Sistemi di separazione di miscele omogenee

Transcript

1 Sistemi di separazione di miscele omogenee

2 Sistemi di separazione di miscele omogenee I sistemi di separazione delle miscele omogenee riguardano la separazione di un soluto da un solvente (come nel caso delle soluzioni) e la separazione di miscele di due o più liquidi. I sistemi adottati sono principalmente la distillazione ed i metodi cromatografici

3 In questa presentazione tratteremo brevemente i seguenti argomenti: Distillazione semplice (a pressione atmosferica) Distillazione a pressione ridotta Distillazione frazionata Cromatografia

4 Distillazione La distillazione consente la separazione di un soluto dal proprio solvente o la separazione di due o più liquidi. In ogni caso si tratta di un sistema che adotta solamente passaggi di stato, quindi mezzi fisici, (evaporazione e condensazione) per ottenere quanto desiderato.

5 Distillazione La distillazione semplice (detta anche distillazione a pressione atmosferica) viene utilizzata quando si voglia separare due liquidi con punti di ebollizione ben diversi o un soluto dal solvente. Viene condotta a pressione atmosferica e si utilizza una fiamma o un mantello a riscaldamento elettrico regolabile per il riscaldamento.

6 Distillazione L apparecchiatura necessaria alla distillazione semplice è costituita da: Un sistema di riscaldamento a fiamma libera o elettrico. Un recipiente dove porre la miscela da separare ( caldaia ) Un sistema di raccolta dei vapori prodotti Un sistema di condensazione dei vapori Un sistema di raccolta del condensato E anche indispensabile avere a disposizione un termometro per la misura della temperatura dei vapori.

7 Termometro Refrigerante (Condensatore) Raccordo Claisen (Testa di distillazione) Caldaia Raccordo da vuoto Recipiente di raccolta

8 Distillazione Per il riscaldamento si può usare un becco Bunsen a fiamma libera o, se si opera su materiale infiammabile, un mantello a riscaldamento elettrico regolabile. Bisogna tener presente che il mantello elettrico ha il vantaggio di poter essere regolato con maggiore precisione.

9 Distillazione Il recipiente in cui si sistema il materiale da distillare è detto caldaia ed è costituito da un pallone sferico che, di norma, non va riempito oltre la metà della sua capacità in modo da evitare schizzi e spruzzi dovuti ad una ebollizione incontrollata e/o troppo violenta. Pallone sferico da 1000 ml Per piccole quantità di materiale da distillare si usano i palloni a cuore di bue. Pallone a cuore di bue

10 Distillazione Il pallone può essere dotato di un tubo laterale (chiamato coda ) o di giunti conici normalizzati utilizzati per la raccolta dei vapori. Per rendere regolare l ebollizione si usano delle sferette di vetro o dei pezzetti di tubicino capillare che, sotto l azione dei moti convettivi del liquido, provvedono a regolare la produzione di vapore. Pallone codato; sul fondo si notano le sferette di vetro per rendere regolare l ebollizione

11 Distillazione Il vapore attraverso la raccolto con normalizzati distillazione Claisen. prodotto passa coda o viene raccordi a coni detti Testa di o Raccordo Su questi normalmente è presente un cono ridotto per l inserimento del termometro.

12 Distillazione Siccome è necessario controllare la temperatura dei vapori che si ottengono è indispensabile porre il bulbo del termometro all altezza del raccordo con il refrigerante. Ovviamente la lettura va effettuata quando si vedono gocce di liquido che condensano sul bulbo del termometro.

13 Distillazione I refrigeranti hanno la funzione di condensare i vapori prodotti con l'ebollizione e possono essere di tipi diversi: A canna diritta (Tipo Liebig). A bolle (Tipo Allihn) A serpentino (Tipo Graham)

14 Distillazione Il refrigerante a canna diritta (detto anche refrigerante Liebig, dal nome del suo inventore) è costituito da due tubi concentrici: nel più interno condensa il vapore mentre in quello più esterno circola il liquido di raffreddamento (di solito acqua) che provvede a smaltire il calore dovuto al passaggio di stato.

