Laboratorio de Quimica

En 1906, Tswett definió la cromatografía como: método en el cual los componentes de una mezcla son separados en una columna adsorbente dentro de un sistema fluyente. En la cual los componentes son distribuidos entre dos fases, una de las cuales es estacionaria, mientras que la otra es móvil. La fase estacionaria puede ser un sólido o un líquido, soportado en un sólido o en un gel. Mientras que la móvil es un solvente.

Hoy en día casi no hay campo de la química, biología, medicina, etc. en el que no se utilice la cromatografía en alguna de sus formas, tanto en su vertiente preparativa como en laanalítica; por otra parte el desarrollo sobre el uso conjunto de la cromatografía con otrastécnicas analíticas, así como el desarrollo de otros tipos de cromatografía, como es por ejemplo la de fluidos supercríticos, hace previsible una extensión aún mayor de su uso.

La cromatografía puede cumplir dos funciones básicas que no se excluyen mutuamente:
> Separar los componentes de la mezcla, para obtenerlos más puros y que puedan ser usados posteriormente (etapa final de muchas síntesis).
> Medir la proporción de los componentes de la mezcla (finalidad analítica). En este caso, las cantidades de material empleadas son pequeñas.

Tipos de Cromatografía.

Las técnicas cromatografías pueden clasificarse en función del mecanismo de
Separación de los componentes entre las fases, o bien por la forma de operar del sistema.
a) Mecanismos de separación
En función del mecanismo de separación, las técnicas de cromatografía pueden clasificarse en:

Cromatografía de adsorción: La separación depende de los equilibrios de adsorción-desorción de los componentes de la mezcla, entre la fase estacionaria sólida y la fase móvil líquida o gaseosa. La fuerza con que es adsorbido un componente depende de la polaridad de este, de la actividad del adsorbente y de la polaridad de la fase móvil. En general cuanto más polar es un compuesto más fácilmente será adsorbido. La cromatografía de adsorción, es una técnica que está particularmente bien adaptada para la separación de compuestos de polaridad baja y media. La separación de compuestos muy polares mediante cromatografía de adsorción requiere, debido a la gran retención que ofrecen, la utilización de adsorbentes muy poco activos, o bien, tratamientos químicos previos para la preparación de la muestra a fin de reducir su polaridad.

Cromatografía de reparto: Está basada en la separación de una mezcla de substancias mediante el reparto existente entre la fase móvil (líquido o gas) y la fase estacionaria (líquida) soportada o ligada sobre un sólido adecuado. La
mayor o menor migración de un compuesto en este tipo de cromatografía, será función del coeficiente de reparto de éste entre la fase estacionaria y la fase móvil:
La cromatografía de reparto es utilizable para la separación de mezclas de compuestos de polaridad media y alta. Ejemplos de este tipo de cromatografía, son las cromatografías sobre papel, sílice hidratada y la cromatografía líquida de alta eficacia en fase reversa.

Cromatografía por tamaño molecular: También llamada de permeación de gel o de tamiz molecular. Consiste en la separación de las moléculas basándose en su tamaño en lugar de en su solubilidad o polaridad. Las fases estacionarias empleadas para este tipo de cromatografía son inorgánicas (zeolitas), o geles orgánicos compatibles con disolventes acuosos (agarosa, poliacrilamida) u orgánicos. Estas fases estacionarias poseen cavidades en las cuales las moléculas de los compuestos a separar pueden penetrar y ser retenidas, siendo las moléculas mayores las eluidas de la columna en primer lugar; el rango de trabajo de estas fases estacionarias, se define como el intervalo de pesos moleculares que pueden ser separados; otro parámetro que caracteriza a este tipo de fases, es su límite de exclusión, que se define como el peso molecular a partir del cual los compuestos pasarán a través del lecho estacionario sin experimentar retención.

Cromatografía de cambio iónico: Las separaciones por intercambio iónico, se llevan a cabo con materiales insolubles y de textura porosa, los cuales presentan grupos reactivos asociados a iones lábiles capaces de intercambiarse con los del medio que les rodea, por lo que inevitablemente este tipo de cromatografía ha de realizarse en medio líquido. La cromatografía de intercambio iónico, es utilizable para la separación de substancias iónicas, tanto inorgánicas como orgánicas.

