Cristalizacion

Cristalización

La cristalización es la técnica más simple y efectiva para la purificación de sólidos. Los compuestos cristalinos son fáciles de manejar y su pureza se puede determinar fácilmente mediante la determinación de su punto de fusión.

El proceso de cristalización implica cinco etapas bien definidas: disolución, filtración, cristalización, recogida de los cristales y secado de éstos. Se determina entonces la pureza de los cristales, y si se necesita que estén más puros, se les somete a una recristalización, que consiste en volver a someterlos al mismo proceso, sólo que partiendo de un material mucho más puro.

En general, la cristalización consiste en disolver el sólido impuro en el mínimo volumen de un disolvente caliente, filtrando a continuación, si es necesario para eliminar las impurezas insolubles. La disolución resultante, saturada, juntamente con las impurezas solubles en el disolvente de cristalización, se deja reposar y enfriar lentamente, con lo que se formarán cristales. La disolución remanente del proceso de cristalización recibe el nombre de aguas madres.

El que la cristalización sirva como técnica de purificación tiene un fundamento, que de manera resumida consiste en lo siguiente. El proceso de cristalización es un equilibrio entre las moléculas en disolución y las que se incorporan a los cristales. Dado que la estructura cristalina está altamente ordenada, moléculas diferentes, como es el caso de las impurezas, no se incluyen en la estructura cristalina y vuelven a la disolución. Por ello, sólo las moléculas del compuesto requerido se retienen en la superficie de la red cristalina y las impurezas quedan en las aguas madres. Para que la cristalización tenga éxito, debe tener lugar lentamente para que los cristales se puedan formar con lentitud y pueda operar el equilibrio que excluye las moléculas de impurezas de la red cristalina. Si la disolución se enfría demasiado rápidamente, moléculas de impurezas quedarán atrapadas o incluidas en la red cristalina. La formación rápida de un material sólido de una disolución recibe el nombre de precipitación, y no tiene la misma efectividad que la cristalización como técnica de purificación.

Es importante hacer notar que la cristalización no funciona siempre. Las sustancias que tengan una gran cantidad de impurezas a menudo no cristalizan. En ese caso es necesario emplear alguna técnica de purificación preliminar.

Disolución del sólido a cristalizar

Para poder cristalizar un compuesto hay que disolver la sustancia en un disolvente adecuado. La primera condición que tiene que cumplir un disolvente de cristalización ideal es que no reaccione con el compuesto a cristalizar. Además, en general debe ser suficientemente volátil para que sea fácil de eliminar de los cristales, debe tener un punto de ebullición inferior al punto de fusión del compuesto a cristalizar, no ser tóxico y/o inflamable. Sin embargo, la condición más importante que debe cumplir un buen disolvente de cristalización es que el compuesto sea muy soluble en el disolvente caliente y muy poco soluble en el disolvente frío.

Cuando se trata de cristalizar compuestos conocidos, sabremos normalmente qué disolvente utilizar, dado que el procedimiento de la práctica lo especificará siempre. En otros casos, habrá que decidir cuál es el disolvente adecuado. La elección del disolvente no es un proceso siempre fácil, pero en general se suele seguir la regla de que "semejante disuelve a semejante". Por ello, para la cristalización de una sustancia poco polar podríamos intentar la cristalización con un disolvente poco polar, como hexano o tolueno. Se puede intentar cristalizar compuestos polares con disolventes polares, como el etanol o el agua. En cualquier caso, en estas prácticas el disolvente adecuado para llevar a cabo las cristalizaciones se indicará en cada procedimiento experimental.

Si una sustancia no se puede cristalizar fácilmente con un único disolvente, se suele recurrir al empleo de una mezcla de disolventes. En este caso, se utilizan dos disolventes elegidos de manera que uno de ellos disuelva el compuesto fácilmente (el llamado "buen disolvente"), mientras que el otro no (el llamado "mal Disolvente"). Por ejemplo, muchos compuestos de polaridad moderada son solubles en éter, pero no en hexano, y por ello se puede utilizar una mezcla de estos dos disolventes en la cristalización de uno de estos compuestos.

