LABORATORIO DI CHIMICA II

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1 LABORATORIO DI CHIMICA II Docente Prof. A. Nacci Testo cons. Il laboratorio di Chimica Autori Editore Consiglio Frenna Orecchio EdiSES

2 TECNICHE DI SEPARAZIONE E PURIFICAZIONE 22 TECNICA DECANTAZIONE FILTRAZIONE CENTRIFUGAZIONE CRISTALLIZZAZIONE SUBLIMAZIONE SOSTANZE TIPOLOGIA [Separazione di solidi da liquidi] [miscele di solidi] DISTILLAZIONE [miscele di liquidi] semplice frazionata a pressione ridotta

3 TECNICA SOSTANZE TIPOLOGIA 33 ESTRAZIONE [miscele di solidi, liquidi e gas] Liquido-liquido Solido-liquido ELETTROFORESI [miscele di amminoacidi, proteine e sostanza ionizzabili] CROMATOGRAFIA [miscele di solidi, liquidi e gas] Colonna, HPLC, TLC di adsorbimento di ripartizione gel filtrazione scambio ionico gas-cromatografia di ripartizione

4 FILTRAZIONE 44 TECNICA DI SEPARAZIONE DI UNA FASE SOLIDA DA UNA FASE LIQUIDA IN UN SISTEMA ETEROGENEO. E realizzata mediante l impiego l di un diaframma poroso, detto filtro, capace di trattenere la fase solida lasciando passare la fase liquida. Büchner vuoto filtrazione per gravità filtrazione per aspirazione

5 CENTRIFUGAZIONE 55 TECNICA DI SEPARAZIONE DEI COMPONENTI DI UN SISTEMA ETEROGENEO PER EFFETTO DELLA FORZA CENTRIFUGA CHE AGISCE SU UN CORPO ROTANTE. Forza che agisce sulle particelle solide F= F 1 F 2 = (m 1 m 2 ) ω 2 r F 1 = forza agente sul solido F 2 = spinta di Archimede m 1 = massa del solido m 2 = massa del liquido spostato ω = velocità angolare r = raggio della centrifuga centrifuga separazione solo se m 1 > m 2

6 CRISTALLIZZAZIONE 66 TECNICA DI SEPARAZIONE E PURIFICAZIONE DI SOSTANZE SOLIDE. E E BASATA SULLA DIVERSA SOLUBILITA,, IN UN DETERMINATO SOLVENTE O MISCELA DI SOLVENTI, DEL COMPOSTO DA PURIFICARE RISPETTO ALLE IMPUREZZE. Consiste nello sciogliere la sostanza impura in un adatto solvente riscaldato ali ebollizione e nel raffreddare lentamente la soluzione ottenuta dopo avere eliminato per filtrazione le impurità insolubili. Il solvente è scelto in modo che il composto da purificare sia poco solubile a freddo. Ovviamente le impurità presenti devono essere o insolubili a qualunque temperatura o molto solubili anche a freddo. Se il raffreddamento della soluzione viene condotto lentamente la cristallizzazione inizia con la formazione iniziale di un germe cristallino che si ingrossa lentamente.

7 Scelta del solvente di cristallizzazione 7 7 la solubilità delle impurità deve essere diversa da quella delle sostanze da purificare. Il solvente migliore è quello in cui la sostanza da purificare è molto solubile a caldo e poco a freddo,, e nel quale le impurità sono solubili a tutte le temperature o del tutto insolubili; si devono ottenere cristalli ben formati del composto puro; si devono evitare,, per quanto possibile, i solventi troppo infiammabili e quelli molto volatili; il solvente non deve alterare chimicamente la sostanza. Nella scelta si segue il criterio empirico il simile scioglie il simile.

