CRISTALLIZZAZIONE I composti solidi a temperatura

C RISTALLIZZAZIONE
I composti solidi a temperatura ambiente vengono di solito purificati per
CRISTALLIZZAZIONE: FENOMENO PER CUI UNA SOSTANZA PASSA ALLO STATO CRISTALLINO.
Nel processo di cristallizzazione, la struttura cristallina viene distrutta per
solubilizzazione a caldo in un solvente (o miscela di solventi) e poi ripristinata per lento
raffreddamento della soluzione ottenuta.
La sostanza disciolta ha una solubilità minore a temperatura più bassa e si separa dalla
soluzione quando questa viene raffreddata.
Si osservano due fenomeni:
PRECIPITAZIONE, se il processo è RAPIDO e NON SELETTIVO, in cui il reticolo
cristallino può conglobare delle impurezze;
CRISTALLIZZAZIONE, se il processo è LENTO e SELETTIVO.
S EMPLICE : separazione dei cristalli dalle impurezze
[sfruttando la diversa solubilità (molto solubili o poco
solubile) degli inquinanti rispetto alle sostanze da
purificare];
FRAZIONATA: si utilizza per separare due sostanze a
solubilità non troppo diversa attraverso cristallizzazioni
ripetute (sfruttando i vari rapporti di solubilità delle
sostanze nei diversi solventi).
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La CRISTALLIZZAZIONE è un processo di equilibrio in grado di fornire un prodotto
purissimo come risultato di due fasi successive:
Ø NUCLEAZIONE
(Formazione dei GERMI cristallini)
Velocità di Nucleazione (Vnucl)
Ø ACCRESCIMENTO dei cristalli
Velocità di Accrescimento (Vaccr)
Il rapporto d queste due velocità è in relazione con le dimensioni dei cristalli ottenuti:
Vnucl>Vaccrè elevato numero di cristalli, ma piccole dimensioni (PRECIPITAZIONE)
Vnucl<Vaccrè
pochi cristalli, ma elevate dimensioni (BUONA CRISTALLIZZAZIONE)
CRISTALLIZZAZIONE per lento raffreddamento di una soluzione di un
solido (ESAGONI) in presenza di una impurezza (TRIANGOLI). Il
raffreddamento lento favorisce l’impaccamento della forma cristallina
relativa al composto di interesse e l’ottenimento di CRISTALLI PURI
NOTA
Il cristallo iniziale seleziona le molecole giuste dalla soluzione
Si deve quindi evitare un processo troppo rapido (pochi secondi e/o minuti) o troppo
lento (giorni)
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PROCEDIMENTO PRATICO DELLA CRISTALLIZZAZIONE
1.  SCELTA DEL SOLVENTE opportuno (in cui la sostanza da purificare sia solubile
a caldo, ma non a freddo)
2.  SOLUBILIZZAZIONE (dissoluzione) del solido da purificare nel solvente scelto (a
caldo)
3.  DECOLORAZIONE con carbone attivo, se necessario, per rimuovere le impurezze
colorate
4.  FILTRAZIONE A CALDO, per eliminare le impurezze insolubili e il carbone attivo
eventualmente aggiunto
5.  RAFFREDDAMENTO della soluzione filtrata e formazione di un solido cristallino
6.  SEPARAZIONE dei cristalli dalle acque madri (filtrazione a freddo per eliminare
il solvente e le impurezze in esso solubili)
7.  LAVAGGIO ED ESSICCAMENTO dei cristalli
8.  CONTROLLO della purezza della sostanza
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BASI TEORICHE: SOLUBILITÀ
Una soluzione si dice SATURA quando la tendenza di un soluto a cristallizzare è
uguale alla tendenza opposta a tornare in soluzione (le due velocità, di
cristallizzazione e di dissoluzione, sono uguali). La saturazione è quindi una
condizione di equilibrio.
Una soluzione si dice SOVRASSATURA quando un solido è presente in soluzione in
quantità superiore alla quantità di saturazione. In questo caso prevale la tendenza
a cristallizzare e il solido si deposita allo stato cristallino.
