Processi unitari di Laboratorio Chimico - Cristallizzazione dell acido benzoico

 OGGETTO E SCOPO DELLA DETERMINAZIONE

di separare l’acido

Lo scopo di questa esperienza è quello benzoico da impurezze sfruttando come

tecnica di purificazione la cristallizzazione. Alla fine l’acido benzoico ottenuto deve avere un alto

grado di purezza e la resa deve essere elevata.

 ALCUNE NOZIONI E CONCETTI TEORICI

Un composto viene definito puro se presenta molecole aventi tutte la stessa struttura, ossia sono

tutte uguali tra di loro. Un composto puro è un campione omogeneo che non può essere più

purificato. Tuttavia può accadere che sostanze considerate pure contengano, in realtà, piccole

quantità di contaminanti. Molte volte è accaduto che la presenza di impurezze, anche in tracce,

abbia condotto a errori e a conclusioni scientifiche errate. Un composto sintetizzato nel corso di una

reazione chimica o estratto da qualche fonte naturale raramente è puro. In chimica organica, per

esempio, una trasformazione mirata all’ottenimento di un prodotto può portare alla formazione di

una miscela di composti da cui deve essere isolato il prodotto di interesse. Nella miscela di reazione

possono essere presenti prodotti derivanti da reazioni concomitanti, che procedono parallelamente

alla reazione principale, materiali di partenza che non hanno reagito, solventi o prodotti inorganici.

I chimici dedicano molti sforzi all’isolamento dei prodotti puri allo scopo di ottenere una sostanza

che non può essere ulteriormente purificata con qualsiasi tecnica sperimentale nota.

In base allo stato in cui si trova la sostanza da purificare: solido, liquido o gassoso, si ricorre alla

tecnica di purificazione-separazione opportuna. Una tecnica molto comunemente utilizzata per la

purificazione di sostanze solide è la “Cristallizzazione”; questa tecnica però, come tutte le cose, ha

un limite, ossia può essere usata solo se l’impurezza del composto non superi il 5%. Dovendo noi

purificare l’acido benzoico, che è solido, ricorriamo a questa tecnica. La cristallizzazione si basa sul

fatto che molte sostanze solide si sciolgono meglio in solventi caldi e di meno in solventi freddi

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formando così delle soluzioni . In generale, questa tecnica consiste nello sciogliere il solido impuro

in un quantitativo di solvente (o in una miscela di solventi) caldo, che a freddo non basterebbe per

lo scioglimento, in modo tale da formare una soluzione satura calda che se lasciata raffreddare, man

mano che la temperatura si abbassa, diventa sempre più sovrassatura con formazione di un

precipitato. Con questo diciamo che il solvente di cristallizzazione deve sciogliere bene a caldo e

male a freddo la sostanza pura che dovrà essere purificata.

Dato che il soluto di partenza è impuro (amorfo), quando solubilizziamo nel grezzo (soluzione

iniziale) abbiamo anche le impurezze. Possiamo avere due casi di cristallizzazione:

L’IMPUREZZA è INSOLUBILE

1. NEL SOLVENTE DI CRISTALLIZZAZIONE: per cui

non si scioglie né a caldo e né a freddo nel solvente scelto per solubilizzare la matrice

(solido amorfo). In questo caso il solido da cristallizzare è presente in soluzione invece

l’impurezza la ritroviamo come precipitato e può essere eliminata tramite una filtrazione a

1 Una soluzione viene definita come “un miscuglio omogeneo, ossia che presenta la stessa composizione chimico-fisica

in ogni punto della miscela (si dice che presenta una sola fase), costituita da un soluto (presente in minore quantità) e

da un solvente (presente in quantità maggiori). In base al rapporto soluto-solvente possiamo avere: soluzioni insature

(quando il solvente riesce a sciogliere ancora del soluto), soluzioni sature (quando il solvente ha sciolto la quantità

massima di soluto possibile in grado di sciogliere e che anche solo una piccolissima aggiunta di soluto provoca la

precipitazione dello stesso) e soluzioni sovrassature (quando il soluto si trova in soluzione in quantità eccessive tanto

da non essere più sciolto dal solvente e per questo precipita e lo ritroviamo come corpo di fondo).

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caldo (non usiamo quella a freddo perché va ricordato che il solido in soluzione a freddo

cristallizza per cui rischiamo di far cristallizzare sul filtro della sostanza pura e poi va persa).

2. IL SOLVENTE DI CRISTALLIZZAZIONE, O LA MISCELA DI SOLVENTI,

SCIOLGONO BENE A CALDO LA MATRICE (Solido più impurezza) E INVECE A

FREDDO SCIOLGONO BENE LE IMPUREZZE E MALE IL SOLIDO PURO: per cui le

impurezze restano in soluzione e la sostanza pura cristallizza. In questo modo con una

filtrazione sottovuoto si recuperano i cristalli puri. Dopo aver filtrato, i cristalli devono

essere lavati con piccole quantità di solvente di cristallizzazione freddo (cosi i cristalli non si

sciolgono) perché non ci dobbiamo dimenticare che i cristalli vengono da un contatto diretto

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con la soluzione che contiene le impurezze per cui potrebbero aver adsorbito sulla loro

superficie queste impurezze. Se il solvente a freddo sciogliesse male tutta la matrice

osserveremo una precipitazione sia del solido puro che delle impurezze.

