6.2B: Procedimientos paso a paso para la determinación del punto de ebullición

Hay una variedad de métodos mediante los cuales se puede determinar el punto de ebullición de una muestra, incluyendo destilación, reflujo y mediante el uso de un tubo Thiele. El método más sencillo utiliza un tubo Thiele, y tiene la ventaja de usar menos\(0.5 \: \text{mL}\) de material.

Método de destilación

Existen métodos más simples que una destilación para medir el punto de ebullición de un compuesto, y se recomienda explorar otras opciones (por ejemplo, tubo Thiele) si este es el único objetivo. Sin embargo, si los materiales son limitados, o si se planea una purificación de todos modos, se puede usar una destilación para determinar el punto de ebullición de un compuesto. La técnica de destilación se discute con gran detalle en el Capítulo 5.

Una destilación simple debería ser suficiente para la mayoría de las situaciones (Figura 6.19), y al menos\(5 \: \text{mL}\) de muestra debe usarse en el matraz de destilación junto con algunas piedras de ebullición o barra de agitación. A medida que el grueso del material se destila, la temperatura más alta señalada en el termómetro corresponde al punto de ebullición. Una fuente importante de error con este método es registrar una temperatura demasiado baja, antes de que los vapores calientes sumerjan completamente la bombilla del termómetro. \(^5\)Asegúrese de monitorear periódicamente el termómetro, especialmente cuando la destilación esté activa. Registrar la presión barométrica junto con el punto de ebullición.

Figura 6.19: Destilación simple.

Método de Reflujo

También se puede usar una configuración de reflujo para determinar el punto de ebullición de un compuesto. El reflujo es cuando un líquido está hirviendo y condensándose activamente, regresando el líquido condensado al matraz original. Es análogo a una configuración de destilación, siendo la principal diferencia la colocación vertical del condensador.

Figura 6.20: a) Configuración de reflujo, b) Inserción del termómetro digital en el condensador, c) Posición del termómetro, d) Enfriamiento de la configuración.

Si hay materiales disponibles, la mejor configuración de reflujo para esta aplicación se muestra en la Figura 6.20b y utiliza un condensador a microescala y un termómetro digital. La configuración utiliza\(5 \: \text{mL}\) líquido, y algunas piedras hirviendo o barra de revolver. El condensador está unido al matraz de fondo redondo, con la manguera de agua inferior conectada a la espita de agua y la manguera de agua superior drenando al fregadero. Es importante verificar que la junta que conecta el matraz y el condensador esté bien sujeta. El líquido se lleva a ebullición en un baño de arena, y el termómetro se coloca bajo en el aparato (Figura 6.20c) de tal manera que la pulgada inferior se encuentra entre el líquido hirviendo y el fondo del condensador. En esta posición, el termómetro puede medir con precisión los vapores calientes y la temperatura se estabilizará en el punto de ebullición del compuesto. \(^6\)Registrar la presión barométrica junto con el punto de ebullición.

Aunque pueda parecer prudente sumergir el termómetro directamente en el líquido hirviendo, es posible que el líquido esté sobrecalentado, o más caliente que su punto de ebullición. Después de determinar el punto de ebullición, el matraz debe elevarse del baño de arena (Figura 6.20d) para enfriarse, y el condensador se mantiene funcionando hasta que el matraz solo esté caliente al tacto. En este punto se puede desmontar la configuración.

Si no se dispone de un condensador a microescala, también se puede utilizar un método de reflujo alternativo como se muestra en la Figura 6.21. Aproximadamente\(5 \: \text{mL}\) de la muestra se coloca en un tubo de ensayo medio (\(18\)x\(150 \: \text{mm}\)) con termómetro sujeto en su interior para que no toque los lados del vidrio. El aparato se calienta cuidadosamente en un baño de arena de tal manera que el reflujo ocurre de manera controlable y los vapores no escapan del tubo. La temperatura durante el reflujo eventualmente se estabilizará (esto lleva algún tiempo), y la temperatura más alta señalada corresponde al punto de ebullición del compuesto. \(^6\)Los puntos de ebullición medidos con este método pueden tener un error significativo si el punto de ebullición es muy bajo o alto (\(< 70^\text{o} \text{C}\)o\(> 150^\text{o} \text{C}\)) ya que los compuestos de bajo punto de ebullición hierven demasiado fácilmente y los compuestos de alto punto de ebullición tienden a enfriarse con demasiada facilidad.

