma più puri. Quindi, è preferibile un raffreddamento più lento.

In questo laboratorio, ricristallizzerai due composti organici impuri, acetanilide e acido trans-cinnamico, e quindi valuterai la purezza dei composti recuperati confrontando il loro intervallo di punto di fusione con i valori in letteratura.