Una soluzione si dice DILUITA quando contiene una quantità di soluto inferiore alla
quantità di saturazione. In questo caso prevale la tendenza del soluto a
solubilizzarsi su quella a cristallizzare.
Il primo problema da affrontare per purificare un prodotto è scegliere un solvente
adatto. In teoria la sostanza deve
ESSERE POCO SOLUBILE A TEMPERATURA AMBIENTE E MOLTO SOLUBILE ALLA
TEMPERATURA DI EBOLLIZIONE DEL SOLVENTE PRESCELTO
Un BUON SOLVENTE (o miscela di solventi) deve avere per la sostanza da cristallizzare
una CURVA DI SOLUBILITÀ/TEMPERATURA molto ripida
Che cosa significa?....
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BASI TEORICHE: SOLUBILITÀ
C
B. SOLVENTE SCADENTE, non porta a
sensibile separazione dei cristalli per
abbassamento della temperatura.
C. SOLVENTE SCADENTE, molto solubile a
tutte le temperature.
Solubilità in grammi
A. BUON SOLVENTE, molto solubile ad alte
temperature poco solubile a T. A.
A
B
Temperatura
CURVA DI SATURAZIONE
V Ÿ
Ÿ
Concentrazione
S
S. Situazione in cui il soluto ha uguale tendenza a
cedere e a prendere soluto.
D
Ÿ
Temperatura
V. Sopra tale curva le concentrazioni superano il
valore di saturazione (zona di sovrassaturazione);
prevale la tendenza a perdere soluto per la
cristallizzazione.
D. Sotto tale curva si trova la zona di diluizione; la
cristallizzazione non può avvenire perché il sistema
è portato a cedere soluto.
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BASI TEORICHE: SOLUBILITÀ
La cristallizzazione caldo/freddo si basa quindi sull’ AUMENTO di SOLUBILITÀ con la
TEMPERATURA. Bisogna scegliere un solvente tale che la solubilità del composto da
purificare aumenti considerevolmente con la temperatura.
CURVA SPERIMENTALE SOLUBILITÀ/ TEMPERATURA dell’acido benzoico in H2O.
Le condizioni ideali consistono in:
•  quasi totale insolubilità alla minima T
operativa (in questo caso T. A.);
•  quasi totale solubilità alla massima T
operativa (inferiore al p.e. del
solvente).
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BASI TEORICHE: SOLUBILITÀ
La solubilità dei composti organici dipende dalla polarità sia del solvente che del soluto;
una regola empirica generale stabilisce che il “SIMILE SCIOGLIE IL SIMILE”
Se il soluto è molto
polare, sarà necessario un
solvente molto polare, e
viceversa se il soluto è
apolare sarà necessario
un solvente apolare.
I composti contenenti
gruppi funzionali che
possono formare legami
idrogeno (ad es. -OH, NH2, -COOH, -CONH2)
sono più solubili nei
solventi idrossilici come
acqua e metanolo che non
in solventi idrocarburici
come benzene ed esano
SOLVENTI IN ORDINE DECRESCENTE DI POLARITÀ
H2 O
Acqua
RCOOH
Acidi Organici (Acido acetico)
RCONH2
Ammidi (N,N -dimetilformammide)
ROH
Alcoli (Metanolo, Etanolo, etc)
RNH2
Ammine (Trietilammina, piridina, etc.)
RCOR
Aldeidi, chetoni (Acetone)
RCOOR
Esteri (Acetato di etile)
RX
Alogenuri (CH2Cl2,CHCl3,CCl4)
ROR
Eteri (dietiletere)
ArH
Aromatici (Benzene, Toluene, etc.)
RH
Alcani (Esano, Pentano, Etere di petrolio)
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LA SCELTA DEL SOLVENTE
La scelta del solvente è il passaggio più critico in un processo di cristallizzazione perché
da una scelta corretta dipende il recupero di un solido di ALTA QUALITÀ e in BUONA
QUANTITÀ
❉  Il composto da purificare deve essere ragionevolmente solubile nel solvente caldo e
insolubile o quasi insolubile, nello stesso solvente a freddo.
