Extraccion

Química Orgánica II Instituto Tecnológico de Celaya

EXTRACCIÓN

Introducción

La extracción es simplemente la separación de un componente de una mezcla o de una solución por medio de un disolvente. El proceso consiste en agitar una solución o una suspensión con un disolvente orgánico inmiscible y en dejar que los dos líquidos se separen. Los distintos solutos presentes se distribuyen en la capa orgánica o en la acuosa de acuerdo con sus solubilidades respectivas.

- Coeficientes de reparto

Los compuestos orgánicos como alcoholes, aldehídos, cetonas, ácidos, ésteres, aminas, etc., que forman puentes de hidrógeno con el agua suelen ser, por lo menos, parcialmente solubles en ella y también solubles en disolventes orgánicos. Para estos compuestos puede ser necesario efectuar repetidas extracciones para separar del agua la casi totalidad del compuesto. Cuando una solución acuosa de una sustancia se agita con un disolvente orgánico (O) en el que la sustancia es algo soluble, se disuelve parcialmente en dichos disolventes. De hecho, se distribuye entre el agua y el disolvente orgánico de forma que las concentraciones* en ambas capas de disolvente (Co y Cw) son directamente proporcionales a las solubilidades en los dos disolventes (So y Sw) a una temperatura dada. La relación de las concentraciones del soluto en los dos disolventes, una vez alcanzado el equilibrio, se denomina coeficiente de reparto o coeficiente de distribución, KD**.*Expresadas en peso de soluto por volumen de disolvente.**Si el soluto es completamente miscible con uno o con ambos disolventes, es evidente que no puede calcularse el coeficiente de reparto a base de los datos de las solubilidades. Sin embargo, se puede determinar experimentalmente por lo menos en disoluciones diluidas. Si las soluciones están concentradas puede ocurrir que sean miscibles las dos fases líquidas.

Por ejemplo, la solubilidad del ácido subérico sólido a 15º C es de 0.56 g por cada 100 ml de dietiléter y de 0.14 g por cada 100 ml de agua, lo cual significa que cuando el ácido subérico se distribuye entre los disolventes éter y agua a 15º C su concentración en la capa etérea será 0.56/0.14, es decir, cuatro veces mayor que en la capa acuosa, y el coeficiente de distribución vale KD=4.0. Si se extrae con 50 ml de éter una solución de 40.0 mg de ácido subérico en 50 ml de agua, el peso (x) de ácido subérico que pasará al éter puede calcularse así:

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En otras palabras, que una única extracción con 50 ml de éter separará 32 mg de ácido subérico y dejará 8 mg en la capa acuosa.En la práctica se puede resolver este problema a ojo, cuando se mezclan volúmenes iguales de disolvente el coeficiente de distribución se reduce a:

Aplicado al caso presente, esto significa que:

O sea, que cuatro quintas partes del ácido subérico total quedarán en la capa etérea y un quinto en la capa acuosa.A partir de estas cifras queda de manifiesto que se puede separar el ácido subérico de cualquier impureza que lo contamine y que sea insoluble en éter por repetidas extracciones de sus disoluciones acuosas con éter. Cada uno puede convencerse por sí mismo y mediante cálculos inmediatos utilizando el coeficiente de reparto de que dos extracciones, empleando cada vez 25 ml de éter, son más eficaces que una única extracción con 50 ml. En general, la eficacia de una extracción, para un mismo volumen total del disolvente extractor, aumenta al hacerlo el número de extracciones independientes empleadas.Los disolventes orgánicos más importantes para extracciones son el benceno, éter, cloruro de metileno, cloroformo y tetracloruro de carbono.En esta experiencia de la extracción se empleará cloruro de metileno que tiene un punto de ebullición bajo (41º C) y que es un disolvente excelente no inflamable mejor que el dietiléter, que es muy inflamable.