8 DISTILLAZIONE 88 Tecnica di separazione di liquidi basata sulla differenza del punto di ebollizione dei componenti della miscela. La tecnica consiste c nella vaporizzazione della miscela, nella condensazione dei vapori e nella loro raccolta in un recipiente separato. TIPI DI DISTILLAZIONE: Distillazione semplice (a pressione ordinaria): permette di separare due liquidi miscibili con punti di ebollizione che a pressione atmosferica siano al di sotto di 150 C e che differiscono di almeno 2 5 C. Viene usata anche per separare liquidi basso bollenti da impurezze non volatili. Distillazione frazionata: consiste nella separazione di due o più liquidi miscibili cui temperature di ebollizione differiscono meno di 25 C. Distillazione a pressione ridotta: permette di separare due liquidi miscibili con punti di ebollizione che a pressione atmosferica siano al di sopra di 150 C e che differiscono di almeno 25 C. Viene usata anche per separare liquidi alto bollenti da impurità non volatili. Distillazione in corrente di vapore: permette l'isolamento o la purificazione di liquidi termolabili o altobollenti immiscibili con acqua.

9 Distillazione a pressione ordinaria: Apparecchiatura Usata per liquidi con Teb < 150 C C e T eb. > 25 C. Il liquido più volatile vaporizzerà per primo e sarà separato nel recipiente di raccolta. distillazione frazionata 99 termometro testa di distillazione caldaia calore miscela da separare refrigerante colonna di frazionamento maggiore efficienza eb. < 25 c T eb raccordo uscita per il vuoto recipiente di raccolta del distillato

10 ESTRAZIONE CON SOLVENTE TECNICA DI SEPARAZIONE BASATA SUL TRASFERIMENTO SELETTIVO DI UNO O PIÙ COMPONENTI DI UNA MISCELA SOLIDA, LIQUIDA O GASSOSA DA UN SOLVENTE AD UN ALTRO SOLVENTE IMMISCIBILE CON IL PRIMO. La tecnica consiste nel trattare il campione in esame con un solvente, generalmente organico, nel quale la solubilità del composto desiderato è nettamente superiore rispetto a quella degli altri componenti della miscela. Tecnica molto usata in Chimica Analitica, per l analisi di campioni reali dove è necessario separare parzialmente o completamente l analita indagato dai componenti interferenti del campione. Usata anche Chimica Organica per isolare molti prodotti naturali presenti in tessuti animali e vegetali ad alto contenuto di acqua e per recuperare prodotti preziosi, ottenuti per sintesi, da soluzioni, generalmente acquose, contenenti sottoprodotti indesiderati.

11 Legge di ripartizione Consideriamo un sistema chiuso costituito da un soluto (es. fenolo) e da due liquidi A e B IMMISCIBILI tra loro e CHIMICAMENTE INERTI verso il soluto. Se uno dei due liquidi, per esempio B, è costituito da una soluzione acquosa mentre l altro l è costituito da un solvente organico puro (per esempio etere etilico Et 2 O), si verificherà un graduale passaggio di soluto dalla fase B alla fase A fino al raggiungimento di una situazione e di EQUILIBRIO. Et 2 O + soluto fase A (fase estraente) fase B (fase di origine)

12 Il fenomeno si chiama RIPARTIZIONE ed è regolato dalla LEGGE DI NERNST K = C A C B COSTANTE DI RIPARTIZIONE (o coefficiente di ripartizione: dipende dalla temperatura e dalla coppia di solventi A e B) Legge di NERNST

13 ISOTERME DI RIPARTIZIONE (K=( coefficiente angolare) Per determinare il valore di K è ripartizione (ad una data T). necessario costruire l isoterma l di K > 1 K = 1 In generale, l estrazione l sarà tanto più facile quanto più K > 1. 1 Per K < 100 una sola estrazione non sarà sufficiente. K < 1

