Overview
Fuente: Laboratorio del Dr. Neil Branda, Simon Fraser University
Desgasificación se refiere al proceso por el cual se eliminan gases disueltos de un líquido. La presencia de gases disueltos como oxígeno o dióxido de carbono puede impedir las reacciones químicas que utilizan reactivos sensibles o interfieran con las mediciones espectroscópicas, pueden inducir la formación de burbujas no deseados.
Un número de diversas técnicas están disponibles para la desgasificación de líquidos; algunos de éstos incluyen agitación ultrasónica, remoción química de gases, calefacción, sustitución con gas inerte burbujeando y congelación-descongelación bomba de bicicleta. Ciclo hielo-deshielo de la bomba es un método común y eficaz para la desgasificación de pequeña escala y se demostró aquí con más detalle.
Principles
Congelación-descongelación bomba de desgasificación se realiza a presión reducida utilizando un colector doble de alto vacío/inyector de gas inerte. El proceso implica inicialmente congelación del disolvente mediante nitrógeno líquido o una mezcla de hielo seco/isopropanol. Un vacío se aplica y se evacua el espacio sobre el solvente congelado. Se sella el frasco y entonces el solvente es descongelado, permitiendo la liberación de especies gaseosas disueltas. Por lo general se repite el proceso de congelación-descongelación bomba de al menos dos ciclos adicionales disminuir el porcentaje de gases disueltos. 1, 2
Este método aprovecha de la dependencia de la presión de la solubilidad del gas en un líquido. En correspondencia con la ley (ecuación 1) de Henry, la concentración de gas (Caq) disuelta en un líquido es directamente proporcional (k) a la presión parcial del gas (Pgas) en el vapor de la fase sobre el líquido debajo de la temperatura constante, el volumen y la presión. 3
Caq = kPgas (ecuación 1)
Bajar la presión del gas sobre el líquido hace que la solubilidad de los gases disueltos en el líquido para disminuir. Por lo tanto, para restablecer el equilibrio de fase líquido-gas, el gas disuelto se libera del líquido como una burbuja.
En el procedimiento siguiente, se demostrará la técnica ciclo de congelación-descongelación bomba con benceno usando nitrógeno líquido y agua tibia del grifo como externos de enfriamiento y calentamiento de baños, respectivamente. La instalación experimental necesaria para realizar esta técnica consiste en una doble línea de Schlenk múltiple con fuentes de nitrógeno y vacío conectado. La línea de Schlenk está equipada con líneas de tubería compatible vacío (figura 1) para la conexión con cristalería apropiada, como un matraz Schlenk. 1, 2
Figura 1. Foto de la línea de Schlenk equipada con fuentes de nitrógeno y vacío.
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Procedure
- En primer lugar, coloque la deseada solvente o solución en un matraz Schlenk y cerrar la llave de paso (Figura 2a). Sellar todos los orificios en el matraz Schlenk. PRECAUCIÓN: no utilice más de un 50% del volumen del matraz e Inspeccione el frasco para localizar grietas o fracturas. Un frasco sobrellenado o roto puede romperse durante el proceso de.
- Coloque el matraz en una línea de Schlenk y mantenga la válvula correspondiente en la línea de Schlenk cerrada. Congelar completamente el líquido sumergiendo el frasco en un Dewar con nitrógeno líquido o una mezcla de hielo seco. (Figura 2b). PRECAUCIÓN: antes de congelar, lavar el matraz Schlenk con nitrógeno para asegurar que el ambiente es totalmente libre de oxígeno.
- Cuando el solvente se congela, abra la llave de paso en el matraz Schlenk y la válvula en la línea de Schlenk para vacío (figura 2C). Mantenga el frasco vacío y dentro de la bañera de enfriamiento durante unos 10 minutos. Sellar el frasco por el cierre de la llave de paso (Figura 2d).