En principio se pueden utilizar dos métodos distintos en la cristalización de un compuesto de una mezcla de disolventes. En el primer método, se disuelve el sólido en la mínima cantidad del buen disolvente en caliente, y se añade entonces lentamente el mal disolvente caliente, hasta que la disolución comience a ponerse turbia, lo cual es indicio de que comienza a estar saturada. Se añaden unas gotas del buen disolvente para que desaparezca la turbidez (la mínima cantidad), se filtra entonces la disolución si es necesario y se deja cristalizar.

En el segundo método, mucho menos habitual, y que no emplearemos en estas prácticas, se suspende el sólido en una cantidad adecuada del mal disolvente en caliente, y entonces se añade el buen disolvente lentamente hasta que el sólido se disuelva, evitando añadir exceso del buen disolvente. Se filtra entonces la disolución si es necesario y se deja reposar. Mezclas típicas que funcionan bien en algunos casos son hexano-éter, diclorometano-hexano, éter-acetona y etanol-agua. El uso de una mezcla de disolventes favorece la formación de aceites en lugar de la cristalización, por lo que habitualmente se prefiere cristalizar de un único disolvente si es posible.

Filtración de la disolución

Habitualmente, una vez hemos disuelto el compuesto impuro en un disolvente caliente, la disolución ha de ser filtrada en caliente (ver sección correspondiente en el apartado de filtración) para eliminar materiales insolubles en suspensión, que pueden dificultar la cristalización. Con esta finalidad, se filtra la disolución mientras está caliente a través de un filtro de papel plegado, recogiendo el filtrado en un matraz Erlenmeyer.

Cuando se ha filtrado la disolución caliente, se tapa el matraz Erlenmeyer para evitar contaminación con el polvo atmosférico y que se enfríe demasiado rápidamente. La velocidad de enfriamiento determina el tamaño de los cristales. El enfriamiento lento favorece la formación de cristales grandes. No se debe agitar la disolución (ni tampoco coger el matraz en que se produce la cristalización), para no impedir la formación de cristales grandes. Una vez la disolución se ha enfriado hasta temperatura ambiente, en algunos casos (el profesor lo indicará) puede ser una buena idea el enfriar la disolución desde temperatura ambiente hasta 0 ºC poniendo el matraz en un baño de hielo, lo cual permite obtener la mayor cantidad posible de cristales.

Cuando la disolución ya está fría, se procede a separar los cristales de las aguas madres. Se suele emplear una filtración a vacío con este fin. Después de la filtración, y con la finalidad de eliminar las aguas madres que impregnan los cristales, es conveniente lavar los cristales con pequeñas porciones del disolvente de cristalización frío. Si se ha utilizado una mezcla de disolventes en la cristalización, se debe emplear una mezcla de esos disolventes en la misma proporción en los lavados.

Cuando los cristales ya han sido separados de las aguas madres, se procede a su secado. Aunque se pueden emplear varias técnicas con esta finalidad, suele ser suficiente envolverlos en papel de filtro y dejarlos en un lugar adecuado (preguntar al profesor) hasta la siguiente sesión de prácticas. La determinación del punto de fusión se debe llevar a cabo con los cristales perfectamente secos. De lo contrario, la presencia de disolvente falsearía el resultado.

En algunos casos la disolución del compuesto orgánico está fuertemente coloreada, debido a la presencia de impurezas. Si al cristalizar el producto las impurezas quedan en disolución no hay ningún problema, pero es bastante frecuente que las impurezas coloreadas contaminen los cristales para dar un compuesto coloreado, impuro. Para evitar este inconveniente se puede utilizar una técnica que hace uso de la ventaja que proporciona el hecho de que esas impurezas sean adsorbidas fácilmente por un adsorbente como el carbón activo. Para eliminar el color de una disolución, se suele añadir una pequeña cantidad de carbón activo (alrededor del 2% del peso de la muestra a cristalizar) a la disolución caliente (pero no hirviendo) a decolorar. Si la disolución está a una temperatura cercana al punto de ebullición, la adición del carbón activo la puede hacer hervir, con el consiguiente peligro de pérdidas por derramamiento. Después de la adición se continúa calentando la disolución durante unos 5-10 minutos con agitación ocasional. En el transcurso de ese tiempo las impurezas se habrán adsorbido de forma prácticamente irreversible sobre la superficie del carbón activo, por lo que la simple filtración en caliente de la disolución suele dejar la disolución incolora. A veces es necesario emplear un papel de filtro doble para evitar que el carbón activo atraviese el filtro.

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