14 CARATTERISTICHE SOLVENTE DI ESTRAZIONE: Deve essere IMMISCIBILE con la fase di origine; Deve essere facilmente ALLONTANABILE (volatile); Deve avere una DENSITÀ diversa dalla fase di origine. Deve permettere un estrazione SELETTIVA: Nel caso in cui le sostanze da separare dalla fase di origine siano più di una, ad esempio due, e si voglia separarle per estrazione, è necessario che i due coefficienti di ripartizione K 1 e K 2 siano molto diversi tra loro. In altri termini il coefficiente di separabilità β deve essere molto diverso da 1. 1 β = K 1 K 2 coefficiente di separabilità I solventi estraenti più usati sono: se β = 1 non si può separare la miscela mediante estrazione a) Etere etilico, etere di petrolio, acetato di etile e benzene (meno densi dell acqua) b) Cloroformio, diclorometano,, tetracloruro di carbonio (più densi dell'acqua)

15 TIPI DI ESTRAZIONE: CONTINUA E DISCONTINUA L'estrazione di una o più sostanze da una matrice può essere realizzata in due modi diversi a seconda del coefficiente di ripartizione. SE K È ELEVATO,, l'estrazione si effettua con un procedimento discontinuo che consiste nel trattare la soluzione o la sospensione one da estrarre, due o tre volte, con piccole porzioni di solvente estraente in un apparecchio chiamato IMBUTO SEPARATORE, costituito da un pallone di vetro provvisto di tappo a smeriglio nella parte superiore e di rubinetto di erogazione nella parte inferiore. SE K È BASSO,, si ricorre di solito a processi continui che consentono di evitare I'uso di grandi quantità di solvente. In questo tipo di estrazione, detta anche PERFORAZIONE (o percolazione), si adopera un apparecchio che fa in modo che la soluzione venga ripetutamente te a contatto con porzioni fresche di solvente.

16 ESTRAZIONE DISCONTINUA (K elevato): IMBUTO SEPARATORE 16 16

17 ESTRAZIONE CONTINUA (K basso): PERFORATORI Estrazione Liquido - liquido

18 CROMATOGRAFIA TECNICA DI SEPARAZIONE DI MISCELE OMOGENEE BASATA SULLA DIFFERENTE DISTRIBUZIONE DEI COMPONENTI DA SEPARARE TRA DUE FASI IMMISCIBILI; ; UNA DI ESSE, DEFINITA FISSA O STAZIONARIA (FS), È COSTITUITA DA UN LETTO ATTRAVERSO IL QUALE SI MUOVE L ALTRA L FASE CHE È DEFINITA MOBILE (FM). La tecnica si esegue ponendo la miscela da separare ad un estremità della fase stazionaria e nel far scorrere attraverso di essa la fase mobile. Il risultato è la separazione dei componenti della miscela a causa della loro differente distribuzione tra le due fasi. Come nel caso dell estrazione ciascun componente X della miscela si distribuisce fino al raggiungimento dell equilibrio: X FM X FS K D = C FS C FM Costante di distribuzione

19 direzione della fase mobile fase mobile estremità della fase fissa (deposizione) A B C A B C A A B C C > B K D K D > K D A B C letto di fase fissa L equilibrio di distribuzione è dinamico,, cioè si ha un continuo trasferimento delle sostanze dalla fase stazionaria alla fase mobile e viceversa; come conseguenza di questi ripetuti processi le sostanze migrano quando si trovano nella fase mobile non migrano quando si trovano nella fase stazionaria La velocità di spostamento dipenderà dalla differenza delle costanti di distribuzione K D delle sostanze per le due fasi.

20 Classificazione delle tecniche cromatografiche Le tecniche cromatografiche possono essere classificate sulla base dei seguenti criteri: 1. FASE STAZIONARIA; 2. FASE MOBILE; 3. FENOMENO ALLA BASE DELLA SEPARAZIONE; 4. POLARITA DELLA FASE STAZIONARIA E DELLA FASE MOBILE.

