5.2C: Procedimientos paso a paso

Mangueras Condensador

El condensador es una pieza intrincada de cristalería, y permite que el agua fría circule a través del aparato de destilación. El agua circulante no se mezcla con la muestra a purificar, sino que pasa a través de otra camisa que rodea el tubo hueco por donde viaja la muestra gaseosa. Es importante que la camisa de agua esté llena de agua fría, para maximizar la eficiencia de condensación de la muestra gaseosa. Es por esta razón que las mangueras de agua deben estar unidas al condensador de cierta manera.

Una manguera debe conectarse desde la espita de agua al brazo inferior del condensador, obligando al agua a viajar contra la gravedad a través del condensador (esto se muestra correctamente en la Figura 5.17b). La manguera que conecta el brazo superior del condensador debe luego drenar al fregadero. Al forzar el agua cuesta arriba, llenará completamente el condensador. Las mangueras están conectadas incorrectamente en la Figura 5.17a, con agua fluyendo hacia la parte superior del brazo del condensador. Con un flujo de agua cuesta abajo, solo la porción inferior del condensador se llena con el agua circulante, lo que lleva a un enfriamiento ineficiente del gas que viaja a través del tubo interno.

Figura 5.17: a) Mangueras del condensador conectadas incorrectamente: observe que el agua no llena la camisa del condensador (como se indica con la flecha pequeña), b) Mangueras del condensador conectadas correctamente.

Si las mangueras del condensador apuntan hacia arriba o hacia abajo parece ser una elección personal, ya que hay pros y contras en ambas orientaciones. Cuando las mangueras apuntan hacia abajo, hay una pequeña porción del condensador que no se llena con agua de enfriamiento (Figura 5.18a), pero es probable que el efecto sea mínimo. Cuando las mangueras apuntan hacia arriba, a veces hay una tendencia a que las mangueras se doblen y salgan, rociando agua por todo el laboratorio (esto a veces se puede evitar asegurando el cable alrededor de las juntas de la manguera). Se puede aplicar un juicio personal sobre si las mangueras del condensador apuntan hacia arriba o hacia abajo.

Figura 5.18: a) Mangueras del condensador apuntadas hacia abajo:observe el pequeño bolsillo donde no circula el agua, b) Mangueras hacia arriba.

Procedimiento de destilación simple

En la Figura 5.19 se muestra un aparato de destilación simple ensamblado. El montaje de este complicado aparato se muestra en esta sección pieza por pieza. La cristalería utilizada para este aparato es bastante cara, y sin duda su instructor agradecería que se le cuide al utilizar este experimento. Un solo condensador cuesta $72, y un kit completo que contiene toda la cristalería necesaria para la destilación cuesta $550! \(^8\)

Figura 5.19: Aparato de destilación simple.

Figura 5.20: Los estudiantes de química orgánica realizan destilación.

Figura 5.21: a) Aparato de destilación dispuesto en la mesa de trabajo, b) Sujeción correcta del matraz de fondo redondo, c) Sujeción incorrecta.

Ensamble el aparato:

1. Para visualizar el ensamblaje del aparato, puede ser útil colocar primero la cristalería en la mesa antes de ensamblar las piezas (Figura 5.21a).
2. Vierte el líquido a destilar en un matraz de fondo redondo, tratando de evitar verter líquido sobre la junta de vidrio molido. Si el líquido cae sobre la articulación, límpielo con un KimWwipe. Alternativamente, use un embudo para asegurarse de que ningún líquido termine en la junta, lo que a veces puede hacer que la junta se congele.
   Idealmente, el matraz debe estar entre un tercio y medio lleno del líquido a destilar. Si el matraz está más de la mitad lleno, será difícil controlar el hervor. Si se llena menos de un tercio, la recuperación puede verse comprometida, ya que se requiere una cantidad de vapor para llenar el matraz que no destilará (esto se llama el "volumen de retención “, y posteriormente se condensa cuando se enfría el matraz).
3. Agregue algunas piedras hirviendo o barra de agitación magnética a la solución para evitar que se golpee durante el calentamiento.
4. Use una abrazadera de extensión metálica para asegurar el matraz de fondo redondo que contiene la muestra al soporte de anillo o celosía al menos 4 pulgadas por encima de la mesa (para dejar espacio para la fuente de calor). La abrazadera debe sujetar firmemente la junta debajo de la protuberancia de vidrio en el matraz (Figura 5.21b, no Figura 5.21c).

