Extracción líquido-líquido

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Universidad de Oviedo

EXPERIMENTACIÓN

EN QUÍMICA

EUITIG INGENIERO TÉCNICO EN QUÍMICA INDUSTRIAL

PRÁCTICA Nº 13

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Procesos de Separación: Extracción Líquido-Líquido

OBJETIVOS: Reconocer la importancia de las técnicas de separación en los procesos industriales y/o de laboratorio. Estudiar el fundamento termodinámico de la extracción líquido-líquido y de la destilación. Realizar operaciones prácticas de extracción y destilación. MATERIAL REACTIVOS 1 Embudo de decantación Disolución acuosa de iodo saturada 3 vasos de precipitados de 100 mL Disolvente CCl4 1probeta de 100 mL Indicador de almidón: disolución acuosa de almidón 1 probeta de 25 mL + KI(s) Cuentagotas y varilla

INTRODUCCIÓN

En la industria y en el laboratorio no es suficiente con sintetizar una substancia en un reactor en condiciones óptimas, sino que la separación, concentración y/o purificación del producto deseado son igualmente importantes. Así, además de optimizar las condiciones de reacción en busca de un rendimiento alto, los químicos, ingenieros y demás técnicos dedican muchos esfuerzos a diseñar y controlar los procesos de separación para lograr una recuperación máxima del producto puro con un mínimo coste. De hecho, no es extraño que la mayor parte del personal de una planta química se dedique a controlar los procesos de separación, concentración y/o purificación que siguen a la síntesis en el reactor(es), se ocupan del llamado downstream processing. La siguiente Tabla enumera algunas técnicas típicas del downstream processing.

Separación Concentración Purificación Filtración Destilación Cristalización Centrifugación Extracción Cromatografía Flotación Filtración por

membrana (ósmosis)

Precipitación • Sin duda, varias de estas técnicas te serán familiares porque ya las has empleado en

prácticas anteriores. ¿Cuáles son y con qué propósito las usaste? Las técnicas de separación aprovechan el distinto comportamiento químico-físico de las substancias en una mezcla homogénea o el distinto tamaño de partículas en una mezcla

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heterogénea. Los componentes de una mezcla se pueden separar, bien a un nivel iónico-molecular, o bien macromolecular, o según distintos tamaños de partícula. La siguiente tabla agrupa a varias técnicas según sus fundamentos y rangos de aplicación.

Fundamento Técnica Rango de Aplicación Tamaño de Filtros de papel 105-107 Å partícula Mallas metálicas Ultrafiltración 10-103 Å Difusión y/o Ósmosis inversa Conductividad Diálisis-electrodiálisis

Intercambio iónico 1-102 Å

Presión de vapor Destilación Congelación

1-103 Å

Solubilidad Extracción 1-103 Å Actividad Superficial Adsorción 1-102 Å Flotación 102-107 Å Cromatografía 10-102 Densidad y Sedimentación Ultracentrífuga 10-103

Å Centrífuga 103-105 Å

RECUERDA QUE 1Å=10−10 m

• De acuerdo con esta tabla, ¿es la filtración por gravedad a través de papel de filtro una

técnica de separación molecular? ¿lo es la extracción?

EN ESTA PRÁCTICA LLEVARÁS A CABO UNA SEPARACIÓN POR EXTRACCIÓN LÍQUIDO-LÍQUIDO

Y OTRA SEPARACIÓN POR DESTILACIÓN Un proceso industrial suele aplicar consecutivamente varias técnicas de separación/concentración para lograr el grado de concentración/purificación deseado. La secuencia habitual suele comenzar con una separación entres fases, seguida de procesos de concentración y finalmente alguna técnica de purificación.

Reactor Separación Concentración Purificación

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EXTRACCIÓN LÍQUIDO-LÍQUIDO: EQUILIBRIO DE REPARTO La extracción puede definirse como un proceso de separación en el cual un soluto se reparte o distribuye entre dos fases diferentes. Lo más común es realizar extracción entre dos fases líquidas, aunque también pueden realizarse extracciones sólido-líquido. La extracción líquido-líquido se utiliza con frecuencia para separar especies moleculares simples (I2, Br2, ...), compuestos de coordinación y compuestos orgánicos, de las disoluciones acuosas en las que se encuentran inicialmente. El procedimiento consiste en agitar las disoluciones acuosas con un disolvente orgánico inmiscible con el agua y dejar separar ambas fases. Se estable entonces un equilibrio o reparto de los solutos entre las dos fases gobernado por la solubilidad relativa de los solutos en la fases acuosa y orgánica. Recuerda, pues, el fundamento de la extracción: un equilibrio de solubilidad entre dos fases inmiscibles.