Figura 6.21: Aparato de reflujo con baño de arena y tubo de ensayo.

Método de tubo Thiele

Teoría del Tubo Thiele

El método del tubo Thiele es uno de los métodos más simples para determinar el punto de ebullición de un compuesto, y tiene la ventaja de usar pequeñas cantidades de material (menos que\(0.5 \:\text{mL}\) de muestra). La muestra se coloca en un pequeño tubo junto con un tubo capilar invertido. La instalación se fija a un termómetro (Figura 6.23a) y se calienta dentro de un tubo Thiele (Figura 6.22a) a un punto ligeramente superior al punto de ebullición del compuesto (lo cual se evidencia por una corriente continua de burbujas que emergen del tubo capilar). Luego se deja enfriar el tubo, y en el momento en que el líquido se introduce en el tubo capilar, la temperatura es el punto de ebullición del compuesto.

Figura 6.22: a) Aparato tubular Thiele, b) Los estudiantes realizan la técnica del punto de ebullición en la campana.

Este método utiliza la definición de punto de ebullición: la temperatura donde la presión de vapor del compuesto es igual a la presión aplicada (atmosférica). El tubo capilar invertido actúa como reservorio para atrapar los vapores del compuesto. A medida que se calienta el aparato, el aire inicialmente atrapado en el tubo capilar se expande y provoca que emerjan burbujas del tubo (Figura 6.23b). Con un calentamiento adicional, los vapores del compuesto eventualmente desplazan todo el aire atrapado, razón por la cual se aplica calor hasta que hay una corriente continua de burbujas.

Cuando el aparato se enfría, eventualmente la presión dentro del tubo capilar (debido únicamente a los vapores del compuesto) coincidirá con la presión atmosférica, momento en el que las burbujas disminuirán y el líquido será aspirado al tubo. La temperatura donde esto comienza es el punto de ebullición del compuesto (Figura 6.23d).

Figura 6.23: Determinación del punto de ebullición: a) Configuración inicial, b) Después de calentar más allá del punto de ebullición, c) Enfriamiento, d) El líquido simplemente ingresa al tubo capilar (la temperatura es el punto de ebullición), e) El líquido está dentro del tubo capilar (la temperatura es menor que el punto de ebullición).

Procedimiento de tubo Thiele

Figura 6.24: a) Tubo de Thiele, con flecha que indica la altura mínima del aceite, b) Tubo unido al termómetro con una banda de goma, c) Adición de muestra, d) Inserción del tubo capilar.

1. Obtener un tubo Thiele y sujetarlo a un soporte de anillo en la campana extractora (Figura 6.24a). 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 indica un nivel de aceite apropiado en la Figura 6.24a), y si es demasiado bajo el aceite no circulará según sea necesario (Figura 6.25c).
2. Inserte un termómetro en un tapón de goma de un orificio con una hendidura en un lado. Adjuntar un pequeño vial de vidrio (“tubo Durham”, o\(6\) x tubo de\(50 \: \text{mm}\) cultivo) al termómetro con una pequeña banda de goma (Figura 6.24b). El fondo del vial debe estar al ras con la parte inferior del termómetro.
3. Llenar el vial aproximadamente medio lleno con muestra, lo que requerirá entre\(0.25\) -\(0.5 \: \text{mL}\) de muestra (Figura 6.24c).
4. Inserte un tubo capilar en la muestra (el mismo tipo que se usa para los puntos de fusión), el extremo abierto hacia abajo y el extremo sellado hacia arriba (Figura 6.24d).

Figura 6.25: a) Inserción del conjunto en el tubo Thiele, b) La banda de goma está por encima del aceite, c) Calentamiento, d) Burbujeo vigoroso de la muestra.