La cristallizzazione è un fenomeno che, al contrario della precipitazione, deve avvenire lentamente

perché il solido deve avere il tempo di potersi sistemare in una configurazione geometrica spaziale

ben definita. Per poter fare questo diciamo che la cristallizzazione di un solido avviene in due fasi:

1. LA NUCLEAZIONE: appena la soluzione viene fatta raffreddare iniziano a formarsi dei

microcristalli piccolissimi chiamati nuclei o germi di cristallizzazione dove su di essi si

vanno a depositare, in modo preciso e ordinato, altre particelle di solido. Alcuni metodi

veloci per far formare i nuclei sono: o sfregando con una bacchettina di vetro le pareti del

recipiente cosi da formare dei microcristalli di vetro ( dell’ordine dei micrometri μm) dove

su di essi si depositano i microcristalli del solido, o raffreddando la soluzione oppure

introdurre piccolissime quantità di sostanza pura in soluzione in modo tale che faccia da

nucleo.

L’ACCRESCIMENTO: dopo essersi formati i nuclei su di essi si depositano, in modo

2. preciso e ordinato, altre particelle di solido che nelle tre dimensioni dello spazio generano il

cristallo vero e proprio.

Se la soluzione risulta essere troppo concentrata oppure viene fatta raffreddare molto velocemente

avviene il fenomeno dell’occlusione, cioè i cristalli si formano velocemente e mentre si formano

soluzione nell’interno del loro cristallo.

inglobano le impurezze presenti in impurezza

impurezza solido puro

solido puro

occlusione adsorbimento

Se avviene l’occlusione bisogna risolubilizzare e rifare tutto dall’inizio.

La dimensione del cristallo è molto importante per capire come abbiamo proceduto. Se i cristalli

sono troppo grandi allora questo, come già detto, non va bene perché potrebbero aver occluso delle

impurezze a causa o della soluzione troppo concentrata (quindi andava aggiunto altro solvente di

cristallizzazione in soluzione) o del brusco raffreddamento, invece, se i cristalli sono troppo piccoli

2 L’Adsorbimento è un fenomeno per il quale i cristalli, stando a contatto diretto con le impurezze le potrebbero

adsorbire sulla loro superficie. 4

vuol dire che la soluzione da cui derivano era troppo diluita, perché non è avvenuto un buon

accrescimento dovuto al fatto che la sostanza è rimasta in soluzione, per cui andava concentrata

facendo evaporare del solvente.

Le dimensioni del cristallo rientrano nella norma solo se la velocità di nucleazione è paragonabile

alla velocità di accrescimento del cristallo, quando una delle due è maggiore si hanno degli

scompensi.

Avvenuta la prima cristallizzazione si allontanano i cristalli puri però in soluzione oltre alle

impurezze, se siamo nel caso 2, possiamo avere ancora del composto da purificare. In questo caso si

procede al dimezzamento del solvente ( nel nostro caso le acque madri) tramite evaporazione e poi

si ricristallizza. I cristalli che otterremo però sono meno puri rispetto ai primi cristallizzati in

precedenza perché, essendo la soluzione più concentrata, stanno di più a diretto contatto con le

impurezze e potrebbero adsorbirle. Questa procedura però non può essere effettuata tante volte

perché poi arriveremo ad un punto in cui cristallizzerebbero anche le impurezze. Il numero delle

volte che devono essere dimezzate le acque madri dipende dal volume della soluzione e dalla

solubilità delle impurezze, per esempio, se le impurezze sono molto solubili e il volume è eccessivo

si può cristallizzare per tre o quattro volte altrimenti due volte sono sufficienti.

Affinché si effettui una buona cristallizzazione è necessario seguire i seguenti passaggi:

1. SELEZIONE di un opportuno solvente di cristallizzazione;

2. DISSOLUZIONE del solido da purificare nel solvente scelto a una temperatura prossima a

quella del punto di ebollizione di questo;

3. DECOLORAZIONE con carbone attivo, se necessario, per rimuovere le impurezze colorate

e Filtrazione della soluzione calda per allontanare le impurezze insolubili e il carbone attivo;

4. FORMAZIONE di un solido cristallino durante il raffreddamento;

5. ISOLAMENTO del solido purificato per filtrazione;

6. ESSICCAMENTO dei cristalli;

7. CALCOLO della resa percentuale.

8. OSSERVAZIONE del punto di fusione;

La scelta del solvente è il passaggio più critico in un processo di cristallizzazione perché da una

scelta corretta dipende il recupero di un solido di alta qualità e in buona quantità. Un solvente per

essere scelto per una cristallizzazione deve rispondere ad alcuni criteri:

a) Il composto da purificare deve essere ragionevolmente solubile nel solvente caldo e

insolubile o poco solubile nello stesso solvente a freddo, per la solubilità a freddo in genere

si considera la temperatura ambiente. La combinazione di soluto e solvente deve permettere

l’uso di una quantità di solvente non così grande da risultare di scarsa praticità e deve anche

permettere il recupero del prodotto purificato in alta resa.

b) Le impurezze devono essere o completamente insolubili in quel solvente a ogni temperatura

o almeno moderatamente solubili anche a freddo; in altri termini, se le impurezze sono

solubili il loro coefficiente di temperatura deve essere sfavorevole altrimenti le impurezze

cristallizzeranno dalla soluzione insieme con il prodotto desiderato.

c) Il solvente deve avere un punto di ebollizione sufficientemente basso da permetterne un

facile allontanamento dai cristalli del prodotto.

d) È opportuno che il punto di ebollizione del solvente sia inferiore al punto di fusione del

solido da purificare altrimenti il solido ancora deve bollire e la sostanza fonde.

e) Esso non deve reagire c