❉  Le impurezze devono essere o completamente insolubili in quel solvente a ogni
temperatura o almeno moderatamente solubili anche a freddo.
❉  Il solvente deve avere un punto di ebollizione sufficientemente basso da permettere il
facile allontanamento dai cristalli del prodotto.
❉  Il solvente deve avere un punto di ebollizione inferiore al punto di fusione del solido
da cristallizzare.
❉  Il solvente non deve reagire chimicamente con la sostanza da purificare.
❉  Il solvente non deve essere troppo volatile (per evitare la rapida concentrazione della
soluzione).
La scelta del solvente per la purificazione di SOSTANZE NON NOTE o NON BEN STUDIATE
viene fatta SAGGIANDO diversi SOLVENTI su PICCOLE QUANTITÀ DI PRODOTTO, prima di
eseguire l’operazione su tutto il materiale disponibile.
Nel caso di composti noti, il solvente più adatto è già noto e può venir ricavato
consultando tabelle e manuali appositi (Indice Merck)
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SOLVENTI COMUNI PER CRISTALLIZZAZIONI
SOLVENTE
p.e. (°C)
100
65
p.f. (°C)
0
*
SOLUBILE IN H2O
+
+
INFIAMMABILE
+
78
*
+
+
120-130
*
-
+
Benzene #
80
5
-
+
Cloroformio #
61
*
-
-
Acido Acetico
118
17
+
+
Diossano #
101
11
+
+
Acetone
56
*
+
+
Etere Dietilico
35
*
poco
++
30-50
*
-
++
Cloruro di Metilene
41
*
-
-
Tetracloruro di Carbonio #
77
*
-
-
Acqua
Metanolo
Etanolo al 95%
Ligroina
Etere di Petrolio
* Inferiore a 0°C
# Sospetto cancerogeno
Per sostanze poco solubili possono essere utilizzati anche: piridina (115°C), nitrobenzene
(211°C), N,N-dimetilformammide (153°C)
Molti solventi sono altamente infiammabili e non devono mai essere riscaldati con una
fiamma libera; è preferibile usare un bagno a vapore o una piastra riscaldante
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MISCELE DI SOLVENTI
Se non si riesce a trovare un adatto solvente per un determinato prodotto, si possono
utilizzare anche MISCELE DI SOLVENTI. Le coppie di solvente più usate sono:
- etere dietilico / etere di petrolio (o n-esano) :
- cloroformio / etere di petrolio (o n-esano);
-  cloruro di metilene / etere di petrolio (o n-esano);
- acetone / etere dietilico;
-  acetone / acqua;
-  etanolo / acqua;
Si sceglie cioè:
- un SOLVENTE in cui la sostanza è solubile sia a caldo che a freddo;
- un (NON) SOLVENTE in cui la sostanza NON è solubile né a caldo né a freddo.
COME PROCEDERE
①  Il composto viene sciolto nella MINIMA QUANTITÀ del SOLVENTE a caldo.
②  Si aggiunge il NON SOLVENTE goccia a goccia, sempre mantenendo la miscela
all’ebollizione, fino a quando si nota un inizio di intorbidamento (precipitazione
del prodotto).
③  Si chiarifica per aggiunta di una goccia o due del primo solvente.
④  A questo punto la soluzione dovrebbe essere satura e per raffreddamento si separa
il prodotto cristallino
C RISTALLIZZAZIONE
SCHEMA PER LA CRISTALLIZZAZIONE SEMPLICE
COMPOSTI IMPURI
Impurezze Solubili
Impurezze Insolubili
1)  FILTRAZIONE DELLA SOLUZIONE CALDA PER GRAVITÀ
2)  DISSOLUZIONE IN SOLVENTE CALDO
FILTRATO
Composto e Impurezze Solubili
IMPUREZZE INSOLUBILI
1)  CRISTALLIZZAZIONE PER RAFFREDDAMENTO
2)  RACCOLTA DEI CRISTALLI PER FILTRAZIONE
CRISTALLI DEL COMPOSTO
Inumiditi con Solventi
FILTRATO (ACQUE MADRI)
Impurezze
ESSICCAMENTO
CONTROLLARE
la presenza di impurezze
Seconda raccolta di Cristalli
Scarto
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E’ possibile provocare la cristallizzazione da qualunque sistema, anche se si trova nella
zona di diluizione
Concentrazione
S
Ÿ
D’
Temperatura
D
Ÿ
Se si RAFFREDDA il sistema “diluito” (D), esso tenderà
a spostarsi orizzontalmente fino a raggiungerla e a
superarla: il sistema entra nella zona di
sovrassaturazione e acquista spontanea tendenza a
cristallizzare (D’).
