U4 Separación Mecánica por Métodos Difusionales PDF

OPERACIONES BÁSICAS DE LABORATORIO C.F.G.M Farmacia y Parafarmacia UNIDAD 4: SEPARACIÓN MECANICA POR METODOS DIFUSIONALES. Laura Ros Alcobas Operaciones básicas de laboratorio C. F. G. M. Farmacia y Parafarmacia 1 OPERACIONES BÁSICAS DE LABORATORIO C.F.G.M Farmacia y Parafarmacia ÍNDICE: 1....

OPERACIONES BÁSICAS DE LABORATORIO C.F.G.M Farmacia y Parafarmacia UNIDAD 4: SEPARACIÓN MECANICA POR METODOS DIFUSIONALES. Laura Ros Alcobas Operaciones básicas de laboratorio C. F. G. M. Farmacia y Parafarmacia 1 OPERACIONES BÁSICAS DE LABORATORIO C.F.G.M Farmacia y Parafarmacia ÍNDICE: 1. OPERACIONES DIFUSIONALES. 2. EXTRACCIÓN. 3. ABSORCIÓN. 4. ADSORCIÓN. 5. CROMATOGRAFÍA. 2 OPERACIONES BÁSICAS DE LABORATORIO C.F.G.M Farmacia y Parafarmacia 1. OPERACIONES DIFUSIONALES: 1. INTRODUCCIÓN. Las separaciones denominadas difusionales se utilizan para la separación de los componentes de una mezcla y se basan en la mayor difusión de un componente desde una fase homogénea a otra. Se entiende por difusión el movimiento de un componente a través de una mezcla, debidoa un estímulo físico. La principal causa de la difusión es la existencia de una diferencia de concentración del componente que difunde, que tiende a igualar la concentración en las dos fases. Este es el caso del proceso de ósmosis en el que las moléculas de H2O se difunden a través de una membrana semipermeable hasta igualar el flujo de agua en los dos sentidos (equilibrio). Las separaciones difusionales que vamos a estudiar son: Operación Extracción Fase soluto Líquido Fase disolvente Líquido Extracción L - L Extracción Sólido Líquido Extracción S - L Absorción Gas Líquido Adsorción Gas o Líquido Sólido 3 OPERACIONES BÁSICAS DE LABORATORIO C.F.G.M Farmacia y Parafarmacia 2. EXTRACCIÓN. La extracción con disolventes es una de las operaciones básicas que tienen como fundamento la difusión de materia. Una mezcla de diferentes sustancias se trata con un líquido quedebe disolver preferentemente uno de los componentes. La materia por extraer puede estar contenidaen un líquido o en un sólido, distinguiéndose así entre extracción líquido-líquido y extracción sólido-líquido. 2.1 MÉTODOS DE EXTRACCIÓN: En cualquier proceso de extracción pueden distinguirse las siguientes partes: • Contacto del material a extraer con el disolvente. • Separación de las fases formadas. • Recuperación del disolvente. Es importante la mezcla adecuada entre el disolvente y la mezcla a tratar. También es importante tener en cuenta la posibilidad de fases con densidades muy cercanasy la posibilidad de formación de espumas muy persistentes; ambas cosas dificultarían la separación. A) Extracción líquido-líquido: Este procedimiento se aplica en una disolución para separar el soluto disuelto en el disolvente X. Para ello: • Se añade a la mezcla líquida otro disolvente Y con más afinidad por el soluto e inmiscible, o parcialmente miscible, con el disolvente X para que se creen dos fases: • Esto hace que el soluto pase a mezclarse con el disolvente Y que, por no ser miscible con el disolvente X, se mantiene separado de él. Para este tipo de extracción se emplea el embudo de decantación en el que: 1. Se vierte la mezcla y el nuevo disolvente. 2. Se echa al embudo decantación, se agita suavemente y se deja reposar, incluso se puede ir abriendo de vez en cuando el tapón para prevenir cualquier sobrepresión y eliminar los gases. 4 OPERACIONES BÁSICAS DE LABORATORIO C.F.G.M Farmacia y Parafarmacia 3. Cuando las dos fases estén bien separadas por densidades, se abre la llave para liberar la fase inferior, que se recoge en un matraz. En otro matraz se recogerá la fase superior. Una de las dos contiene el soluto que nos interesa separar de la mezcla inicial. B) Extracción sólido-líquido: Es un método de separación de los componentes sólidos presentes en una mezcla mediante la adición de un disolvente. Los métodos más habituales son la maceración, la aplicación de calor y la percolación. • Maceración: Es un método de extracción discontinua que consiste en dejar la muestra en contacto con un disolvente durante diez días a temperatura ambiente. Se basa en la difusión del principio activo de la muestra al disolvente hasta que se igualan las concentraciones en ambos. Esto hace que nunca pueda extraerse la totalidad del principio activo, ya que, llegado a ese punto la difusión se detiene. El producto resultante de la maceración es la tintura. 