Práctica 4 - Experimentación Básica en Química

PRÁCTICA 4
SOLUBILIDAD Y CRISTALIZACIÓN
OBJETIVOS
 Estudiar cómo varía la solubilidad de un compuesto químico con la temperatura y, a
partir de los datos obtenidos, representar la curva de solubilidad de dicho compuesto.

Aprender a purificar una sustancia mediante las técnicas de cristalización y posterior
filtración a vacío.
FUNDAMENTO TEÓRICO
A.
SOLUBILIDAD
La cantidad de soluto que se puede disolver en una cantidad determinada de un
disolvente es limitada. De hecho, la cantidad máxima en la que ambos componentes se
pueden mezclar formando una fase homogénea depende de la naturaleza de ambos y de la
temperatura. El azúcar, por ejemplo, es soluble en agua, pero si en un vaso de agua
añadimos cada vez más y más azúcar, llegará un momento en el que ésta ya no se disuelva
más y se deposite en el fondo. Además, se disuelve más cantidad de azúcar en agua
caliente que en agua fría.
La cantidad máxima (en gramos) de cualquier soluto que se puede disolver en 100 g
de un disolvente a una temperatura dada se denomina solubilidad de ese soluto a esa
temperatura. Así, la solubilidad se expresa en gramos de soluto por 100 g de disolvente. La
solubilidad de una sustancia pura en un determinado disolvente y a una temperatura dada
es otra de sus propiedades características.
Cuando una disolución contiene la máxima cantidad posible de soluto disuelto a una
temperatura dada, decimos que está saturada a esa temperatura. En este caso, si
añadimos más soluto, éste se quedará sin disolver. Por tanto, de acuerdo con la solubilidad
del soluto, se pueden preparar soluciones diluidas, saturadas y sobresaturadas.

Disolución diluida:
Contiene una pequeña cantidad del soluto disuelta en el
disolvente y esta cantidad es más pequeña que la cantidad límite en la disolución saturada.

Disolución saturada:
Es aquella disolución que no disuelve más soluto; es
decir la solubilidad de soluto llegó a su límite. Esta disolución se encuentra en un equilibrio
dinámico.

Disolución sobresaturada: Contiene mayor cantidad de soluto que la disolución
saturada. Corresponde a una situación de no equilibrio, metaestable.
En general, la solubilidad de una sustancia en un determinado disolvente aumenta a
medida que se eleva la temperatura. Si se mide la cantidad de un soluto que se disuelve en
100 g de agua a diferentes temperaturas, al representar estos datos gráficamente se
obtienen unas gráficas llamadas curvas de solubilidad, que obviamente dependen de la
naturaleza del soluto y del disolvente (figura 1).
En esta gráfica se encuentran las curvas de solubilidad para diversas sales. Las
líneas curvas representan las composiciones de las disoluciones saturadas
correspondientes a las distintas temperaturas. Los puntos por debajo de las curvas
representan las disoluciones no saturadas y los puntos por encima de las curvas las
disoluciones sobresaturadas.
B.
CRISTALIZACIÓN
El valor de la máxima solubilidad de una sustancia en un determinado disolvente es
un valor límite en unas condiciones de presión y temperatura dadas. Por tanto, y siempre
que estemos en condiciones de equilibrio, cualquier proceso que tienda a aumentar la
concentración de una disolución saturada (de sólido en líquido) provocará la aparición del
exceso de sólido. Si el sólido se forma de un modo rápido, desordenado, en muchos puntos
simultáneamente (“núcleos de cristalización”), y las partículas son, en consecuencia, de
tamaño muy pequeño, hablaremos de un proceso de precipitación. Si, por el contrario, el
sólido se forma de un modo lento, ordenado, en pocos núcleos, con la aparición de
partículas poliédricas de tamaño apreciable (a veces a simple vista) de morfología
característica (“cristales”), hablaremos de un proceso de cristalización.