- Descongelar el solvente hasta que se funda utilizando un baño de agua caliente. Durante este procedimiento las burbujas de gas visiblemente evolucionan desde el solvente (figuras 2e, 2f). Permitir que el solvente congelado se descongele por sí solo poco a poco y no para perturbar el líquido.
- Una vez descongelado el solvente, sustituir la bañera de agua tibia con el baño de enfriamiento y volver a congelar el solvente.
- Repita los pasos 3 a 5 hasta que no vea la evolución de gas como los deshielos de la solución (figura 2 g). Se recomienda un mínimo de tres ciclos para reducir al mínimo el porcentaje de gases disueltos presentes.
- Después de completar tres ciclos, se debe sellar el matraz Schlenk bajo nitrógeno antes de su uso (figura 2 h). Abra la válvula de gas de nitrógeno en la línea de Schlenk y abra la llave de paso del matraz para exponer el solvente a una atmósfera de nitrógeno. Una vez que se llena el matraz Schlenk con nitrógeno, finalmente cerrar la válvula al matraz.
- El solvente es ahora desgasificado y listo para su uso.
Figura 2. Detalle fotos de los pasos libres-bomba-deshielo: (a) paso 1, coloque solvente en el matraz; (b) paso 2, fijar el solvente en hielo seco (o en su defecto con nitrógeno líquido); paso (c) 3, introducir el vacío; (d) paso 4, sellar el frasco al vacío; (e), (f), paso 5, descongelar el solvente y observar la evolución de las burbujas de gas; (g) paso 7 proceso de deshielo congelación repetida (tres ciclos recomendados); paso (h) 8, sellar el solvente bajo nitrógeno.
La desgasificación de líquidos es imprescindible para muchas técnicas de síntesis química en química orgánica. Desgasificación se refiere al proceso por el cual se eliminan gases disueltos de un líquido. La desgasificación es importante en casos donde especies químicas son susceptibles a reacciones no deseadas con el oxígeno. Ciclo hielo-deshielo de la bomba es un método común utilizado para la pequeña escala de desgasificación de líquidos. La técnica se realiza bajo presión reducida, usando una línea de Schlenk o colector doble vacío/inyector de gas inerte. Este video resumen los principios de realización de congelación-descongelación bomba de desgasificación en el laboratorio.
Congelación-descongelación bomba de desgasificación aprovecha la dependencia de la presión de la solubilidad del gas en un líquido. Es por ello que las burbujas de la soda cuando abierto, indicativo de la ley de Henry. Conforme a la ley de Henry, la fracción molar de un gas disuelto en un líquido es directamente proporcional a la presión parcial del gas en la fase de vapor sobre el líquido. Por lo tanto, a bajar la presión del gas sobre el líquido, la solubilidad del gas disuelto disminuye y entonces se lanza como burbujas.
Desgasificación bomba-hielo-deshielo consiste en congelar primero el disolvente mediante un Dewar de nitrógeno líquido o hielo seco. Un vacío se aplica, y el espacio libre sobre el solvente congelado evacuados. Esto disminuye la presión en el espacio de aire sobre el líquido, de tal modo reducir la solubilidad de los gases disueltos.
Luego se sella el frasco y el solvente es descongelado, lo que permite la liberación de especies gaseosas disueltas en los espacios vacíos. El líquido es entonces volver a congelarse, y repite el proceso tantas veces como sea necesario.
Congelación-descongelación bomba de desgasificación se realiza generalmente con una configuración de línea de Schlenk, ya que implica la aplicación de un vacío, así como la introducción de gas inerte. Una línea de Schlenk consiste en un colector de doble vidrio con varios puertos. Vídeo de la colección en la línea de Schlenk entrará en más detalle sobre este aparato. Ahora que se han descrito los fundamentos de la técnica de la bomba-hielo-deshielo, el procedimiento se demostrará en el laboratorio.
En primer lugar, obtener un matraz Schlenk limpio y seco. Inspeccione el frasco para localizar grietas o fracturas, que pueden causar que se rompen durante el proceso de la cubeta.