Figura 5.22: a) Frasco y adaptador de tres vías, b) Fijación de racor de goma al adaptador de termómetro, c) Forma correcta de insertar el termómetro, d) Forma incorrecta (el termómetro se romperá), e) Pieza de termómetro ensamblada.

5. Conecte un adaptador de tres vías (o “adaptador de destilación”) al matraz de fondo redondo (Figura 5.22a). [Si usa grasa según lo recomendado por su instructor, engrase ligeramente todas las juntas.]
6. Acople un racor de goma a la parte superior de un adaptador de termómetro (un tubo cilíndrico, Figura 5.22b) estirándolo sobre el vidrio. Luego inserte delicadamente un termómetro en el orificio del racor de goma.
   Nota de seguridad: Mientras inserta el termómetro, coloque las manos cerca de la articulación (Figura 5.22c), no lejos de la junta o puede romperse (Figura 5.22d). En la Figura 5.22e se muestra un adaptador de termómetro preparado con termómetro insertado.

Figura 5.23: a) Conexión de un clip de plástico para asegurar una junta, b) Sujeción incorrecta: no se debe usar un clip de plástico para conectar el matraz destilador al adaptador de tres vías (como se indica con la flecha), c) Posicionamiento correcto del termómetro en el adaptador de tres vías, d) Preparación del condensador.

7. Conecte el adaptador del termómetro al adaptador de tres vías, asegurando la junta con un clip de plástico (a veces llamado "clip Keck “, el clip amarillo en la Figura 5.23a). El clip es direccional, y si no se ajusta fácilmente, probablemente esté al revés. Verifique que el clip no esté roto, y si lo está, reemplácelo.
   No se debe usar un clip de plástico para conectar el matraz de fondo redondo al adaptador de tres vías (Figura 5.23b) por dos razones. Primero, esta es una de las partes más calientes del aparato, y podría hacer que el plástico se derrita (especialmente si el compuesto tiene un punto de ebullición alto o se usa una fuente de calor fuerte). En segundo lugar, un clip de plástico en esta ubicación interfiere con un agarre seguro por la abrazadera de extensión metálica. Es necesaria una abrazadera segura en el matraz para mantener la integridad del sistema mientras se baja la fuente de calor al final de la destilación.
8. Ajusta el termómetro para que la bombilla quede justo debajo del brazo del adaptador (Figura 5.23c). Si la bombilla se coloca demasiado alta, no registrará la temperatura correcta de los vapores ya que hacen su giro hacia el condensador.
9. Prepare el condensador: inspeccione dos mangueras de goma y corte cualquier sección agrietada en la goma con tijeras. Humedezca los extremos de dos mangueras usando el grifo o sumergiéndolo en un vaso de precipitados con agua, luego gire los extremos húmedos de los dos brazos en el condensador. Las mangueras deben encajar en los brazos del condensador a más de un centímetro o de lo contrario la presión del agua puede hacer que se salgan.
10. Use otra abrazadera para asegurar el condensador al soporte del anillo o celosía (no tan apretado o puede agrietarse), y coloque el condensador aproximadamente en la ubicación en la que eventualmente estará, con un ligero ángulo hacia abajo (Figura 5.23d).