15 Distillazione Il refrigerante a bolle (detto anche refrigerante Allhin) ha la canna interna munita di rigonfiamenti (bolle) che ne aumentano la superficie di scambio di circa 1/3 in più rispetto ad un refrigerante tipo Liebig. La presenza di bolle costringe ad utilizzarlo in posizione verticale.

16 Distillazione Il refrigerante (soprattutto quello a bolle) può essere utilizzato anche come trappola per solventi o reagenti molto volatili. Sistemato al di sopra di un pallone contenente la miscela di reazione consente di confinare i vapori che si sviluppano all interno del pallone. Il sistema è largamente usato nelle reazioni di chimica organica.

17 Distillazione Un altro tipo di refrigerante è quello detto a serpentino, chiamato anche Graham dal nome del suo inventore. In questo refrigerante la canna di condensazione dei vapori è avvolta a spirale all interno del mantello. Ciò assicura una efficienza di circa 3 volte superiore a un refrigerante tipo Liebig di uguale lunghezza. Ovviamente anche questo refrigerante va usato in verticale.

18 Altri tipi di refrigeranti A doppia camicia Ad alta efficienza Dawies Thorpe A serpentina incamiciata

19 Distillazione Il raccordo da vuoto consente di collegare adeguatamente il refrigerante al recipiente di raccolta fornendo nel contempo anche un raccordo su cui collegare la pompa da vuoto.

20 Distillazione Il recipiente di raccolta generalmente è singolo ma può essere attrezzato con un dispositivo che consente la raccolta di quattro frazioni diverse. Questo dispositivo, data la forma, è conosciuto col nome di vacca.

21 Sistemi di separazione di miscele omogenee Distillazione a pressione ridotta Un liquido bolle quando la sua pressione di vapore eguaglia la pressione del sistema in cui si trova: per questo motivo in alta montagna l acqua bolle ad una temperatura inferiore a i 100 C solitamente segnati nelle tabelle. In realtà ogni temperatura di ebollizione dovrebbe essere corredata anche della pressione alla quale essa è stata rilevata. In chimica si sfrutta questa proprietà per poter distillare sostanze termolabili (= che si distruggono con il calore) senza danneggiarle.

22 Distillazione a pressione ridotta Nella distillazione a pressione ridotta (o sotto vuoto) si utilizza una apparecchiatura completamente stagna in cui la pressione interna viene abbassata mediante una pompa da vuoto. In questo modo la miscela viene a trovarsi ad una pressione inferiore a quella atmosferica presente nel laboratorio ed entra in ebollizione ad una temperatura inferiore. Al limite, se la pompa da vuoto funziona bene e si ottiene una pressione nel sistema particolarmente bassa, si può arrivare a far bollire la miscela a temperatura ambiente.

23 Distillazione a pressione ridotta In realtà le cose non sono così semplici: l apparecchiatura deve essere assemblata con cura, deve avere tutti i connettori a cono smerigliato e normalizzato e deve essere collegata ad una pompa da vuoto efficiente. Le norme di sicurezza impongono poi che l impianto sia protetto sia con uno schermo di sicurezza, sia che con un sistema che consenta un piccolo, regolare flusso di aria attraverso l impianto stesso per evitare i pericoli derivanti da una implosione.

24 Distillazione a pressione ridotta Le pompe da vuoto che si usano in Laboratorio sono generalmente del tipo a getto d acqua. Funzionano sul principio del trascinamento delle molecole di gas da parte di un getto di acqua.

25 Distillazione frazionata Con la distillazione frazionata è possibile separare componenti che presentano punti di ebollizione anche vicini. Per ottenere ciò si utilizza, tra la caldaia e la testa di distillazione, un particolare tubo, munito di moltissime introflessioni conosciuto come Tubo o Colonna Vigreux. Questo dispositivo consente la creazione di un gradiente di temperatura tra la base e la testa ed ottenere così la separazione.

26 Distillazione frazionata Con la distillazione frazionata, per esempio, viene trattato il petrolio greggio che in questo modo viene separato nei suoi componenti principali

27 Cromatografia La cromatografia è una tecnica analitica per separare una miscela nei suoi componenti ed è particolarmente efficace nella separazione di miscele complesse (Miscele derivate da reazioni di chimica organica, miscele derivate da estratti vegetali, ecc.). Le separazioni si basano su interazioni fisico-chimiche a livello di singole molecole tra il supporto cromatografico, le sostanze da separare e i componenti del solvente mobile.