Asegure el matraz Schlenk con una pinza y añadir la solución o solvente deseado. No use más del 50% del volumen, como algunos solventes amplían congelación, que podría romper el frasco. Cerrar la llave de paso y asegurarse que las aberturas están selladas. Conecte el brazo lateral del matraz Schlenk en la línea de Schlenk con una pieza de tubería flexible y mantenga la válvula correspondiente en la línea de Schlenk cerrada. Abra la llave de paso en el frasco, así como la válvula conectada a la línea de vacío para evacuar el frasco. Una vez vacío, cerrar la válvula. Abrir la válvula a la línea de gas inerte para llenar el frasco. Una vez llena con gas inerte, cerrar las llaves de paso en el frasco y después en la línea.
Sumergir el matraz en un Dewar con nitrógeno líquido para congelar el líquido. Cuando el solvente se congela, abra la llave de paso en el matraz Schlenk y la válvula en la línea de Schlenk para tirar de un vacío en el frasco. Mantenga el frasco vacío y dentro del nitrógeno líquido Dewar durante unos 10 minutos.
Retire el frasco Dewar de nitrógeno líquido. A continuación, sellar cerrando la llave de paso.
Sumergir el matraz en un baño de agua caliente para fundir totalmente el disolvente. Durante este procedimiento, las burbujas de gas visiblemente evolucionará desde el solvente. No perturbar el líquido y permitir que el solvente se descongele por sí mismo.
Una vez que el solvente ha descongelado por completo, cambiar el baño de agua caliente con el Dewar de nitrógeno líquido y vuelva a congelar el solvente.
Cuando el solvente se congela, abra la llave de paso en el matraz Schlenk y en la línea de Schlenk para tirar de un vacío en el frasco. Después de 10 minutos, cerrar la llave de paso en la línea de Schlenk y matraz, luego retire el Dewar de nitrógeno líquido. Descongelar la solución en un baño de agua caliente. Repita el proceso hasta que las burbujas de gas ya no evolucionan desde el solvente.
Después de la terminación de estos ciclos, sellar el frasco Schlenk bajo gas inerte. Para ello, abra la válvula del gas inerte en la línea de Schlenk y luego abra la llave de paso del matraz para exponer el solvente a una atmósfera inerte.
Cuando el matraz Schlenk se llena de gas, cierre las válvulas de línea de Schlenk y matraz Schlenk. La solución ahora es desgasificado y listo para su uso.
Técnicas de desgasificación son de vital importancia para las aplicaciones donde es la presencia de ciertos gases peligrosos, o pueden contaminar un experimento.
Desgasificación de soluciones para la síntesis orgánica es una aplicación clave de un sistema de línea de Schlenk. En este experimento, se sintetizaron los nanocristales de seleniuro de cadmio, donde el oxígeno es perjudicial para la reacción. Precursores moleculares, primeros fueron preparados y climatizadas. La mezcla fue desgasificada al vacío, y luego el frasco se lava con argón. La reacción entonces fue terminada bajo atmósfera de argón.
El experimento de Miller-Urey es un estudio pionero centrado en el origen de la vida. El experimento requiere que existan sólo gases en una atmósfera primordial. En primer lugar, la atmósfera primordial fue recreada en un matraz de fondo redondo sellado que contiene agua para simular los océanos. Estaba equipado con electrodos que simulan rayos. El líquido era desgasificado mediante una línea de Schlenk, antes de la introducción de gases primordiales tales como amoníaco y metano.
El frasco cerrado que contiene los gases fue quitado del sistema. Chispas luego se realizó para simular relámpagos en la sopa primordial. Se generaron una serie de aminoácidos y otras moléculas orgánicas pequeñas.
