Sistemi di separazione
di miscele omogenee
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
In questa presentazione tratteremo brevemente i
seguenti argomenti:
Distillazione semplice (a pressione atmosferica)
Distillazione a pressione ridotta
Distillazione frazionata
Cromatografia
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.
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.
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.
Termometro
Refrigerante (Condensatore)
Raccordo Claisen (Testa di
distillazione)
Caldaia
Raccordo da vuoto
Recipiente di raccolta
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.
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”
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
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.
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.
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)
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.
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.
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.
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.
Altri tipi di refrigeranti
A doppia
camicia
Ad alta efficienza
“Dawies”
“Thorpe”
A serpentina
incamiciata
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.
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”.
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.
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.
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.
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.
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.
Distillazione frazionata
Con la distillazione
frazionata, per esempio,
viene trattato il petrolio
greggio che in questo
modo viene separato
nei suoi componenti
principali
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.
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.
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
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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”)
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