Equipo y procedimiento operatorio

El aparato que se utiliza para llevar a cabo las extracciones es un embudo de separación que aparece representado. El tapón debe ajustar perfectamente a la boca sin que se salga en absoluto. Ambos deben lubrificarse con un poco de grasa antes de su empleo. La operación de engrase no es necesaria si el tapón fuese de teflón.Cuando haga una extracción sujete siempre el embudo con firmeza mediante ambas manos, una en el tapón de forma que éste descanse en el dedo índice y la otra junto a la llave para abrirla y cerrarla fácilmente. Invierta el tapón e inmediatamente abra la llave para dejar que



se iguale la presión interior con el exterior. Agite suavemente durante uno o dos segundos y abra de nuevo la llave. Cuando note que no se produce ninguna sobre presión en el interior del embudo, cierre la llave y agítelo fuertemente durante diez a quince segundo. Iguale de nuevo las presiones actuando sobre la llave, ciérrela perfectamente y coloque el embudo derecho en un aro de hierro provisto de trozos de tubo de goma cortado para protegerlo de roturas por golpes.Quite el tapón y deje que la mezcla se separe en dos capas bien definida. Tenga siempre puesto debajo del embudo de separación un vaso grande de manera que en caso de rotura accidental puede recogerse en él todo el contenido. Una vez separadas las capas, abra la llave para que desagüe la mayoría de la capa inferior: cierre la llave y haga girar e embudo suavemente para que caigan a la parte inferior las gotitas de la capa más pesada adheridas a las paredes. Saque entonces el resto de la capa inferior. Finalmente vierta la capa superior por la boca del embudo para que no se contamine. El número de extracciones necesarias en un caso determinado dependerá del coeficiente de distribución y de los volúmenes relativos de agua y disolvente. Puede comprobar si la extracción ha sido completa o no dejando evaporar una pequeña cantidad del último extracto y observando la cantidad de residuo. La saturación de la capa acuosa con al aumenta su densidad y además presenta otras dos ventajas: primera, ayuda a romper las molestas emulsiones que se forman en muchos casos, y segunda, disminuye la solubilidad de la mayoría de las sustancias orgánicas, solutos o disolventes como el éter, en la capa acuosa. Esto último se conoce como efecto salino.Las posiciones relativas de las capas acuosa y orgánica dependen de sus densidades respectivas. Cuando se efectúa una reacción nueva conviene guardar por separado las dos capas hasta haber aislado el producto final, momento en que se puede tirar la capa que no interesa y lavar todo el material.

Forma correcta de sujetar un embudo de separación

Extracción con ácido o con álcalis



Los compuestos orgánicos ácidos pueden extraerse de sus soluciones en disolventes orgánicos agitándolos con una solución acuosa de hidróxido de sódico al 5 o al 10 por 100. Los ácidos orgánicos se convierten así en sus sales sódicas que son solubles en agua. El ácido clorhídrico diluido cumple una finalidad similar para extraer bases de sus soluciones en disolventes orgánicos, pues convierte la sustancia básica (amoniaco o una amina orgánica, R3N)* en un hidrocloruro soluble en agua (R3NH+, Cl-). Los hidrocloruros de las aminas revierten a las aminas por adición de solución de hidróxido de sódico. * R puede ser un átomo de hidrógeno o grupo alquilo.

Procedimiento

Material Reactivos

2 pipetas de 10 ml 1 gradilla 1 espátula doble con cuchara 1 propipeta 1 Embudo de separación de 60 ml

(tipo squibb) con tapón y llave de vidrio

1 embudo de separación de 125 ml con tapón de vidrio y llave de teflón

1 anillo

2 matraz erlenmeyer de 25 ml con tapón de neopreno

4 tubos de ensaye de 16x150 ml con tapón de baquelita

12 ml de solución de violeta de cristal

12 ml de cloroformo 25 ml de mezcla de extracción (0.4 g

Anilina, 0.4 g Ácido benzoico, 0.4 g p-Diclorobenceno; disueltos en 25 ml de cloruro de metileno)

3 ml hidróxido sódico al 10% Gotas de HCl concentrado 18 ml HCl 20% Gotas de NaOH 20% 2 ml alcohol etílico 2 g carbonato potásico 2 ml dietiléter 5 g cloruro sódico 10 g hojas de té acetato de plomo al 10% 25 ml cloroformo