21 1. LA FASE STAZIONARIA SOLIDO LIQUIDO Fase stazionaria solida Cromatogr. ADSORBIMENTO Cromatogr. RIPARTIZIONE macchia dell analita C Cromatografia su strato sottile TLC (la fase mobile si muove per Capillarità) lastrina (vetro o allum.) FM B A A B C miscela F M miscela A B C Cromatografia su COLONNA (la fase mobile si muove per gravità) F S bande degli analiti colonna A B C

22 2. LA FASE MOBILE FENOMENO ALLA BASE DELLA SEPARAZIONE a) Cromatografia di adsorbimento: b) Cromatografia di ripartizione: c) Cromatografia a scambio ionico: d) Cromatografia ad esclusione dimensionale:

23 a) CROMATOGRAFIA DI ADSORBIMENTO (colonna,( TLC colonna, TLC) la fase stazionaria è un solido adsorbente e la separazione è basata su un susseguirsi di stadi di adsorbimento e desorbimento; regolata dalla K D = C FS CFM Costante di distribuzione Adsorbimento: la capacità di alcuni solidi porosi e finemente suddivisi di tener legate molecole di soluto sulla loro superficie. Adsorbenti: GEL DI SILICE (SiO 2 ) ed ALLUMINA (Al 2 O 3 ) Si preparano rispettivamente per trattamento del silicato di sodio con HCl e per disidratazione dell idrossido di alluminio. silicato di sodio Acido silicico (gel di silice)

24 I legami degli analiti con l adsorbente: Composti non polari: 1) forze di Van der Waals. Composti polari: 1) forze dipolo-dipolo, dipolo, 2) legami di idrogeno δ- δ+ δ- δ- δ- δ+ δ- δ+ δ- δ- forze dipolo-dipolo (composti polari) legami idrogeno (composti ossidrilici) QUANTO PIU E POLARE IL GRUPPO FUNZIONALE TANTO PIU SARÀ TRATTENUTO SULL' ALLUMINA E SUL GEL DI SILICE.

25 ORDINE DI ELUIZIONE DEI PIÙ COMUNI COMPOSTI ORGANICI: poco ritenuti: eluiti per primi < acidi La forza dell eluente eluente dipende dalla sua polarità. poco polare: scarsa forza eluente molto ritenuti: eluiti per ultimi Esano < etere di petrolio < benzene < etere etilico < acetato di etile < acetone < etanolo < metanolo < acqua molto polare:

26 b) CROMATOGRAFIA DI RIPARTIZIONE RIPARTIZIONE (Gascromatografia,, carta) La fase stazionaria è un liquido adsorbito su un solido inerte La fase mobile è un liquido (oppure un gas). Si tratta quindi di un applicazione del principio di ripartizione di una sostanza tra due fasi liquide analogamente a quanto si verifica per l estrazione l con solvente. regolata dalla K = C A C B COSTANTE DI RIPARTIZIONE Supporti solidi: : gel di silice, farina fossile o cellulosa

27 c) Cromatografia a scambio ionico Usata per separare miscele di composti di tipo ionico o ionizzabili. ili. La fase stazionaria è costituita da polimeri reticolati,, insolubili in acqua e nei comuni solventi organici, contenenti gruppi anionici o cationici. La fase mobile è costituita da un tampone acquoso avente un ph regolabile. Le resine vengono distinte in scambiatrici di cationi e resine scambiatrici di anioni. I gruppi ionici più comuni presenti sulle resine sono il gruppo solfonico (Res - = RSO - 3 ) per le resine a scambio cationico e quello ammonico (Res + = RNH + 3 ) per quelle a scambio anionico. Il catione inizialmente presente sulle prime è lo ione H +, mentre sulle seconde è lo ione Cl -. Gli equilibri di scambio sono: 27 27

28 d) Cromatografia ad esclusione dimensionale (o gel permeazione) Le sostanze sono separate in base alla loro dimensione molecolare sfruttando la loro capacità di penetrare in una struttura porosa. La fase stazionaria è costituita da un polimero reticolato che si gonfia al passaggio della fase mobile formando pori di dimensioni opportune. Le molecole di dimensioni più piccole entrano nei pori, mentre quelle più grandi seguono la fase mobile (vengono escluse). Le molecole emergeranno dalla colonna in un tempo inversamente proporzionale alle loro dimensioni

29 4) POLARITA DELLA FASE STAZIONARIA E DELLA FASE MOBILE cromatografia a fase normale: : il letto stazionario è di natura fortemente polare (per esempio silice) e la fase mobile è non polare (per esempio n-esano n o etere etilico). I campioni polari sono quindi ritenuti nella colonna per p tempi più lunghi dei campioni non polari o poco polari. 2. cromatografia a fase inversa: il letto stazionario ha carattere non polare, mentre la fase mobile è un liquido polare, come ad esempio acqua o alcool. In questo caso quanto più il campione è di tipo non polare, tanto più tempo esso trascorrerà all'interno della colonna.