Técnica de la cristalización
La idea de purificación por disolución y posterior cristalización de sustancias, se basa
en el hecho de que las impurezas insolubles que acompañan al sólido podrán eliminarse en
una primera filtración. La primera etapa para conseguir la cristalización de una sustancia, a
partir de una disolución, es lograr la sobresaturación de dicha disolución. A continuación, y
dado que la sobresaturación es un estado metaestable, el paso siguiente es provocar la
aparición del exceso de sólido bajo la forma de cristales, lo que puede conseguirse mediante
un descenso de la temperatura debido a la variación que, habitualmente, experimenta la
solubilidad con la misma. Como hemos visto, la mayoría de los sólidos son más solubles en
un disolvente en caliente que en frío. Por ello, el sólido que se vaya a purificar se disuelve
en el disolvente caliente (generalmente a ebullición), de modo que la disolución esté
prácticamente saturada, y la mezcla resultante se filtra en caliente para eliminar todas las
impurezas insolubles. A continuación, se deja enfriar la disolución filtrada para que se
produzca la cristalización y al enfriarse el líquido filtrado se alcanza muy pronto la
saturación, con lo que desde ese momento hasta que se alcance la temperatura final se
separará el exceso de sólido correspondiente a la diferencia de solubilidad.
En el caso ideal, toda la sustancia deseada debe separarse en forma cristalina, y
todas las impurezas solubles deben quedar disueltas en las aguas madres. Finalmente, el
sólido obtenido se separa por filtración y se seca.
En ocasiones este procedimiento de purificación de un sólido mediante una
recristalización sencilla con un solo disolvente falla. En esos casos se utiliza una
recristalización del sólido en una mezcla de dos disolventes miscibles.
Cristalización sencilla
El aspecto más importante para conseguir una purificación adecuada de un
compuesto por cristalización es la elección del disolvente. El estudio detallado de la relación
existente entre la estructura y capacidad de disolución de un disolvente determinado para un
compuesto en particular es algo complejo. No obstante, se pueden establecer algunas
generalizaciones que resultan muy útiles para elegir adecuadamente el disolvente en
función de la naturaleza del compuesto que se vaya a purificar. Estas generalizaciones
están basadas en un axioma importante: semejante disuelve a semejante.
Los compuestos no iónicos no se disuelven apreciablemente en agua, a menos que
sus moléculas se ionicen en disolución acuosa o puedan asociarse con moléculas de agua a
través de puentes de hidrógeno. Por este motivo, los hidrocarburos y sus derivados
halogenados son prácticamente insolubles en agua, pero los compuestos que tengan grupos
funcionales heteroatómicos (tales como los grupos OH -alcoholes-, CHO -aldehídos-, CO cetonas-, CO2H – ácidos carboxílicos-, CONH2 -amidas- y NH2 -aminas-) que puedan formar
puentes de hidrógeno con el agua pueden ser solubles en este disolvente.
Cristalización en mezcla de disolventes
Con frecuencia se encuentran sustancias que son demasiado solubles en un
disolvente, incluso en frío, y demasiado poco solubles en otros disolventes, aún en caliente.
Cuando se presente esta circunstancia no se puede utilizar la cristalización sencilla para
purificar tales compuestos. En estos casos se pueden utilizar, frecuentemente con buen
resultado, pares de disolventes que sean miscibles entre sí, tales como metanol-agua,
etanol-agua, acetato de etilo-etanol, acetato de etilo-hexano, éter-acetona, etc.
La metodología a seguir para conseguir la purificación del sólido con una mezcla de
disolventes es la siguiente: se disuelve el sólido a purificar en el disolvente en caliente en el
que sea muy soluble, utilizando la cantidad mínima de disolvente y, a continuación, se va
añadiendo gota a gota y caliente, el disolvente en el que el sólido era muy poco soluble,
hasta que aparezca una tenue turbidez persistente que no desaparece al agitar la muestra;
a continuación, se añaden unas gotas adicionales del primer disolvente para eliminar la
turbidez, se filtra si hubiera impurezas insolubles, y se deja enfriar la mezcla hasta que se
produzca la cristalización del sólido.
Criterios de elección de los disolventes
a) Coeficiente de temperatura
El disolvente ideal para una recristalización lo más perfecta posible debe poseer un
coeficiente de temperatura elevado para la sustancia que se vaya a purificar, es decir, debe
disolver una gran cantidad de la misma a su temperatura de ebullición, y sólo una pequeña
cantidad a la temperatura ambiente o ligeramente por debajo de la misma. De este modo se
recuperará la mayor parte del sólido en la cristalización. Por el contrario, tiene que presentar
un bajo coeficiente de temperatura frente a las impurezas, para que éstas no se disuelvan al
calentar a reflujo el sólido a purificar y se puedan separar fácilmente de éste mediante una
simple filtración en caliente.
b) Reactividad, inflamabilidad y toxicidad
El disolvente no debe reaccionar con el compuesto que se pretenda purificar, y su
utilización no debe ser peligrosa, es decir, se elegirá un disolvente que no sea tóxico y que
además sea poco o no inflamable frente a otro que sea inflamable. Por tanto, debe evitarse
el empleo de benceno (muy tóxico) o de éter dietílico (muy inflamable).