Desgasificación puede también realizarse utilizando una cámara de vacío en donde aire ambiente no contamine la solución de los casos. En este ejemplo, polydimethylsiloxane pilares fueron moldeados a partir de un molde previamente preparado. Los aparatos moldeados, conocidos como dispositivos microfluídicos, se utilizan para controlar finamente pequeños volúmenes de líquido. Para ello, mezclaron vigorosamente un 10:1 relación entre la masa de la base PDMS y agente de curado. La solución entonces era sin gas en una cámara de vacío para eliminar todas las burbujas. El polímero desgasificado fue vertido sobre el molde y curado en un horno. Los dispositivos fueron separados del molde y utilizados para el estudio de propiedades de tensión superficial de líquidos.
Sólo ha visto la introducción de Zeus a la desgasificación de solventes mediante la técnica de congelar-bomba-deshielo. Ahora debe tener una mejor comprensión de cómo utilizar esta técnica en un sistema de línea de Schlenk.
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Applications and Summary
La eliminación de gases disueltos es importante en la academia y la industria. A menudo se requiere para mantener la calidad de la maquinaria y de instrumentos de laboratorio para proteger varias reacciones químicas y obtener una lectura precisa para cromatografía y espectrofotometría.
Reacciones que utilizan o generan aire reactivos sensibles, por ejemplo, compuestos organometálicos, tioles, fosfinas y compuestos aromáticos ricos del electrón con frecuencia requieren algún nivel de desgasificación para mantener su integridad durante todo el experimento. El rendimiento o incluso el resultado de una reacción sensible de aire podría ser alterado si no se toman las precauciones adecuadas para eliminar los gases disueltos. Oxígeno disuelto afecta estudios fotoquímicos al amortiguamiento de Estados excitados. Por ejemplo, Estados de trío aromático pueden se apagará por pequeñas cantidades de oxígeno presente en la solución, que afecta a la intensidad y la distribución espectral (figura 3).
Figura 3. Espectros de emisión de fluorescencia de las soluciones. Tetracene (16 μm) en benceno desgasificada (línea azul) y el benceno saturado de oxígeno (línea roja) en excitación a 410 nm donde la intensidad de emisión a 475 nm se reduce en un 14% en la solución saturada de oxígeno.
En la industria, el agua es un líquido utilizado para el intercambio de calor. La vida útil de los tubos de metal, sistemas de caldera y bombas depende de la calidad de las aguas. Agua contiene diferentes niveles de oxígeno y dióxido de carbono, puede causar daño a materiales metálicos. El oxígeno es un reactivo oxidante, y dióxido de carbono es corrosivo debido a su conversión a ácido carboxílico. Entrega de agua desgasificada a lo anterior mencionado sistemas prolongará la vida útil del equipo.
Además, gases presentes en disolventes pueden tener consecuencias negativas para los instrumentos de laboratorio como en la cromatografía líquida de alto rendimiento (HPLC) con respecto a rendimiento y producción. Muchos de los instrumentos tienen hélices de metal o bombas que distribuyen el solvente. En contacto con el solvente ha disuelto gas, puede causar cavitación y corrosión conducen a daño o degradación de los componentes metálicos. La estabilidad del detector también es influenciada por la presencia de gases disueltos y la remoción insuficiente de oxígeno puede causar deriva de referencia.
Ciclo hielo-deshielo de la bomba es un método relativamente rápido y eficiente adecuado para pequeñas y medianas de la escala de desgasificación de líquidos. Este proceso puede ayudar a superar algunos de los temas sobre asociados con los gases de la presencia que se disuelve en el solvente.
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References
- Shriver, D. F., Drezdn, M. A. The Manipulation of Air Sensitive Compounds. 2nd ed. Wiley & Sons: New York, NY (1986).
- Girolami, G. S., Rauchfuss, T. B., Angelici, R. B. Synthesis and Technique in Inorganic Chemistry: A Laboratory Manual. 3rd ed. University Science Books: Sausalito, CA, (1999).
- Kotz, J., Treichel, P., Townsend, J. Chemistry and Chemical Reactivity. 8th ed. Brooks/Cole: Belmont, CA. (2012).