Figura 5.24: a) Conexión del condensador al adaptador de tres vías (con flecha apuntando a la junta que necesita ser muy segura por razones de seguridad), b) Asegurar las mangueras de agua al fregadero con cinta de laboratorio, c) Fijación del adaptador de vacío y matraz receptor.

11. Conectar el condensador al resto del aparato (Figura 5.24a); esta es probablemente la parte más difícil de todo el conjunto de destilación. Mientras mantiene el brazo de la abrazadera conectado al condensador, afloje ligeramente el accesorio de la abrazadera al soporte del anillo o celosía para que pueda girar en todas las direcciones. Luego mueva el condensador hacia el adaptador de tres vías, sujetándolo a la abrazadera cerca del soporte del anillo. Cuando las dos juntas se conecten en una combinación perfecta, asegúrelas con un clip de plástico (¡no debe romperse!) , luego apriete las abrazaderas unidas al soporte del anillo.
12. Ajustar las abrazaderas y la altura del condensador para que el termómetro quede perfectamente vertical en el aparato. Un aparato de destilación inclinada a veces refluye en lugar de destilar (donde el gas se condensa y gotea de nuevo en el matraz de destilación).
    Nota de seguridad: Asegúrese de que existe una conexión segura entre el matraz de destilación y el adaptador de tres vías (como se indica en la Figura 5.24a). Esta conexión puede ser forzada por una fuerte retención en el condensador. Si hay una abertura entre el matraz de destilación y el adaptador, los vapores pueden escapar. Al estar tan cerca de la fuente de calor, los vapores tienen el mayor potencial para encenderse en esta ubicación.
13. Conecte la manguera de goma unida al brazo inferior del condensador a la espita de agua y permita que la manguera unida a la parte superior del brazo del condensador drene al fregadero. Las mangueras pueden apuntar hacia arriba o hacia abajo. Si la manguera de drenaje apenas llega al fregadero, asegúrela con cinta de laboratorio (Figura 5.24b) para que no rocíe por toda la mesa.
14. Conecte un adaptador de vacío al extremo del condensador con un clip de plástico. Luego use otro clip para conectar un matraz de fondo redondo (matraz receptor) que tenga suficiente volumen para simplemente contener la cantidad de destilado esperado (Figura 5.24c). Las variaciones en los matraces receptores se muestran en una sección posterior.
15. En la Figura 5.25 se muestra un aparato de destilación terminado. Ninguna pieza debe poder sacudirse o no se sujetan adecuadamente. Aunque puede parecer un sistema cerrado (que sería peligroso calentar), el sistema en realidad está abierto a la atmósfera en el brazo en el adaptador de vacío.

Figura 5.25: Configuración de destilación simple completada.

16. Prepare la fuente de calor debajo del matraz:
    1. Los mantos calefactores, los baños de aceite y las pistolas de calor son fuentes de calor recomendadas para la destilación. Los quemadores Bunsen no se recomiendan para su uso con compuestos orgánicos volátiles, pero pueden ser utilizados en algunas situaciones a discreción del instructor.
    2. Colocar la fuente de calor debajo del matraz, utilizando una plataforma ajustable que permita algún mecanismo mediante el cual el calor pueda bajarse y retirarse al final de la destilación. Una abrazadera de anillo y una plataforma de malla de alambre son una buena manera de sostener un manto calefactor o un baño de aceite debajo del matraz.

Comenzar a destilar

17. Cuando esté listo para comenzar la destilación, comience a circular agua en el condensador. El flujo de agua debe ser más que un goteo, pero no debe ser tan fuerte que la manguera se desplome por la alta presión del agua.
18. Dado que es tan importante, verifique una vez más que exista una conexión segura entre el matraz destilador y el adaptador de tres vías (como se indica en la Figura 5.26). Si hay una grieta entre el matraz de destilación y el adaptador, ¡los vapores pueden escapar del aparato y posiblemente encenderse!

Figura 5.26: Destilación activa. La flecha indica la articulación que necesita ser segura para evitar incendios.