5. 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 (si es posible) dentro del tubo (Figura 6.25a). La banda de goma debe ser más alta que la parte superior del aceite mineral (Figura 6.25b), 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.
6. Caliente el aceite suavemente en el brazo lateral del tubo Thiele con un microquemador si está disponible, o el quemador Bunsen usando un movimiento de ida y vuelta (Figura 6.25c). 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 como se muestra en la Figura 6.25c). Este método es una excelente manera de calentar indirecta y lentamente la muestra.
7. Aunque no se deben ver burbujas en el tubo de Thiele a medida que se calienta, comúnmente se ven si el tubo se había utilizado previamente para determinaciones del punto de ebullición. En este método, la banda de goma ocasionalmente se rompe provocando que la muestra caiga al aceite y lo contamine. Si el aceite no se cambia posteriormente, la muestra puede hervir cuando se calienta en el tubo. Está bien seguir calentando un tubo Thiele si se ven burbujas.
8. Los estudios de este método\(^7\) han determinado que lo mejor es calentar el aceite suavemente y de manera continua, ya que parar e iniciar han provocado que los resultados se vean afectados.
9. Continuar calentando hasta que una vigorosa corriente de burbujas emerja de la punta del tubo capilar (Figura 6.25d), de tal manera que apenas se puedan distinguir burbujas individuales. El propósito de esta etapa es eliminar el aire originalmente presente en el tubo capilar y reemplazarlo con el vapor de la muestra. No calentar tan vigorosamente que toda la muestra hierva. Cuando las burbujas emergen vigorosamente del tubo capilar, la presión de vapor dentro del tubo es mayor que la presión atmosférica (el aceite está a una temperatura mayor que el punto de ebullición).
10. Apague el quemador y deje que el aparato se enfríe. Las burbujas se ralentizarán y eventualmente se detendrán. En algún momento la presión de vapor dentro del tubo capilar será igual a la presión atmosférica y el líquido será aspirado dentro del tubo. El punto de ebullición debe registrarse como la temperatura cuando el líquido apenas comienza a ingresar al tubo capilar (Figura 6.26b).

Figura 6.26: Entrada de líquido por lapso de tiempo en el tubo capilar. El punto de ebullición debe registrarse como la temperatura en b).

11. Registrar la presión atmosférica junto con el punto de ebullición.

Thiele Tube Resumen

Cuadro 6.3: Resumen procesal para obtener un punto de ebullición.

Llene un tubo pequeño aproximadamente medio lleno con muestra e inserte un tubo capilar, extremo cerrado hacia arriba. Acople el tubo a un termómetro con una pequeña banda de goma.	Inserte la muestra en un tubo Thiele, de manera que la muestra esté cerca de la mitad del aceite. Calienta el brazo del tubo Thiele con un quemador, suave y continuamente.	Calentar hasta que una vigorosa corriente de burbujas emerja del tubo capilar, de tal manera que las gotas individuales apenas puedan distinguirse.	Retira el fuego y deja que el aceite se enfríe. El punto de ebullición es la temperatura cuando el aceite apenas comienza a entrar en el tubo capilar.

\(^5\)El autor encontró que el punto de ebullición del etanol es\(76^\text{o} \text{C}\)\(\left(765 \: \text{mm} \: \ce{Hg} \right)\) con destilación (literatura punto de ebullición es\(78^\text{o} \text{C}\).

\(^6\)El autor encontró que el punto de ebullición del etanol (punto de ebullición de la literatura\(78^\text{o} \text{C}\)) era\(77.2^\text{o} \text{C}\) con la configuración del condensador a microescala y\(76^\text{o} \text{C}\) con la configuración de reflujo del tubo de ensayo\(\left( 765 \: \text{mm} \: \ce{Hg} \right)\). Nota: Se utilizaron diferentes termómetros con cada método.

\(^7\)Blanco, E. W., Ind. Ing. Chem. Anal. Ed. , 1933, 5 (1), p 74-75.