Representación Esquemática de la Extracción

Disolución AcuosaI2, hidrocarburos (trazas)

R-OH, R-COO-R', R-CHO

R-COOH, R-NH2

Sales Inorgánicas

Disolvente Orgánico(hexano, éter , CCl4, tolueno,...)

Equilibriode Reparto

Disolución Acuosa

R-COOH, R-NH2

R-OH, R-COO-R', R-CHO

I2, hidrocarburos

Disolvente Orgánico

Sales Inorgánicas

• Explica si el etanol CH3CH2OH puede ser un buen disolvente para la extracción de un

componente orgánico en disolución acuosa. • ¿Por qué las sales inorgánicas como el NaCl(aq) no son extraídas por un disolvente

orgánico? • Los ácidos orgánicos R-COOH son solubles tanto en fase acuosa como en fase

orgánica ¿Por qué?

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Desde el punto de vista cuantitativo de la Termodinámica Química, el equilibrio de reparto o extracción es muy sencillo. Formalmente, es análogo al caso del equilibrio químico. Supongamos un único soluto S que establece un equilibrio de reparto simple:

S (aq) →←

S (org) En el equilibrio, el potencial químico del soluto es el mismo en ambas fases y la relación de actividades en cada fase nos da la constante de equilibrio de reparto, más conocida como el coeficiente de reparto K. En la práctica, se aproxima el coeficiente de reparto por un cociente de concentraciones en vez de actividades.

( ) ( )( )

[ ][ ]aq

org

q

o

a

rg

a S

Sa SK T

S= ≈

Para un sistema dado (pareja de disolventes + soluto), el correspondiente coeficiente de reparto K sólo depende de la temperatura. Si el soluto no participa en ningún otro equilibrio secundario (como un equilibrio ácido-base en disolución acuosa), el rendimiento del proceso de extracción puede obtenerse a partir de K. Analiza el siguiente ejemplo: • El coeficiente de reparto del I2 entre agua y disulfuro de carbono es K=410 a 25 ºC.

Halla la fracción de I2 que permanece en disolución acuosa después de que volúmenes iguales de agua y CS2 hayan alcanzado un equilibrio de reparto.

I2 (aq) →

← I2 (CS)

La fracción de I2 que permanece en disolución acuosa puede escribirse como:

00I2 nn

VnVn eq

aq

aqeq

==α [1]

donde n0 son los moles totales de iodo inicialmente en disolución acuosa y neq son los moles de iodo que permanecen en la fase acuosa una vez alcanzado el equilibrio de reparto.. Por otro lado, el coeficiente de reparto puede escribirse como:

[ ][ ]

( )22

02

2

I

I

eqCSCS

eqaqaq

n n VK

n V−

= = [2]

Como Vaq=VCS2, podemos despejar neq en [2] y sustituir en [1]:

nn

K Keq =

+⇒ =

+= −

03

11

12 43 10α I2. •

En términos de rendimiento, se extrajo un 100−0.0243=99.756 % del I2. • En el ejemplo, ¿por qué el iodo es mucho más soluble en la fase orgánica? • Si en vez de iodo quisiéramos extraer ácido acético, ¿Cómo influiría el pH de la

disolución acuosa sobre el rendimiento del proceso de extracción?

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EXTRACCIÓN SIMPLE DE I2 EN DISOLUCIÓN ACUOSA CON CCl4 A continuación, vas a realizar un experimento de extracción simple de iodo molecular en una disolución acuosa saturada empleando como fase orgánica el tetracloruro de carbono. Este sistema te permite apreciar visualmente cómo se alcanza el equilibrio de adsorción. Debes realizar las siguientes operaciones: 1) Asegúrate de que el embudo de decantación está limpio y seco. Colócalo en el

soporte sujetándolo con el aro con nuez. Comprueba que la llave del embudo está cerrada. Si es necesario, refuerza el tapón del embudo con cinta de teflón.