19. Comience a calentar el matraz. Dependiendo del tamaño del matraz y la temperatura necesaria, el líquido puede comenzar a hervir entre 1-20 minutos. Eventualmente se verá condensación en los lados del matraz, pero la lectura en el termómetro no aumentará hasta que los vapores sumerjan la bombilla del termómetro. No es raro que el líquido hierva mientras el termómetro permanece a temperatura ambiente.
20. Eventualmente se debe ver condensación en el adaptador de tres vías, y la temperatura del termómetro aumentará. No todos los compuestos producen gotitas obvias (como en la Figura 5.26), pero la condensación puede verse mediante una inspección minuciosa y un movimiento sutil cerca del termómetro.
    Nota de seguridad: Si el punto de ebullición del compuesto es\(> 75^\text{o} \text{C}\), ¡el adaptador de tres vías estará caliente al tacto!
21. Eventualmente se puede ver una gotita viajando a lo largo del condensador y el líquido comenzará a acumularse en el matraz receptor. Una destilación apropiada recoge destilado a una velocidad de 1 gota por segundo. La destilación a una velocidad demasiado rápida evita el equilibrio adecuado entre las fases líquida y gaseosa, y resulta en una separación deficiente.
    Si bien es necesaria una destilación lenta, calentar la solución de tal manera que nada gotee en el matraz receptor simplemente desperdicia tiempo. No hay razón para calentar tan poco a poco que nada destila.

Figura 5.27: Ascensión gradual del anillo de vapor (apuntado con una flecha en cada progresión), para sumergir el termómetro. Nota: no todos los compuestos se comportan de esta manera.

Registrar la temperatura y la presión

22. Presta atención a la temperatura en el termómetro durante todo el tiempo que el líquido está destilando. Registre la temperatura cuando se haya estabilizado, o la temperatura más alta observada. Si sabe que una mezcla se está destilando, registre el rango de temperatura sobre el cual el líquido está goteando activamente en el matraz receptor.
    La bombilla del termómetro debe estar completamente sumergida en vapores para registrar una temperatura precisa (Figura 5.27d). Por lo tanto, la temperatura cercana al principio y al final de la destilación tiende a ser inexacta. Sólo registrar temperaturas que correspondan a destilación activa e inmersión total del termómetro con vapor.
23. Como los puntos de ebullición son tan dependientes de la temperatura, también registran la presión barométrica.

Detener la destilación

24. Cese la destilación cuando se lleve a cabo una de las siguientes acciones:
    1. Si el líquido está casi desaparecido en el matraz de destilación.
       Nota de seguridad: No es seguro destilar un matraz a sequedad ya que las reacciones secundarias pueden ocurrir cuando se concentran los componentes. Esto es especialmente peligroso con compuestos que pueden formar peróxidos,\(^9\) ya que estos pueden volverse explosivos al reaccionar con soluciones concentradas. Adicionalmente, cuando toda la muestra está en fase gaseosa, el sistema ya no está restringido al punto de ebullición del líquido y puede alcanzar temperaturas peligrosas.
    2. Si la temperatura del termómetro fue mayor durante la destilación pero ha bajado significativamente. Esto normalmente corresponde a una tregua entre la destilación de dos componentes, y significa que un componente ha completado esencialmente la destilación.
    3. Si la temperatura del termómetro tiene un pico dramático. Esto normalmente corresponde al inicio de la destilación de un componente de mayor punto de ebullición, y contaminaría el destilado si se dejara continuar.
    4. Si ocurre algo sorprendente o inusual, como humo espeso, oscurecimiento/espesamiento en el matraz de destilación o golpes incontrolables.
25. Para detener la destilación, baje y retire la fuente de calor del matraz de fondo redondo (Figura 5.28a).

Figura 5.28: a) Elevación del matraz para que se enfríe, b) Enfriamiento en un baño de agua del grifo.