5 OPERACIONES BÁSICAS DE LABORATORIO C.F.G.M Farmacia y Parafarmacia Se lleva a cabo en un recipiente que es un macerador, en el que se deposita la muestra (normalmente secada y pulverizada) y se le añade el disolvente. De vez en cuando se mueve con una varilla para evitar que se apelmace. Es el método más utilizado para la extracción sólido-líquido en el laboratorio galénico. • Métodos con aplicación de calor: Hay varios procesos (extracción discontinua) que se ejecutan a una temperatura superior a la ambiente: • Digestión: La mezcla se mantiene a unos 40ºC-60ºC entre 30 y 45 min. Suelen usarse baños de agua con termostato. Se emplea para la extracción de decolorantes en hojas. • Cocción o decocción: La temperatura es de 100ºC, pero esta vez se deja actuar el disolvente unos 15-30 min. El resultado son decoctos o cocimientos. • Infusión: La temperatura también alcanza los 100ºC, pero esta vez se deja actuar el disolvente hasta que llegue a temperatura ambiente. El resultado son las infusiones. • Percolación: Es un proceso de extracción continua en el que el disolvente sigue un circuito circular. De esta manera la extracción del principio activo puede ser total, ya que siempre se mantiene el desequilibrio de concentraciones entre la sustancia y el disolvente. Para la realización se utilizan dos equipos: 1. PERCOLADOR: Empleado para la extracción de materias vegetales. Se trata de un recipiente en forma de cono invertido. Se carga el aparato con la sustancia sólida y se va añadiendo el disolvente con la llave inferior lentamentedesde el embudo hasta cubrir el sólido. Se dejaen reposo y luego se elimina el disolvente por la llave inferior. 6 OPERACIONES BÁSICAS DE LABORATORIO C.F.G.M Farmacia y Parafarmacia 2. DISPOSITIVO SOXHET: El disolvente se calienta para que se evapore. Los gases ascienden por el tubo lateral del dispositivo y llegan al tubo condensador. Las gotas que se forman por condensación del gas caen sobre la muestra en polvo que se encuentra en el cartucho extractor. Cuando está lleno, vierte hacia el conducto lateral y cae en el matraz de inicio, cuya concentración en principio activo cada vez es más alta. El producto resultante de la percolación es un extracto. ➢ Lixiviación: Es una variante del anterior. El disolvente se hace circular lentamente agotando el material.Prácticamente se comprime el material a emplear en el lixiviador y se cubre con disolvente. Se deja en reposo horas o días y se escurre eliminando el líquido gota a gota. Es de utilización en obtención de aceites en semillas, extractos medicinales, trementina de la madera, clorofila de la alfalfa, azúcar de la remolacha, etc. ▪ Aplicaciones de la extracción: ▪ Extracción de aceites y grasas vegetales y animales. ▪ Obtención de extractos vegetales y de carnes. ▪ Extractos medicinales. ▪ Esencias naturales: de canela, anís, almendro, rosas, ... 7 OPERACIONES BÁSICAS DE LABORATORIO C.F.G.M Farmacia y Parafarmacia 3. ABSORCIÓN. 1. INTRODUCCIÓN. Consiste en la disolución de un gas en un líquido y en algunos casos, en la separación degases mezclados por absorción de uno de ellos en el líquido. Se utiliza para preparar algunos reactivos comerciales que se utilizan ampliamente en ellaboratorio como son: • Ácido clorhídrico: disolución de cloruro de hidrógeno gas en agua. • Amoniaco: disolución de amoniaco gas en agua. Es una operación que tiene cierta similitud con la extracción, rectificación y adsorción. La operación contraria: eliminar de un líquido a un gas disuelto, se denomina desorción. 