A. Extracción de violeta de cristal

1. Extracción simple

Pida 12 ml de una solución de violeta de cristal que haya sido preparada disolviendo no más de 2 mg del colorante sólido por cada litro de agua. Divida ese volumen en dos partes de 6 ml. Coloque un embudo de separación limpio, seco y lubrificado en un aro y vierta en él (con la llave cerrada) una porción de 6 ml de solución de violeta de cristal y 6 ml de cloroformo. Ponga de forma adecuada el tapón en el embudo, invierta éste y abra la llave para eliminar la sobrepresión. Cierre la llave, agite el embudo suavemente durante diez a quince segundos y abra de nuevo la llave para eliminar la sobre presión.Repita este proceso hasta que no se acumule sobrepresión en el embudo durante el periodo de agitación. Entonces, cierre la llave, agite fuertemente durante un minuto y deje, por fin, el embudo derecho en un aro. Quite el tapón del extremo superior y permita que la mezcla



se separe en dos capas nítidas. (El proceso puede durar varios minutos, por lo tanto, puede emplearlos para realizar la parte B de esta experiencia).Pase la capa clorofórmica (inferior) a un tubo de ensayo y vierta la capa acuosa a través de la boca del embudo en un segundo tubo. Tape ambos tubos y guárdelos para una comparación posterior.

2.- Extracción múltiple

Extraiga la segunda porción (6 ml) de la solución inicial de violeta de cristal con tres porciones independientes de 2 ml de cloroformo. Una los tres extractos clorofórmicos en un tercer tubo de ensayo y pase la capa acuosa, vertiéndola por la boca del embudo, a un cuarto tubo. Compare ahora los tubos con las soluciones clorofórmicas y los que contienen las soluciones acuosas observando la intensidad del color en cada uno. Anote el resultado.

B. Extracciones mediante soluciones ácidas y básicas

Solicite al encargado del laboratorio una mezcla que contenga de 0.4g de cada una de estas tres sustancias: ácido benzoico (C6H5COOH), anilina (C6H5NH2) (que es un líquido básico) y p-diclorobenceno (C6H4Cl2) (que es neutra) disueltas en 25 ml de cloruro de metileno. Asegúrese de que la llave del embudo de separación está engrasada y de que el tapón ajusta bien. Cierre la llave y vierta en el embudo la mezcla para extracción. Añada 10 ml de agua destilada junto con 2 ml de disolución de hidróxido sódico al 10 por 100. Coloque el tapón adecuadamente, invierta el embudo y abra la llave para eliminar cualquier sobre presión en su interior. Cierre la llave y realice la extracción como se indicó en la parte A de esta experiencia. Una vez que haya agitado varias veces las capas de agua y de cloruro de metileno coloque el embudo derecho en el aro.

NOTA: El ácido benzoico forma una sal, benzoato sódico (C6H5COO-Na+), que es soluble en agua. Las otras dos sustancias continúan disueltas en la capa de cloruro de metileno. El ácido benzoico en sí es muy poco soluble en agua fría.

Pase la solución en cloruro de metileno (capa inferior) a un matraz erlenmeyer pequeño, con tapón (etiquételo como matraz1) y vierta la solución acuosa, por la boca del embudo, en otro matraz (matraz 2). Vuelva a echar en el embudo la solución en cloruro de metileno y agítelo con fuerza con 5 ml de agua que contenga además 1 ml de solución de hidróxido sódico al 10 por 100. Pase otra vez al matraz 1 la capa orgánica y combine la capa acuosa (extracto alcalino) con la primera porción en el matraz 2. Acidifique los extractos alcalinos combinados con ácido clorhídrico. ¿Cuál es la naturaleza química del sólido blanco que se precipita?.En este momento se han eliminado ya las sustancias de la capa de cloruro de metileno que son solubles en álcalis diluidos. Para realizar la extracción con una disolución ácida diluida vuelva a pasar la capa de cloruro de metileno al embudo de separación (con la llave cerrada) y agítela varias veces con 12 ml de solución de ácido clorhídrico al 20%. Se aconseja efectuar dos extracciones, para ello pase la capa orgánica una vez más al matraz 1 y vierta la capa acuosa en un matraz nuevo (matraz 3). Vuelva a poner en el embudo la capa orgánica y agítela bien con 6 ml de solución de ácido clorhídrico al 20%. Esta vez



pase la capa del cloruro de metileno a un matraz de destilación pequeño, para someterla a destilación. Combine el primer y segundo extractos ácidos y añada suficiente solución de hidróxido sódico al 10 por 100 para que dé reacción básica al papel tornasol. ¿Cuál es la composición química de las gotas aceitosas del líquido que se separa?