26. Mantenga el agua circulando en el condensador hasta que el líquido en el matraz de destilación esté apenas caliente al tacto, luego apague el agua del condensador y desmonte el aparato. Después de unos minutos de enfriamiento por aire, el enfriamiento del matraz puede acelerarse por inmersión con un recipiente de agua del grifo (Figura 5.28b).

Resumen de destilación simple

Figura 5.29: Aparato de destilación simple.

Cuadro 5.6: Resumen procesal de destilación simple.

Puntas de montaje Llenar el matraz de destilación con la muestra 1/3-1/2 llena. Siempre use una abrazadera de extensión en el matraz de destilación. Agrega unas piedras hirviendo o una barra de revolver al matraz. Coloque la bombilla del termómetro justo debajo del brazo del adaptador de tres vías, donde los vapores giran hacia el condensador.

Moje las mangueras del condensador con agua antes de colocarlos. Conecte las mangueras del condensador de manera que el agua fluya cuesta arriba: lleve el agua del grifo al brazo inferior y drene la parte superior del brazo. Asegúrese de que todas las conexiones sean seguras (especialmente entre el matraz de destilación y el adaptador de 3 vías: ¡potencial de incendio!)

Comenzar destilación Encienda el agua del condensador. Aplicar la fuente de calor al matraz de destilación. Recoger destilado a una velocidad de 1 gota por segundo. Registre la temperatura donde el líquido se destila activamente y se sumerja la bombilla del termómetro. Registrar la presión.

Cese la destilación Detenga la destilación cuando la temperatura cambie drásticamente o si el matraz de destilación está casi vacío (¡nunca destila a sequedad!) Baje y retire la fuente de calor, pero mantenga el agua circulando hasta que el matraz esté apenas caliente al tacto.

Variaciones

Algunas variaciones de la configuración de destilación simple se encuentran comúnmente:

1. Cuando se desea cierto volumen de destilado, el destilado puede recogerse directamente en un cilindro graduado (Figura 5.30a). Este método permite que los cilindros se intercambien fácilmente, quizás para el análisis de diferentes fracciones de destilado.
2. El matraz receptor a veces se sumerge en un baño de hielo (Figura 5.30b), particularmente cuando el destilado es volátil (tiene un punto de ebullición\(< 100^\text{o} \text{C}\)). Cualquier recipiente puede ser utilizado para el baño de hielo. Asegúrese de usar una combinación de hielo y agua en el baño, ya que el hielo solo no tiene tan buen contacto con el matraz como una suspensión de agua helada.

Figura 5.30: a) Destilación con matraz receptor de cilindro graduado, b) Destilación con matraz receptor sumergido en un baño de hielo, c) Destilación usando un adaptador Claisen, d) Acoplamiento de un tubo de secado.

3. Se puede insertar un adaptador Claisen (Figura 5.30c) entre el matraz de fondo redondo y el adaptador de tres vías en anticipación de la formación de espuma o golpes. El adaptador Claisen actúa como tampón para que la actividad incontrolada en el matraz de destilación no se traslada inmediatamente al matraz receptor. Si la solución hace espuma, el adaptador Claisen proporciona tiempo para ajustar el calor sin arruinar el destilado. Un adaptador Claisen también permite potencialmente más eventos de vaporización-condensación (o placas teóricas).
4. Para la destilación de materiales sensibles al agua, la cristalería se puede secar al horno o a la llama, y se puede conectar un tubo de secado al adaptador de vacío (Figura 5.30d).

Solución de problemas

Hervir, pero la temperatura no está subiendo/Cómo aislar

No es raro que los nuevos estudiantes de química orgánica esperen que la temperatura suba en el termómetro en el mismo momento en que se ve la ebullición en el matraz de destilación. Los alumnos deben recordar que el termómetro mide la temperatura en la ubicación de la bombilla, que está a una distancia del líquido hirviendo. Por lo tanto, cuando una solución comienza a hervir, aún puede tomar un tiempo para que el termómetro registre cualquier otra cosa que no sea la temperatura ambiente.