Punto de fusión
El punto de fusión normal de un sólido es la temperatura a la que éste pasa de
estado sólido a estado líquido, a la presión de 1 atm. Este cambio de estado se produce
debido a que el aumento de energía que tiene lugar al elevarse la temperatura hace que las
moléculas del sólido rompan las fuerzas intermoleculares que las mantienen unidas,
aumentando la movilidad de las mismas, pasando finalmente a estado líquido.
El punto de fusión es una constante física característica de cada compuesto, por lo
que su determinación es un dato importante en la caracterización de una sustancia, aunque
hay que tener en cuenta que compuestos diferentes pueden tener el mismo punto de fusión.
Por otra parte, el punto de fusión de un sólido se ve afectado de manera sensible por
las impurezas: la presencia de éstas en un sólido hace que disminuya su punto de fusión,
salvo que se trate de impurezas insolubles en el sólido fundido. Por tanto, un criterio de
pureza de un sólido es comparar su punto de fusión bibliográfico con el obtenido en el
laboratorio. Si el valor experimental es inferior al bibliográfico, significa que la sustancia
contiene impurezas. La presencia de impurezas también hace aumentar el intervalo de
temperatura al que la sustancia funde.
MATERIAL Y REACTIVOS
PARTE A: CURVA DE SOLUBILIDAD DEL KNO3
Material
Pipeta 25 mL
Placa calefactora
Termómetro de baño
Vidrio de reloj
Tubos de ensayo
Reactivos
Vaso de precipitados (250 mL)
KNO3
PARTE B: CRISTALIZACIÓN DE ÁCIDO SALICÍLICO
Material
Tubos de ensayo
Placa agitadora con calefacción
Vidrio de reloj
Bomba de membrana
Embudo Büchner
Matraz kitasatos (100 mL)
Reactivos
Embudo cónico
Ácido salicílico
Erlenmeyers (100 mL) (× 3)
Cloruro sódico
Soporte metálico
Diclorometano
Pinza, aro metálico, nueces (× 3)
Acetato de etilo
PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL
PARTE A: CURVA DE SOLUBILIDAD DEL KNO3
Pesar exactamente en un vidrio de reloj 6,0 g de KNO3 por diferencia. Pasar el sólido
a un tubo de ensayo. Con una pipeta añadir 5 mL de agua destilada al tubo que contiene el
sólido, procurando arrastrar todo el sólido que pudiera haber quedado pegado a las paredes.
Calentar el tubo al baño maría en un vaso de precipitados de 250 mL para disolver todo el
sólido, empleando, con cuidado, el termómetro como agitador y luego dejar enfriar sin mover
el termómetro.
Durante todo el experimento no debe sacarse el termómetro del tubo de ensayo ya
que, al quedar impregnado de líquido saturado, puede cristalizar en su superficie y al
introducir de nuevo el termómetro en la disolución los cristales formados sirven de gérmenes
para una cristalización rápida, falseando así el resultado.
Anotar la temperatura a la cual se inicia la cristalización. A continuación añadir 1 mL
de agua al tubo de ensayo. Repetir las mismas operaciones indicadas anteriormente y
anotar la nueva temperatura a la que empieza a cristalizar. La operación se repite otras 8
veces. Con los datos obtenidos dibujar una gráfica de solubilidad absoluta en función de la
temperatura, expresada ésta en ºC. Para realizar los cálculos se supone que la densidad del
agua es 1,00 g/mL a cualquier temperatura.
PARTE B: CRISTALIZACIÓN DE ÁCIDO SALICÍLICO (impurificado con NaCl)
Se va a estudiar la solubilidad del ácido salicílico, tanto en frío como en caliente, en
los siguientes disolventes: diclorometano, acetato de etilo y agua, y se va a elegir el mejor
disolvente o par de disolventes para su recristalización.
Se recibe una muestra de 2,5 g de ácido salicílico impuro.
