008 – Separación de productos por punto de ebullición 1

La destilación es la técnica de separación fundamental del mundo químico. Las refinerías la utilizan a escala colosal para dividir el petróleo crudo en combustibles, las plantas desalinizadoras la usan para obtener agua dulce del mar, y los destiladores de todas las tradiciones la han empleado durante siglos para concentrar alcohol. Siempre que dos componentes de una mezcla líquida difieran en su facilidad para vaporizarse, la destilación puede separarlos.

El principio es una diferencia en los puntos de ebullición. Cuando se calienta una solución de un sólido no volátil, solo hierve el disolvente: sus moléculas escapan en forma de vapor, mientras que el sólido disuelto, cuyo propio punto de ebullición se encuentra cientos de grados más alto, se queda atrás. Conducido y enfriado, el vapor se condensa de nuevo en líquido, ahora libre del soluto que dejó en el matraz. El calentamiento impulsa el cambio de fase de líquido a gas; el enfriamiento lo invierte; y el soluto, incapaz de realizar cualquiera de los dos trayectos, se separa de su disolvente.

En este laboratorio separará una solución de sulfato de cobre en sus dos componentes: el agua se evaporará por ebullición, se condensará en un tubo de ensayo enfriado por un baño de hielo y se recuperará como destilado, mientras que el sulfato de cobre permanecerá en el matraz Erlenmeyer como un residuo sólido. Usted mismo montará el aparato completo, controlará el calentamiento y observará ambas mitades de la separación ocurrir al mismo tiempo.

Objetivos Educativos

Familiarización con el entorno del laboratorio

• Identificar la disposición y el equipo del laboratorio de destilación, incluyendo la placa calefactora con agitador magnético, el soporte de laboratorio con sus pinzas, la probeta graduada, el termómetro, el cronómetro y el baño de hielo.

Montaje de un aparato de destilación

• Monta la trayectoria de vapor completa —matraz Erlenmeyer con tapón, codo de vidrio, conector y tubo colector refrigerado— y explica la función de cada parte.
• Coloque las pinzas a las alturas prescritas para que el tubo colector quede en el baño de hielo y el conector haga puente con el matraz.

Calentamiento controlado de una solución

• Ajuste la temperatura objetivo de la placa calefactora y supervise el termómetro y la tabla de resultados a medida que la solución se acerca al punto de ebullición.
• Mantén la temperatura dentro de los 5 °C del punto de ebullición del agua y explica por qué el sobrecalentamiento corre el riesgo de descomponer el soluto.
• Use el agitador magnético para mantener la solución mezclada y la ebullición uniforme.

Dominio del vocabulario de la destilación

• Utiliza correctamente los términos disolvente, soluto, vapor, condensación, destilado y residuo, asociando cada uno de ellos con lo observado en el experimento.

Comprender la física de la separación

• Explique la separación en función de la diferencia de volatilidad entre el agua y un sólido iónico.
• Describa los dos cambios de fase involucrados y dónde ocurre cada uno en el aparato.

Protocolo

1. Con la probeta graduada de 70 mL, mide aproximadamente 60 mL de sulfato de cobre (CuSO₄) 1M.₄) solución.
2. Vierte el líquido medido en el matraz Erlenmeyer de 250 mL.
3. Inserta una barra de agitación magnética en el matraz Erlenmeyer.
4. Cierra el matraz Erlenmeyer con el tapón de goma de dos agujeros, incluido el codo de vidrio.
5. Coloca el matraz Erlenmeyer en la plancha calefactora.
6. Inserte el termómetro en el orificio del tapón con un codo de vidrio.
7. Llena hasta la mitad el vaso de precipitados de 500 mL que contiene hielo con agua fría del grifo.
8. Coloca el vaso de precipitados a la derecha de la placa calefactora.
9. Fija una prensa universal al soporte, por encima del vaso de precipitados con hielo, a una altura de aproximadamente 15 cm (posición inferior).
10. Fije el tubo de ensayo vacío a la pinza de manera que quede posicionado en el vaso de precipitado con hielo.
11. Fija la otra abrazadera universal al soporte, a una altura de aproximadamente 30 cm (posición superior).
12. Conecte el conector morado a la pinza superior, lo que permitirá la conexión entre el tubo de ensayo y el matraz Erlenmeyer.
13. Inicie el agitador magnético.
14. Pon en marcha el cronómetro.
15. Ajusta la placa calefactora a 105°C.
16. Verifica que el punto de ebullición del agua (100°C) se alcance en el termómetro, así como en la tabla de resultados.

Tenga en cuenta que en este experimento, la velocidad de ebullición del agua se multiplica por 2.