Es importante registrar una temperatura solo cuando la bombilla del termómetro está completamente envuelta por vapores. La Figura 5.31a muestra una solución que está hirviendo pero que aún no destila; la temperatura en este punto no representaría el punto de ebullición del líquido. La Figura 5.31b muestra una solución que destila activamente, y observe que el bulbo del termómetro está completamente envuelto en vapores y condensación; la temperatura en este punto correspondería al punto de ebullición de la solución.

Figura 5.31: a) Antes de que la solución esté destilando activamente, b) Destilación activa de la solución donde el termómetro está registrando los vapores.

Para los líquidos de alto punto de ebullición, puede ser difícil que los vapores lleguen al condensador ya que son enfriados demasiado rápido por la cristalería que está en contacto con el aire de la habitación. Puede ser útil aislar el matraz de destilación y el adaptador de tres vías para retener mejor el calor y permitir que la muestra permanezca en la fase gaseosa por más tiempo.

Para aislar una porción de la destilación, envuelva las partes antes del condensador con lana de vidrio (Figura 5.32c), luego asegúrelas con una envoltura exterior de papel de aluminio (Figura 5.32d). Se puede dejar un pequeño hueco en el aislamiento para “echar un vistazo” a la actividad dentro del aparato. La lana de vidrio tiene un aspecto similar al algodón, pero a diferencia del algodón no es inflamable por lo que es útil como material aislante cuando se va a calentar un aparato. La lana de vidrio viene en dos formas: una forma fibrosa y una forma algodonosa. La forma fibrosa (Figura 5.32a) tiene fibras diminutas que pueden incrustarse en la piel de la manera más dolorosa, similar a varios cortes de papel simultáneos. Este tipo de lana de vidrio no debe manipularse con las manos desnudas, sino solo cuando se usan guantes gruesos. La lana de vidrio más parecida al algodón (Figura 5.32b), sin embargo, no duele cuando se maneja con las manos desnudas.

Figura 5.32: a) Lana de vidrio fibrosa, b) Lana de vidrio similar al algodón, c) Frasco envolvente y adaptador de tres vías con lana de vidrio, d) Lámina sobre la parte superior de lana de vidrio.

Si la lana de vidrio no está disponible, se puede usar papel de aluminio solo para aislar una porción de la destilación. No aislará bien si la lámina está envuelta demasiado apretada al vidrio, pero funciona bien si se permite una pequeña bolsa de aire entre la lámina y el vidrio.

Si el punto de ebullición esperado del compuesto a destilar es bastante alto\(\left( > 150^\text{o} \text{C} \right)\) y la destilación continúa siendo difícil, se podría intentar la destilación al vacío.

El vapor se escapa del adaptador de vacío

Si se nota que el vapor se escapa del adaptador de vacío como una tetera, el condensador no está haciendo un trabajo lo suficientemente bueno al atrapar el gas (Figura 5.33). Las razones de esto pueden ser que te has olvidado de encender el agua en el condensador, la corriente de agua es demasiado débil, o la calefacción es demasiado vigorosa.

Figura 5.33: Vapor que escapa del adaptador de vacío.

\(^8\)Los precios se encontraron en el catálogo de Chemglass en marzo de 2016.

\(^9\)Se sabe que ciertos compuestos (por ejemplo, éteres, dioxanos, tetrahidrofurano) forman peróxidos cuando se dejan en contacto con el aire durante un período de tiempo. Sin embargo, muchos compuestos son algo susceptibles a la formación de peróxido, incluyendo compuestos con átomos de hidrógeno alílicos (por ejemplo, ciclohexeno). Un listado más completo de compuestos que forman peróxidos se puede encontrar en: Handbook of Chemistry and Physics, CRC Press, 84\(^\text{th}\) edición, 2003-2004, 16-6.