L’ EVAPORAZIONE del solvente implica un aumento
della concentrazione e sposta il punto D verso l’alto
fino a raggiungere e superare la curva si saturazione
(D”), dove è possibile la cristallizzazione
I due modi visti di portare le soluzioni diluite in
condizioni di poter CRISTALLIZZARE SPONTANEAMENTE
vengono applicati in logica sequenza: EVAPORAZIONE
del solvente (K) e successivo RAFFREDDAMENTO (K’). Si
abbrevia il tempo di raffreddamento e si aumenta la
resa di cristallizzazione (CK’> CD’)
K’
Concentrazione
D”
D’
K
Ÿ D
Temperatura
EVAPORAZIONE del solvente e RAFFREDDAMENTO consentono di saturare delle soluzioni
diluite. Questi due metodi alternativi, però, non possono essere scelti liberamente,
PERCHÉ?
C RISTALLIZZAZIONE
Il processo di solubilizzazione:
Ø  richiede energia per demolire l’edificio cristallino,
Ø  libera energia poiché si instaurano interazioni tra le molecole di solvente e le
particelle di soluto.
Alla luce di questo, si possono avere i seguenti casi:
§  per demolire l’edificio cristallino occorre più energia di quella che si ottiene nel processo
di solvatazione: è necessario fornire energia (calore) dall’esterno per favorire la
solubilizzazione.èAUMENTO della SOLUBILITÀ CON l’AUMENTO della TEMPERATURA;
§  l’energia necessaria alla demolizione dell’edificio cristallino è inferiore all’energia
liberata nel processo di solvatazione: la sottrazione di calore favorirà il processo di
solubilizzazione. èDIMINUZIONE di SOLUBILITÀ CON L’AUMENTO della TEMPERATURA;
§  i due processi si equivalgono dal punto di vista energetico: la solubilizzazione sarà
indifferente ad apporti di energia termica dall’esterno. èINVARIANZA di SOLUBILITÀ
CAMBIANDO la TEMPERATURA.
• POSITIVO (la solubilità aumenta con la T);
• NEGATIVO (la solubilità diminuisce con
l’aumentare della T);
• NULLO (la solubilità non varia con T).
POSITIVO
Concentrazione
Si definisce COEFFICIENTE DI SOLUBILITÀ la
variazione di solubilità di un solido al
variare unitario della temperatura:
RAFFREDDAMENTO
NULLO
EVAPORAZIONE
NEGATIVO
Temperatura
RISCALDAMENTO
C RISTALLIZZAZIONE
Si può indurre il processo di cristallizzazione da una soluzione sovrassatura in vari modi:
²  in modo meccanico, tramite scosse, agitazione, sfregamento delle pareti interne (a
contatto con la soluzione, piccole quantità di solvente evaporano sulla parete e i
cristalli trascinati di nuovo in soluzione fungono da GERME DI CRISTALLIZZAZIONE)
²  per entrata dall’esterno di particelle anche estranee ai componenti della soluzione;
²  per introduzione di cristalli preformati del soluto che si deve ottenere (“GERMI
CRISTALLIZZAZIONE”).
DI
NB
Gli interventi dall’esterno sono effettuati solo per incrementare la cinetica (velocità) del
processo. è Tali interventi non possono rendere il processo possibile.