3.1 MECANISMO DE ABSORCIÓN. Cuando un gas se pone en contacto con la superficie de un líquido, algunas de las moléculasdel gas que chocan con la superficie del líquido se disuelven. Estas moléculas de gas disueltas continuarán en movimiento en el estado disuelto, volviendo algunas a la superficie y pasando de nuevo al estado gaseoso. La disolución del gas en el líquido continuará hasta que se establezca un equilibrio dinámico entre las moléculas disueltas y las moléculas de gas. La disolución del gas vendrá favorecida por un aumento de la presión del gas sobre la superficie del líquido. La influencia de la presión en la solubilidad de los gases es una consecuenciade la teoría cinética, pues al aumentar la presión del gas más moléculas chocarán con el líquidoy más cantidad de gas podrá disolverse. 8 OPERACIONES BÁSICAS DE LABORATORIO C.F.G.M Farmacia y Parafarmacia La disolución del gas disminuye con la temperatura lo que se utiliza prácticamente para eliminar los gases disueltos en un líquido, por ebullición de éste. ➢ EQUIPOS DE ABSORCIÓN EN EL LABORATORIO. Torres de absorción en el laboratorio. Se utiliza tanto en el lavado de gases como para la absorción, son de gran eficacia debido al contacto que se produce entre el gas y el líquido que circulan en contracorriente. APLICACIONES DE LA ABSORCIÓN. En el laboratorio son escasas las aplicaciones de la absorción de gases en líquidos; sitiene, es la obtención de ácidos por burbujeo del anhídrido en agua: • Ácido carbónico a partir del anhídrido y agua. • Ácido clorhídrico a partir de gas cloro y agua. • Ácido sulfhídrico dando agua sulfhídrica para análisis. 9 OPERACIONES BÁSICAS DE LABORATORIO C.F.G.M Farmacia y Parafarmacia • Bromo dando agua de bromo. • Secado de aire por absorción en ácido sulfúrico 4. ADSORCIÓN. INTRODUCCIÓN. La adsorción es una operación de separación de sustancias que se realiza al poner encontacto un fluido con un sólido adsorbente. La adsorción en fase líquida es el resultado de dos tipos de adsorción: – Adsorción física: es debida a las fuerzas de tipo Van der Waals. – Adsorción química: debida a la formación de enlaces químicos. Es un fenómeno de superficie mediante el cual el fluido queda retenido en la superficie exterior y en los poros interiores del sólido. El material empleado debe estar perfectamente pulverizado para aumentar la superficie de contacto. La operación de adsorción es reversible, pues si se varían las condiciones de la misma el adsorbente expulsa el líquido adsorbido, dando lugar a la des-adsorción. Es importante tener en cuenta que la adsorción disminuye con la temperatura. La sustancia adsorbido se llama adsorbato y la sustancia que adsorbe adsorbente. 1.1 FACTORES QUE INTERVIENEN EN LA ADSORCIÓN. La adsorción depende de diversos factores, como son: o La presión del vapor o la concentración del soluto. o La temperatura. o El tamaño de poro de la sustancia adsorbente. o La existencia de adsorción física o química. 10 OPERACIONES BÁSICAS DE LABORATORIO C.F.G.M Farmacia y Parafarmacia ➢ Concentración o presión En general, la cantidad de sustancia adsorbida, a temperatura constante, es tanto mayor cuanto mayor es la presión parcial del adsorbato (gases) o de la concentración (solutos). ➢ Temperatura. La temperatura influye desfavorablemente en la adsorción. La adsorción viene a estar determinada por una pérdida o disminución de velocidad de las moléculas de adsorbato. Por eso, cuanto menos energía lleven éstas, tanto más fácilmente se absorberán. Para desplazar el equilibrio de adsorción hacia una mayor retención, hay que refrigerardel adsorbente. Elevando la temperatura conseguimos una desorción que nos permite recuperar el adsorbato. ➢ Tamaño de poro. Cualquier material que contenga cavidades, canales o intersticios puede ser considerado como poroso. Clasificación de los poros de acuerdo con su disponibilidad a un fluido externo: • Poros cerrados: totalmente aislados de sus vecinos. Influencian propiedades macroscópicas como la densidad, fortaleza mecánica y conductividad térmica, pero soninactivos en procesos como flujo de fluidos y adsorción de gases. • Poros abiertos: poseen canales continuos de comunicación con la superficie externa del material. 1.2 ADSORBENTES EMPLEADOS Y SUS APLICACIONES. Las aplicaciones de los adsorbentes en el laboratorio y en la industria son: decolorantes de sustancias, separación de mezclas de gases, adsorción de gases por catálisis, desecación de líquidos, desodorización y análisis cromatográfico. Los adsorbentes pueden clasificarse en tres categorías: 1. Carbones activos. 