2) Con la probeta de 100 mL mide 50 mL de la disolución saturada de iodo y añádelos

al embudo. 3) Extrae una cantidad de CCl4 de la botella hacia un vaso de precipitados (aprox. 20-25

mL). Con la probeta de 25 mL, mide 15 mL del CCl4 extraído y añádelos al embudo de decantación.

LOS VAPORES DE CCl4 SON NOCIVOS

EVITA SU INHALACIÓN DIRECTA 4) Tapa entonces el embudo y tómalo con ambas manos. El embudo debe manejarse

con ambas manos: con una se sujeta el tapón y con la otra se manipula la llave. Inclina el embudo con el tapón hacia arriba. Agita suavemente durante unos segundos. Afloja el tapón para liberar el exceso de presión en el interior del embudo. Vuelve a agitar y vuelve a abrir ligeramente el tapón. Por último agita con fuerza durante 20 segundos.

5) Repite la agitación fuerte y deja entonces al embudo situado en el soporte y con el

tapón abierto. Espera hasta que las dos fases se distingan nítidamente. • ¿Por qué es necesario agitar? • ¿Qué cambios de color has observado? ¿Cómo los interpretas? Identifica

inequívocamente las fases en el embudo. ¿Qué fase es menos densa? 6) Separa físicamente ambas fases. Coloca un vaso de precipitados de 100 mL debajo

del embudo. Abre la llave y recoge lentamente la fase más densa hasta observar que la interfase se acerca a la llave. En un segundo vaso recoge una pequeña porción de ambas fases. Extrae por último la fase menos densa en un tercer vaso de precipitados.

A juzgar por los cambios de color el rendimiento de la extracción simple debe ser alto. Sin embargo, puedes comprobar de un modo sencillo si el rendimiento es realmente del 100 % sin más que añadir un indicador visual de iodo, a saber, la conocida disolución de almidón que en presencia de I2 molecular y anión I−

(aq) forma un complejo de color violeta intenso.

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7) Toma un tubo de ensayo e introduce unos 2 mL de la disolución acuosa y añade 10 gotas de la disolución acuosa de almidón. Disuelve también un pequeño cristalito de KI(s). Agita el contenido y comprueba entonces la coloración de la disolución observándola contra un fondo blanco.

• Describe aquí tus observaciones sobre el test del almidón.

DEPOSITA LA FASE ORGÁNICA EN EL FRASCO DE RESIDUOS NO LA TIRES POR EL DESAGÜE

EXTRACCIÓN MÚLTIPLE

Si el valor del coeficiente de reparto K es elevado (> 100), con una sola extracción se puede pasar prácticamente todo el soluto a la fase orgánica. No es éste el caso de la extracción simple de iodo con CCl4 que resulta ser incompleta, pues aún queda iodo en disolución acuosa. No obstante, puede conseguirse una extracción completa de iodo con 15 mL de CCl4, pero en tres porciones, es decir, realizando varias extracciones consecutivas (extracción múltiple). Vas a comprobarlo experimentalmente. 1) Repite los pasos del anterior procedimiento, pero añadiendo los 15 mL de CCl4 en

tres veces, o sea, haciendo tres extracciones con 5 mL de CCl4. 2) Ten en cuenta que cada vez que completes una extracción, debes extraer sólo la fase

orgánica del embudo de decantación en un vaso de precipitados. 3) Realizada la última extracción, repite el test del almidón en la disolución acuosa. ¿Se detecta finalmente iodo en la disolución acuosa? Como acabas de comprobar, para una cantidad de disolvente orgánico, es más eficiente dividirla en porciones y realizar varias extracciones que realizar una única extracción simple gastando todo el disolvente. • ¿Crees que el coeficiente de reparto es el mismo en una extracción simple que en una

múltiple? En realidad, el rendimiento mayor de la extracción múltiple es una consecuencia termodinámica de los equilibrios consecutivos. Dados el volumen total de fase acuosa Vaq y el volumen de fase orgánica Vorg empleado en cada extracción, puede demostrarse que la fracción α de soluto que permanece en disolución acuosa después de n extracciones viene dada por:

n

VV

Kaq

orgnaq

⎟⎟⎟⎟⎟

⎠

⎞

⎜⎜⎜⎜⎜

⎝

⎛

+=

1

1,α

• Supón entonces que K=10 para la extracción de iodo con CCl4. Calcula el rendimiento de la extracción simple y de la extracción múltiple que has realizado