6.1D: Procedimientos paso a paso para determinar el punto de fusión

Hay una variedad de métodos mediante los cuales se puede medir el punto de fusión de una muestra, siendo la más reciente las sondas eléctricas (por ejemplo, Vernier MeltStation). En esta sección se presentan métodos tradicionales que utilizan un aparato eléctrico de punto de fusión y tubo Thiele. Ambos métodos utilizan muestras capilares que se preparan de la misma manera.

Preparación de Muestras

Figura 6.10: a) Depositar la muestra en el extremo abierto de un tubo capilar, b) Invertir y golpear el tubo en la mesa de trabajo, c) Dejar caer la muestra a través de un tubo largo, d) Altura correcta de la muestra en el tubo.

1. Obtener un tubo capilar de punto de fusión de vidrio, que tiene un extremo sellado y el otro extremo abierto. Pincha el extremo abierto del tubo en una pila del sólido a analizar (Figura 6.10a). El sólido debe estar seco o los resultados se verán afectados ya que el disolvente puede actuar como impureza y afectar el rango de fusión. Si el sólido es granular, pulverizar el sólido un poco antes de empaquetar.
2. Invierta el tubo capilar y golpee suavemente el tubo en la mesa de trabajo para hacer que el sólido caiga al extremo cerrado (Figura 6.10b). Luego, deje caer el tubo capilar con el lado cerrado varias veces hacia abajo a través de un tubo largo y estrecho (tubo de vidrio o tubo de PVC cortado, Figura 6.10 c). El tubo capilar rebotará cuando golpee la mesa de trabajo y empacará el sólido en la parte inferior del tubo. No empacar el pozo sólido puede hacer que se contraiga al calentarlo, lo que puede causar confusión en cuanto a la temperatura de fusión correcta.
3. Si es necesario, repita los pasos anteriores para cargar la muestra hasta que esté a una altura de\(2\) -\(3 \: \text{mm}\) en el tubo (cuando se empaqueta, Figura 6.10d). Es importante que la muestra no sea superior\(3 \: \text{mm}\) o que el rango de fusión sea artificialmente amplio.

Aparato de punto de fusión

Figura 6.11: a) Inserción de muestra capilar en el aparato de punto de fusión, b) Ajuste de la velocidad de calentamiento, c) Monitoreo de la muestra a través del visor, d) Enfriamiento del aparato.

1. Inserte el tubo capilar que contiene la muestra en una ranura detrás del visor de un aparato de punto de fusión (Figura 6.11a). Por lo general, hay tres ranuras en cada aparato, y se pueden tomar múltiples puntos de fusión simultáneamente después de adquirir experiencia con la técnica.
2. Encienda el aparato y ajuste el ajuste a una velocidad de calentamiento adecuada (Figura 6.11b). La velocidad de calentamiento suele ser experimental y debe ajustarse mediante un cuidadoso monitoreo del termómetro en el aparato.
3. Mire a través del visor (Figura 6.11c) para ver una vista ampliada de la muestra en el aparato, que debe ser iluminada.
4. Si se conoce el punto de fusión esperado del compuesto, calentar a una velocidad media hasta por\(20^\text{o} \text{C}\) debajo del punto de fusión esperado, luego disminuir la velocidad de calentamiento de tal manera que la temperatura no aumente más que \(1^\text{o} \text{C}\)cada 30 segundos (es decir, muy lentamente).
   La temperatura debe ser incremental a medida que se acerca el punto de fusión para que el sistema pueda alcanzar el equilibrio, haciendo que la temperatura del termómetro sea un indicador preciso de la verdadera temperatura del sólido.
5. Si NO se conoce el punto de fusión esperado del compuesto, calentar la muestra a una velocidad media todo el tiempo y determinar un punto de fusión aproximado. Repita el proceso con una muestra fresca después de permitir que el aparato se enfríe y use las recomendaciones en el prompt 4 para realizar una evaluación más cuidadosa del punto de fusión.
   Una muestra fresca es necesaria para un segundo ensayo de punto de fusión; aunque la primera muestra se solidifique después del enfriamiento, no se debe volver a usar. Las diferencias en la estructura cristalina entre el sólido original y el sólido previamente fundido podrían conducir a diferentes rangos de fusión.

Figura 6.12: a) Monitoreo de la muestra mirando a través del visor, b) Fusión inicial de una muestra, c) Midway, d) Muestra mayormente fundida.

6. El sólido puede estar acercándose a su punto de fusión si se ve que el sólido se aleja de las paredes del tubo para formar un cono de sólido (Figura 6.12b), que se denomina "sinterización”. La fusión normalmente ocurrirá dentro de unos pocos grados de este punto. El sólido también puede encogerse o compactarse antes de fundirse.