Cromatografía de papel: es un proceso donde el absorbente lo constituye un papel de Filtro. Una vez corrido el disolvente se retira el papel y se deja secar, se trata con un reactivo químico con el fin de poder revelar las manchas.


Cromatografía de capa fina: se basa en la preparación de una capa uniforme, de un adsorbente mantenido sobre una placa de vidrio u otro soporte.

b) Formas de separación.
Otra posible clasificación de las técnicas cromatográficas, está basada en la forma de operar del sistema cromatográfico. Básicamente existen cuatro formas de operación:

Análisis por desarrollo: Es el método utilizado en los experimentos iniciales de cromatografía. El cromatograma se desarrolla hasta que el frente de disolvente alcanza el final del lecho estacionario, de forma que los constituyentes de la mezcla una vez separados permanecen sobre el lecho al finalizar la separación. La técnica de análisis por desarrollo presenta la ventaja de que es analizable la totalidad de la muestra, incluyendo los compuestos de
muy baja o muy alta retención. Se utiliza fundamentalmente en cromatografía de papel y capa fina.

Análisis por elución: Es la técnica utilizada en casi todas las separaciones cromatográficas analíticas y en muchas preparativas. En ella, el paso de la fase móvil se continúa indefinidamente hasta que los componentes separados de la mezcla emergen al final del lecho cromatográfico. Esta técnica presenta la desventaja de que los compuestos con retenciones muy altas pueden no ser observados.

Análisis frontal: Este método está basado en la diferencia de afinidad del adsorbente por cada una de las sustancias a separar. Se utiliza una pequeña columna, que es saturada sucesivamente por cada una de las substancias a separar, emergiendo de ella el primer componente puro hasta que la columna se satura del segundo componente, momento en el que empezará a emerger éste mezclado con el primero. El análisis frontal tiene su principal aplicación como técnica preparativa para la purificación de substancias.

Análisis por desplazamiento: En este caso, la substancia desplazante va incorporada dentro de la fase móvil. Este método se utiliza tanto para separaciones analíticas como preparativas, siendo muy utilizada en cromatografía de cambio iónico.

La polaridad química o sólo polaridad es una propiedad de las moléculas que representa la desigualdad de las cargas eléctricas en la misma. Esta propiedad se relaciona con otras propiedades químicas y físicas. Al formarse una molécula de forma covalente el par de electrones tiende a desplazarse hacia el átomo que tiene mayor carga nuclear Esto origina una densidad de carga desigual entre los núcleos que forman el enlace. El enlace es más polar cuanto mayor sea la diferencia entre las electronegatividades de los átomos que se enlazan

En resumen la cromatografía es una técnica ampliamente utilizada en la resolución de macromoléculas de interés en la industria biotecnológica, biológica y bioquímica. Esta versión instrumental de la cromatografía convencional resulta ventajosa debido a los pequeñísimos volúmenes que se necesitan para el estudio en cuestión y los resultados se obtienen en un mínimo de tiempo.

Practica 4

Cristalización y Sublimación.

Cristalización.

Es el proceso físico por medio del cual es posible separar  un componente de una mezcla, transformando y desarrollando un sólido cristalino. Los dos solidos cristalinos o cristales pueden obtenerse a partir de un gas, un líquido o una disolución.

La cristalización es el proceso mediante el cual las moléculas se ordenan de un modo natural formando un retículo repetitivo que denominamos cristal. No es objeto de estas páginas hacer una presentación exhaustiva de las diferentes técnicas de cristalización que se pueden encontrar en muchos libros de texto o en diferentes páginas web, y sólo nos detendremos brevemente en algunas de las técnicas más extendidas que se usan para obtener cristales de proteínas.

Esta es una operación necesaria para la producción de productos químicos que se presentan principalmente en forma de polvos o cristales. También es una técnica, empleada frecuentemente para la identificación purificación y separación de sustancias sólidas. Dentro de la cadena de operaciones unitarias de los procesos de fabricación, esta se ubica después de la evaporación de los cristales y envasado de un producto.

Forma de Obtener Cristales.

Cristalización por vía húmeda.

1.-Se prepara una solución saturada de cierto sólido que se desea cristalizar, por ejemplo la sal común (NaCl), y se deja reposar en recipientes cilíndricos de vidrio, anchos y bajos llamados cristalizadores.