NOTA: La fórmula de la anilina (C6H5NH2), indica su relación estructural con el amoniaco, uno de cuyos átomos de hidrógeno ha sido sustituido por el grupo C6H5-(fenilo). La anilina, al igual que e amoniaco, forma con el ácido clorhídrico una sal soluble en agua que se denomina hidrocloruro de anilina si se formula así C6H5NH2+ HCl o cloruro de fenilamonio formulada C6H5NH3

+, Cl-

(cloruro de anilinio). La anilina en sí es ligerísimamente soluble en agua.

Monte el matraz de destilación para eliminar la mayoría del cloruro de metileno siguiendo el procedimiento que se recomendó para destilar pequeñas cantidades. Cuando solo queden 5 o 6 ml de líquido en el matraz de destilación, viértalos en un vaso pequeño. Caliente el vaso ligeramente para evaporar esta última parte del disolvente. Enfríe el vaso y examine el residuo: ¿Se parece al p-diclorobenceno en el aspecto y en el olor?. Determine su punto de fusión y haga también un punto de fusión mixto con una muestra pura de p-diclorobenceno. ¿Juzga usted ahora que las extracciones con soluciones ácidas o básicas constituyen un método eficaz para separar sustancias básicas, ácidas y neutras?.

C. El efecto salino

a) Alcohol etílico y agua

Disuelva 2 ml de alcohol etílico del 95 por 100 contenidos en un tubo de ensayo en 2 ml de agua. Añada unos 2 g de carbonato potásico; agite el tubo para disolver la sal y observe el resultado.

b) Éter y agua

Vierta 2 ml de dietiléter (que no haya llamas en las proximidades) en una probeta graduada de 50 o 100 ml y añada agua, agitando o sacudiendo la mezcla, hasta que se disuelva el éter. Añada de 5 g de cloruro sódico, agite bien la mezcla y anote el resultado.¿Encuentra usted algún motivo lógico para que se saturen con sal las soluciones de las que se quiere extraer un componente mediante un disolvente orgánico, como se hace corrientemente?

Informe:

1.- El cloroformo es un disolvente excelente para extraer la cafeína de sus soluciones en agua. El coeficiente de distribución KD



Para la cafeína en el sistema cloroformo-agua vale 10.¿Qué relación han de tener los volúmenes de cloroformo y de agua en una extracción para que con una sola operación se extraiga del agua el 90 por 100 de la cafeína?.

2.- Cuando se extrae una solución que contiene 4 g de ácido n-butírico en 100 ml de agua con 50 ml de benceno, a 15º C, pasan a la capa orgánica 2.4 g del ácido. ¿Cuánto vale el coeficiente de reparto del ácido n-butírico en benceno-agua a 15º C?

3.- Describa de una forma breve el efecto salino.

4.- Una solución acuosa contiene un soluto que ha de extraerse de la forma más completa posible con 30 ml de cloroformo. ¿Emplearía usted todo el cloroformo en una operación, o realizaría tres extracciones con porciones de 10 ml? Explique su elección.

5.- El coeficiente de reparto KD

De la aspirina (ácido acetilsalicílico) entre el éter y el agua a temperatura ambiente vale 3.5. ¿Qué peso de aspirina se extraerá mediante 60 m de agua a partir de una solución que contiene 5 g de aspirina en 100 ml de éter? Calcule el peso de aspirina que se extraería realizando tres extracciones con porciones de 20 ml de agua.

6.- ¿Qué volumen de éter hará falta para extraer en una única operación 0.95 g de aspirina de una solución que contiene 1 g de aspirina en 100 ml de agua?


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