Figura 6.13: Fusión del ácido benzoico: a) Muy por debajo del punto de fusión, b) Brillo, c) Primera gotita de líquido vista, d) La muestra está completamente fundida. Se pueden ver imágenes adicionales para la fusión de esta muestra en la Figura 6.2.

7. Registrar la primera temperatura del rango de fusión con la aparición de la primera gota visible de líquido. Al principio puede parecer como si los lados del sólido resplandecieran (Figura 6.13b), y la temperatura debe registrarse cuando se ve una gotita en el costado o fondo del tubo (se notará un indicio de movimiento en el tubo, Figura 6.13c).
   Registrar la lectura de temperatura al grado más cercano. Aunque algunos termómetros pueden leer con mayor precisión, la transferencia de calor imperfecta entre el bloque metálico y la muestra deja el error mayor que\(0.1^\text{o} \text{C}\).
8. Registrar la segunda temperatura del rango de fusión cuando toda la muestra acaba de fundirse (Figura 6.13d), lo que ocurre cuando todas las porciones del sólido opaco se han convertido en un líquido transparente.
9. Las siguientes situaciones inusuales pueden ocurrir en el proceso:
   1. La muestra puede comenzar a oscurecerse, lo que indica que la descomposición se está produciendo antes de que la muestra se derrita. Tome nota de la temperatura de descomposición, ya que a veces es un punto de referencia tan confiable como el punto de fusión de un compuesto. Use la letra “d” después de un punto de fusión para indicar descomposición (por ejemplo,\(251^\text{o} \text{C}\) d).
   2. La muestra puede sublimarse en lugar de fundirse. La sublimación puede ser notada por un anillo de sólido por encima de donde se calienta la muestra. Toma nota de este comportamiento en tu cuaderno de laboratorio.
10. Si se va a realizar otro ensayo de punto de fusión directamente después del primero, el bloque metálico debe enfriarse rápidamente hasta al menos por\(20^\text{o} \text{C}\) debajo del siguiente punto de fusión tocándolo con toallas de papel húmedas (Figura 6.11d) o enfriándolo con un chorro de aire.

Figura 6.14: Los estudiantes de química orgánica determinan el punto de fusión de las muestras.

Método de tubo Thiele

Figura 6.15: a) Muestra capilar unida a un termómetro con una pequeña banda de goma, b) Colocación de la muestra en el tubo Thiele, c) Ubicación correcta de la muestra, con una flecha que indica la altura mínima del aceite mineral en el tubo, d) Calentamiento del tubo Thiele con un quemador, y flechas que muestran el aceite actual.

1. Obtener un tubo Thiele y sujetarlo a un soporte de anillo o celosía (Figura 6.15b). El tubo normalmente se llena con aceite mineral transparente, pero puede haberse oscurecido por la oxidación o derramado de compuestos. Si el aceite es bastante oscuro, debe ser reemplazado. El aceite debe llenarse hasta al menos\(1 \: \text{cm}\) más alto que el brazo triangular superior (se señala un nivel de aceite apropiado en la Figura 6.15c), y si es demasiado bajo el aceite no circulará según sea necesario (Figura 6.15d).
2. Inserte un termómetro en un tapón de goma de un orificio con una hendidura en un lado. Adjuntar la muestra capilar al termómetro con una diminuta banda de goma (como se indica en la Figura 6.15a). Estas diminutas bandas de goma a menudo se hacen cortando piezas de pequeños tubos de goma.
3. Coloque el tubo capilar de manera que la muestra sólida quede alineada con la mitad de la bombilla del termómetro (Figura 6.15a).
4. Colocar el tapón de goma y el conjunto del termómetro en el tubo Thiele, ajustando la altura para que la muestra quede a mitad de camino dentro del tubo (Figura 6.15c). La banda de goma debe ajustarse para que no quede sumergida en el aceite mineral, teniendo en cuenta que el aceite puede expandirse algo durante el calentamiento. El termómetro no debe tocar los lados del cristal, y si lo hace debe sujetarse de tal manera que ya no toque.
5. Calienta el aparato suavemente en el brazo lateral del tubo Thiele con un microquemador si está disponible o un quemador Bunsen usando un movimiento de ida y vuelta (Figura 6.15d). A medida que el aceite se calienta y se vuelve menos denso, se elevará y viajará por la porción triangular del tubo. El aceite más frío y denso se hundirá, creando así una corriente de aceite como se muestra en la Figura 6.15d. Este método es una excelente manera de calentar indirecta y lentamente la muestra.
6. Aunque las burbujas no deben verse en el tubo de Thiele a medida que se calienta, comúnmente se ven si el tubo se usa para otros fines (las burbujas se ven en la Figura 6.15d). Por ejemplo, los tubos Thiele se pueden utilizar para determinaciones del punto de ebullición, y en ocasiones una muestra cae en el aceite y lo contamina. Si el aceite no se cambia posteriormente, la muestra puede hervir cuando se calienta en el tubo. Si se ven burbujas al calentar un tubo Thiele, toda la configuración debe realizarse en la campana extractora.
7. Si se conoce el punto de fusión esperado del compuesto, calentar a una velocidad media hasta por\(20^\text{o} \text{C}\) debajo del punto de fusión esperado, luego disminuir la velocidad de calentamiento de tal manera que la temperatura no aumente más que \(1^\text{o} \text{C}\)cada 30 segundos (es decir, muy lentamente).
   La temperatura debe ser incremental a medida que se acerca el punto de fusión para que el sistema pueda alcanzar el equilibrio, haciendo que la temperatura del termómetro sea un indicador preciso de la verdadera temperatura del sólido.
8. Si NO se conoce el punto de fusión esperado del compuesto, calentar la muestra a una velocidad media todo el tiempo y determinar un punto de fusión aproximado. Repita el proceso con una muestra fresca después de permitir que el aceite se enfríe hasta al menos por\(20^\text{o} \text{C}\) debajo del punto de fusión anterior, y use las recomendaciones en el prompt 7 para realizar una evaluación más cuidadosa del punto de fusión.
   Una muestra fresca es necesaria para un segundo ensayo de punto de fusión; aunque la primera muestra se solidifique después del enfriamiento, no se debe volver a usar. Las diferencias en la estructura cristalina entre el sólido original y el sólido previamente fundido podrían conducir a diferentes rangos de fusión.