El disolvente, el agua por ejemplo se evapora y el sólido disuelto cristaliza poco a poco. Esta operación se puede agilizar agregando un sólido inerte insoluble (soporte) o bien introduciendo en el cristalizador una pequeña cantidad del sólido que se desea cristalizar.

2.-Se prepara una solución saturada en disolvente caliente, luego de dejar enfriar se obtiene una solución sobresaturada y pronto aparecen los cristales. Este fenómeno ocurre debido a que la solubilidad del sólido a menos temperatura es menor; entonces el exceso que no puede disolverse en el disolvente frio se precipita en forma de solido cristalino. El líquido en el cual se han formado los cristales se conoce como aguas madres.

Cristalización por vía seca.

Se puede seguir también mediante dos procedimientos:

1.-Se funde (se pasa al estado líquido) el sólido a alta temperatura. Luego se enfría y al solidificarse se forman los cristales, así por ejemplo se obtiene el azufre cristalizado.

2.-Ciertos sólidos que fácilmente se subliman (paso de sólido a gas), como gas o vapor se pone en contacto con una superficie fría, y sobre esta se forman los cristales. Así se cristaliza el Iodo y el ácido benzoico (C₇H₆O₂).

La cristalización es una operación unitaria de aplicación muy amplia en la industria química, para la purificación de compuestos solidos que requieren de una alta pureza, buena apariencia y un manejo fácil en su transportación. Esta operación resulta ser económica debido a que se pueden recuperar los disolventes utilizados en cada etapa y recircular posteriormente al sistema de proceso.

Redes Cristalinas.

La red cristalina está formada por iones de signo opuesto, de manera que cada uno crea a su alrededor un campo eléctrico que posibilita que estén rodeados de iones contrarios.

Los sólidos cristalinos mantienen sus iones prácticamente en contacto mutuo, lo que explica que sean prácticamente incompresibles. Además, estos iones no pueden moverse libremente, sino que se hallan dispuestos en posiciones fijas distribuidas desordenadamente en el espacio formando retículos cristalinos o redes espaciales. Los cristalografos clasifican los retículos cristalinos en siete tipos de poliedros llama sistemas cristalográficos. Se clasifican de acuerdo con las longitudes relativas de los tres ejes de la celda unitaria y las magnitudes de los tres ángulos entre los ejes. En cada uno de ellos los iones pueden ocupar los vértices, los centros de las caras o el centro del cuerpo de dichos poliedros. El más sencillo de éstos recibe el nombre de celdilla unidad.

Uno de los parámetros básicos de todo cristal es el llamado índice de coordinación que podemos definir como el número de iones de un signo que rodean a un ion de signo opuesto. Podrán existir, según los casos, índices diferentes para el catión y para el anión.

El índice de coordinación, así como el tipo de estructura geométrica en que cristalice un compuesto iónico dependen de dos factores:

• Tamaño de los iones. El valor del radio de los iones marcará las distancias de equilibrio a que éstos se situarán entre sí por simple cuestión de cabida en el espacio de la red.

• Carga de los iones. Se agruparán los iones en la red de forma que se mantenga la electro neutralidad del cristal. 

El número de iones existentes en la red cristalina es indefinido, de manera que la fórmula con que caracterizamos una sustancia iónica sólo indica la cantidad relativa (proporción) de iones de uno u otro signo que deben existir en el cristal para mantener la neutralidad eléctrica.

Podemos agrupar la mayor parte de los compuestos iónicos en una serie de estructuras: 

Red	Índice de coordinación	Compuesto
Cúbica centrada en el cuerpo	8	CsCl, CsBr, Csl
Cúbica centrada en las caras	6	NaCl, NaBr, Nal, MgO, CaO
Tetraédrica	4	ZnS, BeO, BeS
Tipo fluorita	Catión = 8 Anión = 4	CaF2, SrF2, BaCl2
Tipo rutilo	Catión = 6 Anión = 3	TiO2, SnO2, PbO2

Clasificación de Cristales.

Los cristales se pueden clasificar en cuatro tipos de acuerdo con la clase de partículas que forman el cristal y alas fuerza que las mantiene juntas. El metálico, el iónico, covalente y molecular.

Metálico.

Los átomos constituyentes están unidos por enlace metálico: Los elementos metálicos poseen 1, 2 ó 3 electrones en la capa electrónica externa de sus átomos, los cuales están débilmente unidos al núcleo por lo que se pueden perder con facilidad.