30 CROMATOGRAFIE DI ADSORBIMENTO [Colonna, TLC] Cromatografia su colonna. Il solido adsorbente è posto in un tubo di vetro di varia lunghezza e diametro e forma una colonna attraverso la quale si fa fluire la fase mobile. La colonna è dotata di rubinetto di erogazione per regolare il flusso del solvente. Nella parte terminale è posto cotone o lana di vetro che serve a bloccare la fuoriuscita del solido. Il riempimento di fase stazionaria deve essere fatto con attenzione in modo che il letto di fase stazionaria sia uniforme. La miscela da separare è posta sulla sommità della fase stazionaria. La fase mobile è fatta fluire continuamente, mentre dal basso avviene la raccolta dell eluato eluato in recipienti. Man mano che l eluizionel procede i componenti la miscela si separano in bande che si spostano verso il basso. Ogni banda fuoriesce dal fondo della colonna e può essere raccolta prima che arrivi la banda successiva

31 bande eluato

32 Principi teorici cromatogramma t R = t M + t S t R t s t S = t M t R = TEMPO DI RITENZIONE TEMPO DI RITENZIONE = tempo totale trascorso dal soluto nel sistema cromatografico Rapporto di ritenzione: FATTORE DI RITENZIONE: la frazione di la tempo frazione che una di tempo molecola che di soluto una trascorre molecola nella di fase soluto mobile: trascorre nella fase mobile

33 33 33 Definiamo le VELOCITÀ DI MIGRAZIONE LINEARE media del soluto (V) e della fase mobile (U): V = L t R U = L t M L= lunghezza della fase stazionaria La velocità di migrazione del soluto dipende dai volumi della FM ed FS ed è inversamente proporzionale alla costante di distribuzione K.

34 CROMATOGRAFIA SU STRATO SOTTILE TLC (THIN LAYER CHROMATOGRAPHY) Cromatografia di adsorbimento in cui la fase stazionaria è distesa uniformemente su una lastra di vetro o di alluminio,, alla quale si fa aderire in modo da formare uno strato sottile sul quale la fase mobile viene fatta muovere verso l alto l per azione capillare; Gli adsorbenti più comunemente usati sono gel di silice e l allumina. Le dimensioni delle particelle di fase stazionaria ( µm); Gli eluenti usati gli stessi della cromatografia su colonna;

35 Fattore di ritenzione in TLC: R f < R f < 1 fronte del solvente R = fa h A / h s h s h B h A R = h fb B / h s

36 Esperienza di laboratorio Separazione mediante TLC di cinque coloranti organici in miscela Obiettivo: individuare l eluente l più idoneo alla separazione, mediante TLC, dei cinque componenti di una miscela di coloranti effettuando lo sviluppo di lastrine di gel di silice con eluenti caratterizzati da diversa polarità.. Determinare per ciascun componente il fattore di ritenzione. 1 fase. Effettuare 4 sviluppi TLC della miscela usando i 4 eluenti: Eluente A: esano (5 ml) Eluente B: acetato di etile (5 ml) Eluente C: 70 % esano : 30% acetato di etile (3.5 ml esano : 1.5 ml acetato di etile) Eluente D: 30 % esano : 70% acetato di etile (1.5 ml esano : 3.5 ml acetato di etile) Migliore eluente 2 fase. Ricavare l R f per ogni componente e per ogni sviluppo. Quindi, valutare quale dei 4 eluenti è quello migliore (visualizza più macchie, ossia massima separazione o massimo valore del R f ).....