Terminato il processo i cristalli vengono raccolti per filtrazione sotto vuoto su imbuto di
Büchner o di Hirsch e lavati con una piccola quantità di solvente “freddo” per togliere
qualsiasi traccia di ACQUE MADRI dalla superficie.
Il campione solido andrà essiccato per eliminare il solvente dalla superficie. I metodi
usati devono tener conto della stabilità termica del prodotto e delle caratteristiche del
solvente. I cristalli possono essere:
Ø lasciati all’aria su un vetrino da orologio;
Ø posti in stufa ad una temperatura di 20°C inferiore al loro punto di
fusione;
Ø posti in un essiccatore in presenza di un adatto agente essiccante
(CaCl2, gel di silice, P2O5 per acqua ed alcoli, KOH per acido acetico,
paraffina per gli idrocarburi etc.)
C RISTALLIZZAZIONE
Le ACQUE MADRI contengono in genere dei piccoli cristalli che non hanno raggiunto
dimensioni idonee ad essere trattenuti dai setti filtranti (o a venire separati dalle
centrifughe). Per questo motivo le acque madri vengono :
ü utilizzate per innescare la cristallizzazione di nuove soluzioni grazie al loro contenuto
di cristalli in sospensione;
ü sottoposte ad un nuovo processo di cristallizzazione per recuperare altro soluto ed
aumentare la resa complessiva.
PRODOTTO IMPURO
(9g A + 2g B)
PRIMA CRISTALLIZZAZIONE
PRODOTTO PIÙ PURO
(8g A + 1g B)
(1g A + 1g B) perdite
4g
SECONDA CRISTALLIZZAZIONE
PRODOTTO PURO
(7g A)
(1g A + 1g B) perdite
La cristallizzazione può quindi avvenire solo se è presente una piccola percentuale
di impurezze. Se queste aumentano, aumentano anche le perdite del prodotto.
C RISTALLIZZAZIONE
LE IMPUREZZE
LE IMPUREZZE POSSONO PRESENTARE LA CARATTERISTICA DI:
q  Essere completamente INSOLUBILI anche dopo il riscaldamento;
Possono essere eliminate con la FILTRAZIONE A CALDO
q  Essere completamente SOLUBILI anche dopo il raffreddamento;
Possono essere allontanate insieme al solvente nella FILTRAZIONE dei cristalli
q  Presentare SOLUBILITÀ SIMILE a quella del prodotto da purificare;
Una sostanza può essere purificata per cristallizzazione solo se l’impurezza
rappresenta una piccola frazione del solido totale (10-20%). La sostanza
desiderata potrà cristallizzare per lento raffreddamento, ma l’impurezza rimarrà
in soluzione.
NOTA
Dopo aver filtrato la prima aliquota di campione cristallizzato si possono
porre le acque madri in frigorifero in modo da permettere il recupero di una
maggiore quantità di sostanza per raffreddamento.
Le aliquote così ottenute possono però avere un grado di purezza inferiore
rispetto alla prima frazione
C RISTALLIZZAZIONE
A. DISSOLUZIONE
1. 
2. 
3. 
4. 
5. 
6. 
Trovare un solvente con una curva solubilità/temperatura ripida;
Portare all’ebollizione il solvente prescelto;
Sciogliere il solido nella minima quantità di solvente bollente;
Se necessario, aggiungere carbone decolorante;
Filtrare la soluzione calda con un filtro a pieghe;
Lasciare raffreddare la soluzione;
B. CRISTALLIZZAZIONE INDOTTA
1.  Sfregare le pareti interne della beuta con una bacchetta di vetro;
2.  Inseminare la soluzione;
3.  Raffreddare la soluzione in un bagno a ghiaccio;
C. RACCOLTA
1.  Raccogliere i cristalli per filtrazione sotto vuoto.
2.  Lavare i cristalli con una piccola quantità di solvente freddo.
3.  Continuare l’aspirazione finché i cristalli sono asciutti.
D. ESSICCAMENTO
1.  Seccare i cristalli all’aria.
2.  Seccare i cristalli in un forno.
3.  Seccare i cristalli in un essiccatore a vuoto.