Los cristales metálicos tienen las siguientes propiedades:

Ø  Son sólidos cristalinos, excepto el mercurio, que es líquido.

Ø  Suelen ser bastante duros, al estar unidos los átomos de modo muy compacto.

Ø  Son maleables 

Covalente.

La unión entre los átomos es mediante enlace covalente. Esto origina sólidos muy duros, de puntos de fusión y ebullición muy elevados.

Algunos ejemplos de cristales covalentes: diamante, grafito, cuarzo.

Iónico.

 Los átomos de ciertos elementos consiguen completar su última capa electrónica mediante la pérdida o ganancia de electrones:

v  Los elementos con pocos electrones en su última capa (como los metales), pueden perderlos fácilmente. El resultado es un ion (átomo con carga eléctrica neta distinta de 0) con cargas positivas de más: un catión.

v  Los elementos a los que le faltan pocos electrones para completar su última capa electrónica (como  los no metales), tiene facilidad para atraer electrones hasta completarla. el resultado es un ion con exceso de cargas negativas: un anión.

Los cristales iónicos tienen las siguientes propiedades:

v  Sólidos a temperatura ambiente.

v  Puntos de fusión y ebullición elevados.

v  No conducen la corriente eléctrica en estado sólido, pero si lo hacen en disolución.

Moleculares.

Las moléculas que originan este tipo de cristales están unidas por fuerzas de Van der Waals, cuyo ejemplo lo representa CH₄, con una energía de cohesión de 0.1 ev/átomo. Son blandos, con puntos de fusión y de ebullición baja y soluble en líquidos covalentes.  

Sublimación.

Es el proceso que consiste en el cambio de estado de sólido al estado gaseoso sin pasar por el estado líquido. Al proceso inverso se le denomina deposición o sublimación regresiva; es decir, el paso directo del estado gaseoso al estado sólido. Un ejemplo clásico de sustancia capaz de sublimarse a presión y temperatura ambiente es el hielo seco.

Estados de Agregación de la Materia.

La materia se presenta en tres estados o formas de agregación: sólido, líquido y gaseoso. Dadas las condiciones existentes en la superficie terrestre, sólo algunas sustancias pueden hallarse de modo natural en los tres estados, tal es el caso del agua. La mayoría de sustancias se presentan en un estado concreto. Así, los metales o las sustancias que constituyen los minerales se encuentran en estado sólido y el oxígeno o el CO₂ en estado gaseoso.

Estado Sólido.

Los sólidos se caracterizan por tener forma y volumen constantes. Esto se debe a que las partículas que los forman están unidas por unas fuerzas de atracción grandes de modo que ocupan posiciones casi fijas. En el estado sólido las partículas solamente pueden moverse vibrando u oscilando alrededor de posiciones fijas, pero no pueden moverse trasladándose libremente a lo largo del sólido. Las partículas en el estado sólido propiamente dicho, se disponen de forma ordenada, con una regularidad espacial geométrica, que da lugar a diversas estructuras cristalinas.

Estado Líquido.

Los líquidos, al igual que los sólidos, tienen volumen constante. En los líquidos las partículas están unidas por unas fuerzas de atracción menores que en los sólidos, por esta razón las partículas de un líquido pueden trasladarse con libertad. El número de partículas por unidad de volumen es muy alto, por ello son muy frecuentes las colisiones y fricciones entre ellas.
Así se explica que los líquidos no tengan forma fija y adopten la forma del recipiente que los contiene. También se explican propiedades como la fluidez o la viscosidad.

Estado Gaseoso.

Los gases, igual que los líquidos, no tienen forma fija pero, a diferencia de éstos, su volumen tampoco es fijo. También son fluidos, como los líquidos.
En los gases, las fuerzas que mantienen unidas las partículas son muy pequeñas. En un gas el número de partículas por unidad de volumen es también muy pequeño. Las partículas se mueven de forma desordenada, con choques entre ellas y con las paredes del recipiente que los contiene. La compresibilidad tiene un límite, si se reduce mucho el volumen en que se encuentra confinado un gas éste pasará a estado líquido.

Plasma.