17. Calentar sin exceder el punto de ebullición del agua en más de 5 grados °C y asegurarse de no quemar el soluto.

Después de alcanzar la temperatura de 100°C, se debe esperar un retraso de entre 45 y 60 segundos antes del inicio de la reacción de ebullición.

18. Cuando casi todo el disolvente se haya evaporado y se observe un residuo sólido azul, apague el agitador y reduzca la temperatura objetivo de la placa calefactora a 15°C.
19. El contenido del tubo de ensayo es el disolvente y ahora se denomina destilado.
20. El contenido del matraz Erlenmeyer es el soluto.

Resultados esperados

Resultados esperados. La solución se separa en un residuo sólido en el matraz Erlenmeyer y un destilado transparente e incoloro en el tubo colector.

Por qué solo el agua sale del matraz. A presión atmosférica, el agua hierve a 100 °C. El sulfato de cobre, en contraste, es un sólido iónico mantenido unido por fuertes fuerzas electrostáticas: no tiene un punto de ebullición cercano a esta temperatura y se descompone en lugar de hervir cuando se calienta fuertemente. A 105 °C, el vapor que asciende del matraz es, por lo tanto, agua esencialmente pura; el Cu²⁺ y ASÍ₄²⁻ Los iones no pueden seguir. La cantidad de soluto está determinada por la composición de la solución: n = C × V = 1.0 mol/L × 0.060 L = 0.060 mol.

Por qué el vapor se condensa en el tubo de ensayo. El vapor de agua transporta su calor de vaporización consigo. Cuando llega al tubo colector situado en el baño de hielo, esa energía se disipa en el entorno frío y el vapor vuelve a ser líquido: el mismo cambio de fase en sentido inverso. El líquido condensado se denomina destiladoes agua recuperada de la solución, dejando atrás su soluto anterior.

Por qué la calefacción debe ser suave. Dos razones. Primero, el objetivo de 105 °C —apenas por encima del punto de ebullición— mantiene el agua hirviendo de manera constante sin sobrecalentar el sólido que queda atrás a medida que el líquido desaparece; un residuo sobrecalentado se carboniza o se descompone, contra lo cual advierte el protocolo al señalar que se quema el soluto. Segundo, a medida que se elimina el agua, la solución restante se vuelve más concentrada y su punto de ebullición se eleva ligeramente por encima de los 100 °C —un efecto coligativo—, por lo que realmente se necesita un pequeño margen por encima de los 100 °C para mantener la destilación en marcha. La pausa de 45 a 60 segundos después de que el termómetro marca 100 °C por primera vez refleja el calor adicional necesario para llevar todo el volumen a ebullición, y no solo los alrededores del sensor.

Resumen de la asignación por rango de calificación

Grados 9–10

• Enfoque: un sólido disuelto y su disolvente se pueden separar por punto de ebullición, y cada fracción recuperada tiene un nombre.
• Actividades monta el aparato siguiendo el protocolo y realiza la destilación de forma segura; observa dónde ocurren la evaporación y la condensación y señálalas en el aparato; nombra el destilado y el residuo e indica qué componente de la solución original es cada uno; registra cuándo comienza la ebullición y cuándo el residuo se hace visible por primera vez.

Undécimo grado

• Enfoque: el lado cuantitativo de la separación y los cambios de fase que la impulsan.
• Actividades calcular la cantidad de sulfato de cobre en el matraz a partir de la concentración y el volumen; predecir la masa de residuo para la sal anhidra y para el pentahidrato utilizando sus masas molares; explicar por qué el vapor es agua pura en términos de volatilidad; explicar por qué el punto de ebullición de la solución aumenta a medida que avanza la destilación.

12.º curso / Nivel universitario

• Enfoque: hidratos, balance energético y la evaluación de una separación.
• Actividades utilice el color y la masa observados del residuo para inferir su estado de hidratación, y proponga el calentamiento a masa constante como la prueba que lo resolvería; estime la energía requerida para vaporizar el agua utilizando el calor de vaporización; explique la masa que no aparece en ninguna de las fracciones recuperadas; compare la destilación con la evaporación hasta sequedad y justifique cuándo vale la pena el aparato adicional.

Esenciales de laboratorio

Instrumentos

• Vaso de precipitados (50 mL y 500 mL)
• Erlenmeyer (250 ml)
• Probetas graduadas (70 ml)
• Plancha eléctrica
• Soporte de laboratorio y pinzas
• agitador magnético
• Conector de plástico
• Tubos de ensayo
• Termómetro
• Cronómetro
• Codo de vidrio

Productos

• Solución 1M de sulfato de cobre