Purificación De sólidos

Purificación de sólidos

Los compuestos químicos que son sólidos a temperatura ambiente generalmente se purifican por cristalización. La esencia del proceso consiste en disolver el material a purificar en un disolvente caliente y luego enfriar la disolución lentamente. La solubilidad del material disuelto va disminuyendo a medida que baja la temperatura y se va separando de la solución con el paso del tiempo. Los químicos llaman al proceso cristalización si ocurre lentamente, y le llaman precipitación cuando es rápido. Cuando la cristalización se produce desde una solución en equilibrio se obtiene un material muy puro.

Inicialmente se forman cristales muy pequeños conocidos como "semilla" los que van creciendo lentamente por capas de forma reversible "capturando" las moléculas adecuadas de la solución, pero si la red cristalina se forma muy rápido, también se "atrapan" moléculas de las impurezas en la red de forma que debe tratarse siempre de cristalizar de forma muy lenta para lograr purificar la sustancia que se quiere. Para lograr la purificación por cristalización es muy importante conocer algo de la teoría de la solubilidad.

La solubilidad es variable

Decir que un soluto tiene determinada solubilidad no es toda la historia, por ejemplo, si usted dice: "el azúcar de mesa (sacarosa) tiene una solubilidad de 190.5 g en 100 g de agua" ha brindado una información aun inútil, solo ha dado el "nombre" de la cuestión, a ese nombre le falta el "apellido". Si, así mismo, está incompleta la magnitud de la solubilidad en agua si no se dice la temperatura a la que se ha medido esa solubilidad, de manera que lo correcto es decir "el azúcar de mesa (sacarosa) tiene una solubilidad de 190.5 g en 100 g de agua a 10°C" y con ello estamos definiendo con exactitud la máxima cantidad de sacarosa que se disuelve en 100 g de agua en una situación particular de temperatura. De no hacerlo estamos cometiendo un error de gran magnitud ya que, por ejemplo, 100 g de agua a 90°C pueden disolver 420.0 g de sacarosa ¡mas del doble!

Influencia de la temperatura

Bueno, de lo descrito arriba se puede concluir que la solubilidad aumenta al aumentar la temperatura del solvente, y esto es cierto para la mayoría de los sólidos, decimos "mayoría" porque hay excepciones como puede verse en la figura 1 abajo donde se muestra la solubilidad de algunas sustancias en agua de acuerdo a la temperatura.

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Figura 1. Solubilidad en agua de algunas sustancias

El aumento de la solubilidad no es igual para todas las sustancias; observe que el aumento de esta con la temperatura es muy poca para cloruro de sodio (NaCl), al contrario, el aceato de sodio (CH3CO2Na) sufre un incremento muy pronunciado, y con comportamiento excepcional está el sulfato de cerio Ce2(SO4)3 cuya solubilidad desciende con el aumento de la temperatura. Note que en el gráfico la solubilidad se expresa como la relación entre unidades de masa (g de soluto/100 g de solvente). Pero también en la práctica es común que se use en forma de unidades de masa/unidades de volumen, por ejemplo, g de soluto/100 ml de solvente.

La única forma segura de determinar el comportamiento de la solubilidad de una sustancia cualquiera cuando cambia la temperatura es en forma experimental y como regla general:

La solubilidad de sólidos en líquidos aumenta con el aumento de la temperatura

Preparando la solución

La primera cuestión a tener en cuenta para hacer una buena cristalización es la utilización de un disolvente adecuado, idealmente un buen disolvente (o mezclas de disolventes) es aquel en el que la sustancia a purificar es poco soluble a bajas temperaturas pero muy soluble si la temperatura sube cerca del punto de ebullición. Si la solubilidad es poco variable en relación a la temperatura del disolvente poco se podrá logra al calentar para disolver y enfriar para cristalizar y esto es fácil de entender. Contrariamente si la solubilidad es muy alta en el disolvente caliente la cantidad de soluto que puede utilizarse en estas condiciones es muy grande y durante el enfriamiento se producirá una abundante cristalización.

La solubilidad de sólidos en disolventes depende de la polaridad de ambos. Una regla general dice que "iguales disuelven iguales" de forma que si el soluto es muy polar se necesitará un disolvente muy polar para lograr una buena solubilidad; pero si el soluto es apolar se necesita un disolvente apolar.

Separación de sustancias por cristalización.

Como se mencionó arriba la posibilidad de la cristalización apropiada de una sustancia depende de su solubilidad en relación a la temperatura en cierto disolvente. Cuando la solubilidad de una sustancia considerada como impureza es casi igual entre la solución fría y caliente no se podrá llevar a cabo una purificación efectiva usando la cristalización. Un material podrá ser purificado efectivamente si ambas, sustancia deseada e impurezas tienen una solubilidad creciente y similar al aumentar la temperatura, y las impurezas solo representen una fracción del total de la mezcla. En este caso el material deseado cristalizará al enfriar pero las impurezas no

. Veamos un ejemplo:

Supongamos que tenemos 11 g de una mezcla de las sustancias A y B en la proporción 9 g de A y 2 g de B,

ambas se disuelven a razón de 1 g/100mL de disolvente a 10°C y 10 g/100mL a 100°C; y además que las solubilidad de cada una no se afecta por la presencia de la otra.

A temperatura normal (20°C) no se disolverá toda la mezcla cuando se usan 100 mL de disolvente (siempre es recomendable utilizar la cantidad menor suficiente de disolvente), pero si calentamos la solución parcial a 100°C se disolverán totalmente los 11 gramos ya que esa cantidad de disolvente es capaz de disolver 10 g de A y 10 de B a esa temperatura.

si enfriamos la solución a 20°C solo 1 g de cada soluto se mantendrán disueltos y habrán cristalizado 8 gramos de A (eran 9) y 1 de B (eran 2) quedando un remanente de 1 g de A y 1 de B en la solución "madre".

separamos los cristales formados de la solución madre y repetimos el proceso de cristalización tal y como se hizo anteriormente, los 9 gramos resultantes de la nueva mezcla se disolverán a 100°C,

volver a enfriar se repite el hecho de que quedan a 20°C, 1 g de cada una disueltas en la nueva solución madre. Y esto significa que tendremos

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