Se denomina plasma al cuarto estado de agregación de la materia, un estado fluido similar al estado gaseoso pero en el que determinada proporción de sus partículas están cargadas eléctricamente y no poseen equilibrio electromagnético, por eso son buenos conductores eléctricos y sus partículas responden fuertemente a las interacciones electromagnéticas de largo alcance. El plasma presenta características propias que no se dan en los sólidos, líquidos o gases, por lo que es considerado otro estado de agregación de la materia. Como el gas, el plasma no tiene una forma definida o un volumen definido, a no ser que esté encerrado en un contenedor.

Cambios de estado de agregación de la materia.

Son los procesos en los que un estado de la materia cambia a otro manteniendo una semejanza en su composición. A continuación se describen los diferentes cambios de estado o transformaciones de fase de la materia:

Fusión: Es el paso de un sólido al estado líquido por medio del calor; durante este proceso endotérmico (proceso que absorbe energía para llevarse a cabo este cambio) hay un punto en que la temperatura permanece constante. El "punto de fusión" es la temperatura a la cual el sólido se funde, por lo que su valor es particular para cada sustancia. Cuando dichas moléculas se moverán en una forma independiente, transformándose en un líquido.

Solidificación: Es el paso de un líquido a sólido por medio del enfriamiento; el proceso es exotérmico. El "punto de solidificación" o de congelación es la temperatura a la cual el líquido se solidifica y permanece constante durante el cambio, y coincide con el punto de fusión si se realiza de forma lenta (reversible); su valor es también específico.

Vaporización y ebullición: Son los procesos físicos en los que un líquido pasa a estado gaseoso. Si se realiza cuando la temperatura de la totalidad del líquido iguala al punto de ebullición del líquido a esa presión continuar calentándose el líquido, éste absorbe el calor, pero sin aumentar la temperatura: el calor se emplea en la conversión del agua en estado líquido en agua en estado gaseoso, hasta que la totalidad de la masa pasa al estado gaseoso. En ese momento es posible aumentar la temperatura del gas.

Condensación: Se denomina condensación al cambio de estado de la materia que se pasa de forma gaseosa a forma líquida. Es el proceso inverso a la vaporación. Si se produce un paso de estado gaseoso a estado sólido de manera directa, el proceso es llamado sublimación inversa. Si se produce un paso del estado líquido a sólido se denomina solidificación.

Sublimación: Es el proceso que consiste en el cambio de estado de la materia sólida al estado gaseoso sin pasar por el estado líquido. Al proceso inverso se le denomina Sublimación inversa; es decir, el paso directo del estado gaseoso al estado sólido. Un ejemplo clásico de sustancia capaz de sublimarse es el hielo seco.

Es importante hacer notar que en todas las transformaciones de fase de las sustancias, éstas no se transforman en otras sustancias, solo cambia su estado físico.

Supersolido.

Este material es un sólido en el sentido de que la totalidad de los átomos del helio-(4) que lo componen están congelados en una película cristalina rígida, de forma similar a como lo están los átomos y las moléculas en un sólido normal como el hielo. La diferencia es que, en este caso, “congelado” no significa “estacionario”.

Como la película de helio-4 es tan fría, comienzan a imperar las leyes de incertidumbre cuántica. En efecto, los átomos de helio comienzan a comportarse como si fueran sólidos y fluidos a la vez. De hecho, en las circunstancias adecuadas, una fracción de los átomos de helio comienza a moverse a través de la película como una sustancia conocida como “súper-fluido”, un líquido que se mueve sin ninguna fricción. De ahí su nombre de “súper-sólido”.

Superliquido.

El superfluido es un estado de la materia caracterizado por la ausencia total de viscosidad (lo cual lo diferencia de una sustancia muy fluida, la cual tendría una viscosidad próxima a cero, pero no exactamente igual a cero), de manera que, en un circuito cerrado, fluiría interminablemente sin fricción. Fue descubierta en 1937 por Piotr Kapitsa, John F. Allen y Don Misener, y a su estudio se lo llama hidrodinámica cuántica.

Es un fenómeno físico que tiene lugar a muy bajas temperaturas, cerca del cero absoluto, límite en el que cesa toda actividad. Un inconveniente es que casi todos los elementos se congelan a esas temperaturas. Pero hay una excepción: el helio. Existen dos isótopos estables del helio, el helio-4 y el helio-3 y se produce en la desintegración beta del tritio en reactores nucleares. También se encuentra en la superficie de la Luna, arrastrado hasta allí por el viento solar.