28 Cromatografia L'invenzione della cromatografia viene attribuita al biochimico russo Mihail Cvet (o Tswett) nel 1906, quando riuscì, con questa tecnica, a separare la clorofilla da un estratto vegetale. Cvet procedette ponendo una piccola quantità di estratto alla sommità di una colonna di vetro piena di materiale inerte e lavando successivamente il campione facendo percolare attraverso la colonna del solvente. A mano a mano che il solvente fluiva trascinando con sé il campione, questi si separava in bande di diverso colore (da qui il nome "cromatografia"), ciascuna delle quali procedeva verso il fondo della colonna con diversa velocità.

29 Cromatografia La cromatografia è una tecnica indispensabile nella chimica per isolare e purificare i componenti di miscele di varia natura, e in campo biologico per purificare proteine e miscele complesse

30 Cromatografia PRINCIPIO DI FUNZIONAMENTO Tutti i componenti della miscela sono depositati sulla carta o lastra (fase stazionaria) e sono trasportati (eluiti) da un solvente (fase mobile) che si muove. Nella cromatografia su carta o su strato sottile, l eluente si muove dal basso verso l alto su di uno strato sottile per capillarità. I composti si muovono con diversa velocità, in base alla diversa affinità della sostanza analizzata, verso l'eluente e verso la fase stazionaria. Si ha separazione poiché i composti più affini all eluente si muovono più velocemente sulla lastra.

31 Cromatografia su colonna Nella cromatografia su colonna si utilizza un tubo di vetro del diametro di alcuni centimetri che viene riempito con il materiale inerte. Dall'alto si inserisce la miscela da separare assieme al solvente (eluente). Continuando ad aggiungere il solvente la miscela viene separata nei suoi componenti che si raccolgono in sezioni colorate che possono essere poi estratte dalla colonna e separate. In alternativa si può continuare ad aggiungere il solvente fino a quando i vari componenti non sono separati e raccolti all'uscita della colonna.

32 Cromatografia su colonna I vantaggi della cromatografia su colonna sono legati al fatto che si possono utilizzare quantità elevate di miscuglio da separare e quindi è utilizzata nella separazione preparativa di sostanze costose (farmaci, reagenti particolari, ecc.) Per contro bisogna notare che il consumo di materiale inerte e soprattutto di solventi è estremamente elevato, con i conseguenti problemi di riciclo e smaltimento che ne derivano. Inoltre è utilizzabile solo con miscugli colorati.

33 Cromatografia su colonna Con questa tecnica si purificano medicinali e si separano i componenti di estratti vegetali. Continuando con l'aggiunta dell'eluente i componenti vengono via via trascinati verso l'uscita e possono essere raccolti separatamente.

34 Cromatografia su strato sottile Nella cromatografia su strato sottile si abbandona la colonna e si passa a stendere il materiale inerte sotto forma di uno strato sottile spalmato regolarmente su di una lastrina di vetro o di alluminio.

35 Cromatografia su strato sottile I vantaggi sono notevoli: si ha una marcata riduzione del volume di solvente (si passa da diversi litri a poche decine di ml) e di materiale inerte che si usa, la lastrina è molto più maneggevole della colonna e può essere sviluppata esponendola semplicemente ad una luce UV. Per contro con questa tecnica non è possibile ottenere separazioni su larga scala.

36 Cromatografia su carta Una ulteriore evoluzione della cromatografia è la cromatografia su carta in cui la carta svolge la funzione sia di supporto che di materiale inerte. In questo caso i cromatogrammi possono essere sviluppati in poco tempo e con un uso minimo di solventi. Le separazioni che si ottengono possono essere anche molto spettacolari come, per esempio, quando si separano i componenti dell'inchiostro nero commerciale (ottimi i Tratto Pen )

37 Cromatografia su carta Per contro con questa tecnica si hanno limitazioni legate al fatto che si usa come substrato la carta la quale non è molto resistente. Quindi, per esempio, non si possono usare reagenti particolarmente agressivi per evidenziare il cromatogramma