1. Colocar 0,1 g del sólido problema finamente pulverizado en tres tubos de ensayo y
añadir en cada tubo, con una pipeta Pasteur, aproximadamente 1 mL del disolvente
lentamente, gota a gota y agitando continuamente. Finalizada la adición observar con
detenimiento la mezcla y anotar los resultados en el cuaderno de laboratorio.
2. Si se disuelve todo el sólido en el disolvente utilizado en frío, éste no sirve para su
recristalización. Si no se ha disuelto todo el sólido, calentar cuidadosamente la mezcla en la
placa calefactora, agitando hasta que se produzca la ebullición del disolvente. Precaución:
la mayoría de los disolventes orgánicos son inflamables. Si se disuelve todo el sólido se
puede anotar que el compuesto es muy soluble en caliente.
3. Si no se disuelve completamente, añadir sucesivamente porciones adicionales de
0,5 mL de disolvente hasta que todo el sólido se disuelva a la temperatura de ebullición o
hasta que se haya alcanzado un volumen total de 3 mL de disolvente. Si todavía no se
hubiera disuelto todo el sólido, se puede anotar que el compuesto es poco soluble en ese
disolvente en caliente y se deberá ensayar con otro disolvente para su recristalización. Si
todo el sólido se hubiera disuelto en un volumen menor de 3 mL de disolvente en caliente,
anotar que el compuesto es moderadamente soluble en caliente en el disolvente ensayado.
4. Cuando se obtenga una disolución del sólido en un disolvente en caliente, dejar
enfriar éste lentamente, rascando con cuidado las paredes del tubo de ensayo con una
varilla de vidrio y observar la facilidad de la cristalización y la cantidad de cristales formados.
También se anotarán en el cuaderno de laboratorio la proporción de soluto y disolvente que
da los mejores resultados. Con todos estos datos seleccionar el disolvente más adecuado
para la recristalización de la sustancia.
Adición del disolvente
Como regla general hay que tener en cuenta que siempre habrá que preparar una
disolución en la que el sólido a cristalizar se disuelva en la mínima cantidad de disolvente a
ebullición. Para conseguir este objetivo fundamental se recomienda el siguiente
procedimiento operativo:
Colocar el sólido a recristalizar, finamente dividido, en un erlenmeyer del tamaño
adecuado al volumen de disolvente que se prevea utilizar.
A continuación cubrir el sólido con un volumen de disolvente que resulte insuficiente
para que se disuelva el sólido en frío y en caliente.
Después calentar el disolvente a ebullición con el dispositivo adecuado, manteniendo
una agitación constante.
Sobre esta disolución en ebullición añadir más disolvente en pequeñas porciones,
esperando el tiempo suficiente entre dos adiciones sucesivas para comprobar si se ha
disuelto todo el sólido. En este momento se da por finalizada la adición del disolvente. En
ocasiones pueden quedar sin disolver algunas impurezas insolubles. Si se sospechara que
quedan impurezas insolubles sin
disolver,
se
decantaría
la
disolución a otro erlenmeyer y se
comprobaría la solubilidad del
residuo sólido con una nueva
cantidad de disolvente.
Filtración de la disolución
caliente:
En esta operación se
eliminan aquellas impurezas que
sean insolubles en el disolvente
empleado para la recristalización.
Figura 2. Preparación de un filtro de pliegues
Figura 3. Filtración con un
filtro de pliegues
La disolución caliente resultante de la operación
anterior debe filtrarse de tal modo que no cristalice
parcialmente el sólido disuelto ni en el papel de filtro ni en
el embudo. Para conseguir esto se lleva a cabo una
filtración rápida con un mínimo de evaporación en un
embudo previamente calentado y provisto de un filtro de
pliegues (figuras 2 y 3). El embudo y el papel de filtro se
calientan colocando el embudo con el papel de filtro
encima del erlenmeyer que se está calentando a
ebullición, con objeto de que se bañen bien con el vapor
caliente del disolvente en evaporación.
Enfriamiento:
Durante el enfriamiento de la disolución caliente una vez filtrada se pretende que
cristalice la máxima cantidad de sustancia deseada con un mínimo de impurezas. Para ello
se deja que la disolución se enfríe lentamente a temperatura ambiente, tapando el
erlenmeyer para evitar la evaporación del disolvente. Si el compuesto tarda en cristalizar, se
puede añadir durante el enfriamiento un pequeño cristal del compuesto para sembrar la
disolución y provocar la precipitación. La mezcla se debe dejar en reposo hasta que la
cristalización sea completa.