Figura 6.16: a) Muestra sólida dentro de un Tubo Thiele, como se indica con una flecha, b) Fusión inicial de la muestra, c) Midway, d) Muestra fundida.

9. Registrar la primera temperatura del rango de fusión con la aparición de la primera gota visible de líquido. Al principio puede parecer como si los lados del sólido resplandecieran (Figura 6.13b), y la temperatura debe registrarse cuando se ve una gotita en el costado o fondo del tubo (se notará un indicio de movimiento en el tubo, Figura 6.16b).
   Registrar la lectura de temperatura al grado más cercano. Aunque algunos termómetros pueden leer con mayor precisión, la transferencia de calor imperfecta entre el aceite y la muestra deja el error mayor que\(0.1^\text{o} \text{C}\).
10. Registrar la segunda temperatura del rango de fusión cuando toda la muestra acaba de fundirse (Figura 6.16d), lo que ocurre cuando todas las porciones del sólido opaco se han convertido en un líquido transparente.
11. Toma nota si se produce oscurecimiento o sublimación.
12. Si se va a realizar otra prueba de punto de fusión directamente después de la primera, asegúrese de permitir que el aceite se enfríe al menos por\(20^\text{o} \text{C}\) debajo del siguiente punto de fusión de antemano.
13. Nota de limpieza: las gotas de aceite mineral en la mesa no se limpian fácilmente, pero se pueden limpiar con una toalla de papel empapada con limpiador de ventanas o hexanos.

Resumen del punto de fusión

Cuadro 6.2: Resumen procesal para obtener un punto de fusión.

Cargue la muestra golpeando el extremo abierto de un tubo capilar en una pila de la muestra. Con el extremo cerrado hacia abajo, deje caer el tubo por un tubo hueco largo para que golpee la mesa de trabajo y empaque la muestra en el extremo cerrado del tubo. Cargar la muestra a una altura de\(2\) -\(3 \: \text{mm}\).	Colocar la muestra en una ranura en el MelTemp. Gire el dial para comenzar a calentar. Calentar a una velocidad media hasta\(20^\text{o} \text{C}\) por debajo del punto de fusión esperado. Luego calentar muy lentamente (\(1^\text{o} \text{C}\)cada 30 segundos).	Registrar la temperatura donde se ve la primera gotita de líquido (hay movimiento en el tubo). Registrar la segunda temperatura cuando toda la muestra se licua (toda la muestra cambia de opaca a transparente). Registrar un rango de fusión, por ejemplo\(120\) -\(122^\text{o} \text{C}\).	Si se va a realizar otra prueba de punto de fusión, enfríe el bloque metálico hasta al menos por\(20^\text{o} \text{C}\) debajo del siguiente punto de fusión, limpiándolo con una toalla de papel húmeda o enfriándolo con un chorro de aire.
Variación del tubo Thiele: Adjuntar la muestra a un termómetro con una diminuta banda de goma, posicionando la muestra a ras con la parte inferior del termómetro. Inserte la muestra en un tubo Thiele, de manera que la muestra esté cerca de la mitad del tubo.