2. Tierras decolorantes. 3. Geles activos. − Carbones activos. Son carbones pulverizados y activados con sales químicas o bien sustancias orgánicas sin carbonizar. 11 OPERACIONES BÁSICAS DE LABORATORIO C.F.G.M Farmacia y Parafarmacia Se expenden con gran variedad de nombres comerciales y se utilizan para decoloracionesde: azúcares, glicerina, cerveza, grasas, barnices, aceites, vinos, aguas, etc. También pueden emplearse para recuperación de disolventes y eliminación de olores. La capacidad de adsorción corresponde a la cantidad máxima de producto que el adsorbente puede fijar en unas condiciones determinadas de temperatura, concentración, etc. Se expresa normalmente en gramos adsorbidos por cada 100 g de adsorbente. El carbón activo se puede preparar a partir de una disolución de sacarosa concentrada yañadiendo ácido sulfúrico concentrado. − Tierras decolorantes. Son tierras arcillosas activadas con ácido clorhídrico o sulfúrico. Reciben los nombres de tierra de Batán, bauxitas, magnesia, etcétera, y se emplean para tratamientos de petróleos, aceites,grasas y ceras. − Geles activos. A base de hidróxido alumínico, férrico y otros en forma precipitada. Se emplean paratratamientos de aguas, bebidas, gases, refinación de petróleos, desecación de gases y líquidos. 5.CROMATOGRAFÍA: Cromatografía es la técnica de separación de mezclas de sustancias, basada en la diferentevelocidad con que se mueve cada uno de los componentes, a través de un medio poroso, arrastrados por un disolvente en movimiento. Se trata de un sistema analítico de gran importancia en el laboratorio y también de empleoen la industria, especialmente como separación de sustancias orgánicas complejas: vitaminas, proteínas, c1orofilas, hidrocarburos, colorantes, etcétera. Tiene también gran aplicación en farmacia y bioquímica. El término cromatografía, literalmente quiere decir: escribir en color, puesto que en la separación se obtienen unas bandas coloreadas fáciles de reconocer y de detetar. 12 OPERACIONES BÁSICAS DE LABORATORIO C.F.G.M Farmacia y Parafarmacia 5.1 FASE MÓVIL Y FASE ESTACIONARIA. En un ensayo cromatográfico hay una materia soporte, denominada fase estacionaria y undisolvente o eluyente capaz de separar los componentes de la mezcla, llamada fase móvil. Aunque se emplea indistintamente la denominación de disolvente y eluyente, cabe diferenciar estos dos conceptos en cromatografía. Es disolvente, cuando se trata del compuesto capaz de disolver la muestra objeto de análisis, y eluyente el compuesto que arrastra a los componentes del análisis sobre el papel del filtro o a través de la columna cromatográfica. ➢ CROMATOGRAMAS. Es la separación en una serie de franjas coloreadas obtenidas de una sustancia al adsorberlao repartirla en un medio adecuado. 13 OPERACIONES BÁSICAS DE LABORATORIO C.F.G.M Farmacia y Parafarmacia La sustancia, al ponerse en contacto con la fase estacionaria y tratarla luego con un reactivoeluyente, da una gama de puntos o franjas coloreadas, correspondientes a los distintos componentes que formaban el producto objeto el análisis. El cromatograma obtenido, generalmente, se compara con uno patrón para conocer las posibles impurificaciones o desviaciones del producto en cuanto a su comportamiento ideal. Puedeevaluarse el área de las franjas cromatográficas con un integrador, dando así un valor cuantitativode su contenido analítico. ➢ APLICACIONES DE LA CROMATOGRAFÍA. Son ya innumerables las aplicaciones de este nuevo método de separación analítica, a pesarde su reciente implantación. Actualmente no se puede prescindir de este método analítico; y las múltiples aplicaciones darían una lista interminable. Entre ellas, se pueden destacar las separaciones de : a) Alcaloides. Estos productos se hallan en las plantas y se caracterizan por sercompuestos heterocíclicos, que contienen nitrógeno en su molécula. Se separan los alcaloides de la belladona, opio (morfina, codeína), tabaco (nicotina),quina (quinina), amapola, etc. b) Aminoácidos. Los aminoácidos se obtienen por hidrólisis de las proteínas. Ejemplo: glicina, tirosina, serina, alanina, etc. Se obtienen, asimismo, gran variedad de derivados de aminoácidos y proteínas. c) Vitaminas y hormonas. Tiene gran importancia la determinación de corticosteroides dela orina, ácidos biliares, diagnóstico precoz del embarazo,… d) Detección de insecticidas. La rápida difusión de los insecticidas no deja de ser un peligro constante para los animales de sangre caliente. Siendo los insecticidas más importantes derivados de los ésteres del ácido tiofosfórico, los hidrocarburos cloradosy las piretrina. ➢ TIPOS DE CROMATOGRAFÍA. En este tema se estudiarán, de forma elemental, los tipos de cromatografía sobre papel,columna,capa fina y gases. 14 OPERACIONES BÁSICAS DE LABORATORIO C.F.G.M Farmacia y Parafarmacia 5.1 CROMATOGRAFÍA DE ADSORCIÓN. Este tipo de cromatografía tiene lugar por un proceso de adsorción, fenómeno superficial que produce la separación de los componentes de una mezcla, al ser más intensamente absorbidosunos que otros en una sustancia adsorbente. En este tipo de cromatografía, la fase estacionaria (adsorbente) es un sólido y la fase móvil(eluyente) puede ser un gas o un líquido. Los adsorbentes, por orden de mayor a menor poder de adsorción, son: − Alúmina activada. − Gel de sílice activada. − Magnesia. − Carbonato cálcico. − Carbonato potásico. − Carbonato sódico. − Talco. − Azúcar, almidón. 15 OPERACIONES BÁSICAS DE LABORATORIO C.F.G.M Farmacia y Parafarmacia 5.2 CROMATOGRAFÍA DE REPARTO. Se basa en la separación de una mezcla de sustancias, mediante el reparto existente entrela fase móvil y la estacionaria, soportada sobre un líquido adecuado. El eluyente puede ser un líquido o un gas. Los soportes más utilizados son: • Celita o Kieselgur (tierra de diatomeas, formada por millones de animalesmicroscópicos). • Papel de filtro. 5.3 CROMATOGRAFÍA DE PAPEL. Es una de las técnicas cromatográficas más simples y antiguas. La separación se llevaa cabo sobre tiras u hojas de papel de filtro. El papel de filtro está formado por numerosas fibras de celulosa, que retienen un cierto porcentaje de humedad. La separación tiene lugar al repartirse (cromatografía de reparto) las sustancias entre la humedad de las células y el flujo de disolvente sobre ellas. 16 OPERACIONES BÁSICAS DE LABORATORIO C.F.G.M Farmacia y Parafarmacia 5.4 CROMATOGRAFÍA DE COLUMNA. Una columna cromatográfica consiste en un tubo, en el que se incluyen dos fases, móvil yestacionaria, y se aplica para la separación de los componentes de una sustancia en franjas coloreadas. 17 OPERACIONES BÁSICAS DE LABORATORIO C.F.G.M Farmacia y Parafarmacia En la cromatografía de adsorción en columna se debe seleccionar el sólido de modo que tenga gran afinidad química con las sustancias a cromatografiar. El disolvente o eluyente debe poseer un alto grado de des-absorción a fin de desplazar los componentes de la columna. En el reparto en columna, los líquidos deben ser inmiscibles y de coeficiente de distribución o reparto cercano a la unidad. 5.5 CROMATOGRAFÍA EN CAPA FINA. La cromatografía en capa fina (CCF) es un método de análisis que aplica sobre adsorbentes, la técnica y ventajas de la cromatografía sobre papel y de la cromatografía en columna. Su técnica de aplicación es muy parecida a la de papel, pero dispone más medios de revelado y su tiempo de fraccionamiento es mucho más corto. El utillaje necesario es simple, de fácil manejo y bajo costo. La gran rapidez y variedad de aplicaciones hacen de la CCF un medio análisis ideal para la enseñanza. - Equipo básico. La CCF se basa en la preparación de unas placas de vidrio recubiertas conuna capa del adsorbente. 5.6 CROMATOGRAFÍA DE GASES. La cromatografía de gases es fundamentalmente una técnica para la separación de componentes volátiles, con la utilización de una columna separadora especial. La separación tiene lugar por el diferente coeficiente de reparto o de adsorción entre los productos a separar. Según que la distribución se efectúe sobre sólido o líquido, se denomina: • GAS-SÓLIDO (CGS) Adsorción. • GAS-LÍQUIDO (CGL) Reparto. El gas constituye la fase móvil de la columna, siendo el sólido o líquido la fase estacionaria. 18