Separación de los cristales:
En esta operación se pretende aislar los cristales formados, separándolos de las
impurezas solubles en el disolvente empleado en la recristalización y secándolos en la
mayor medida posible.
Para conseguir esto se procede a una filtración mediante una succión con una
trompa de agua o una bomba de membrana al que se conecta un kitasato provisto con un
embudo Büchner (figura 4). El papel de filtro debe cubrir todos los orificios de la superficie
del Büchner, pero su diámetro debe ser ligeramente inferior al de la placa del Büchner; ya
que al colocarlo debe quedar completamente liso y sin arrugas para que no pueda pasar
nada de sólido por sus bordes. Esto se consigue fácilmente humedeciendo el papel con
unas gotas del disolvente y haciendo succión con la trompa de agua.
Filtración a vacío con Buchner y kitasato
Figura 4
A continuación, manteniendo una ligera succión se añade la mezcla o una parte de
ella dentro del embudo y se aplica el vacío de la bomba de membrana (figura 5). Si
quedaran adheridos algunos cristales del sólido en las paredes del erlenmeyer se pueden
arrastrar con las aguas madres o con una pequeña cantidad de disolvente frío. Cuando
finalice la filtración se interrumpe la succión, se cubren los cristales con una pequeña
cantidad del disolvente frío y se agita el sólido cuidadosamente con una varilla de vidrio para
asegurar que todos los cristales se humedecen con el disolvente; a continuación, se aplica
de nuevo la succión, y este proceso se repite dos-tres veces. Como etapa final de una
purificación de un sólido por recristalización hay que proceder al secado de los cristales
obtenidos en la cristalización, con objeto de que los cristales queden libres del disolvente
adherido.
Bomba de membrana
Figura 5
RESULTADOS Y CUESTIONES
1. Describir brevemente todos los pasos seguidos durante el desarrollo del procedimiento
experimental en el laboratorio (partes A y B).
2. A partir de los datos obtenidos y de las indicaciones dadas en el procedimiento
experimental, dibujar la gráfica de solubilidad absoluta del KNO3 en función de la
temperatura, expresada ésta en ºC. La gráfica se realizará en papel milimetrado o por
medios informáticos.
3. Indicar el comportamiento (muy soluble, parcialmente soluble o insoluble), tanto en frío
como en caliente, de la muestra problema que se ha cristalizado, en cada uno de los tres
disolventes ensayados.
4. La solubilidad del BaCl2 en agua destilada a diferentes temperaturas se muestra en la
tabla siguiente:
Se disuelven 45 g de BaCl2 en 100 g de agua destilada, calentada a 80 °C y la disolución se
enfría muy lentamente hasta 50 °C sin que se observe precipitado. Se añade un microcristal
(de masa despreciable) de la sustancia y se observa que aparece un precipitado. Se
continúa enfriando hasta 30 °C.
(a) Trazar la gráfica de solubilidad del BaCl2.
(b) Indicar qué tipo de disolución se tiene al inicio, a los 50 °C hasta que se añadió el
microcristal y de ahí en adelante.
(c) ¿Cuántos gramos de BaCl2 precipitan?
5. ¿Qué hay que tener en cuenta a la hora de elegir el tipo de filtración que se va a realizar
(por gravedad o a presión reducida)?
6. ¿Se podrían separar por recristalización dos sólidos de igual punto de fusión?
7. Teniendo en cuenta las solubilidades de A y B recogidas en la tabla, indicar qué
disolvente se elegiría para recristalizar una muestra sólida compuesta por 8,5 g de A y 1,5 g
de B con el objeto de purificar el componente mayoritario.
BIBLIOGRAFÍA
 Brown, T. L.; Brown, T. E.; LeMay, Jr., H. E.; Escalona y García, H. J.; Bursten, B. E.;
Burdge, J. R.; Escalona y García, R. Química: La ciencia central. 9ª ed. Cap. 13. Ed.
Pearson Educación, 2004.

Grases Freixedas, F.; Costa Bauzá, A.; Söhnel, O. Cristalización en disolución:
Conceptos básicos. Ed. Reverté, 2000.