PRÁCTICA DE LABORATORIO: Determinación del coeficiente de reparto de una molécula

 

Determinación del coeficiente de reparto de una molécula

1. Introducción

El reparto de una sustancia entre dos líquidos prácticamente inmiscibles depende de su afinidad por cada medio y de las condiciones del sistema. Este fenómeno permite explicar la extracción de principios activos, la separación de mezclas y la distribución de contaminantes en el ambiente.

En esta práctica se estudiará la distribución del ácido benzoico (C₆H₅COOH) entre agua y tolueno. A partir de una solución acuosa de concentración conocida, se efectuarán dos extracciones con diferentes volúmenes de disolvente orgánico. La cantidad de ácido que permanece en el agua se determinará mediante valoración con hidróxido de sodio; la cantidad transferida al tolueno se obtendrá mediante un balance de materia.

El trabajo permitirá calcular un coeficiente de distribución experimental, comparar la eficiencia de las dos extracciones y analizar la influencia de la ionización y la asociación molecular sobre el comportamiento observado.

2. Objetivos

2.1 Objetivo general

Determinar experimentalmente la distribución del ácido benzoico entre agua y tolueno, mediante valoración ácido–base de la fase acuosa y balance de materia.

2.2 Objetivos específicos

·        Preparar una disolución acuosa de ácido benzoico de concentración conocida y verificarla por titulación.

·        Realizar extracciones líquido–líquido usando dos proporciones de fase orgánica.

·        Determinar la concentración de ácido benzoico que permanece en la fase acuosa.

·        Calcular la concentración en la fase orgánica por diferencia de moles y estimar el coeficiente de distribución experimental.

·        Comparar el porcentaje extraído e identificar posibles desviaciones del modelo ideal.

3. Fundamentos teóricos

3.1 Distribución entre dos fases

Cuando un soluto entra en contacto con dos líquidos prácticamente inmiscibles, alcanza un equilibrio de distribución. Para una especie que conserva la misma forma molecular en ambas fases, a temperatura fija puede definirse:

Sin embargo, el ácido benzoico es un ácido débil: en agua puede ionizarse, y en disolventes orgánicos poco polares puede asociarse formando dímeros. Por ello, el cociente calculado a partir de concentraciones analíticas totales es un coeficiente aparente de distribución (Dexp), válido para las condiciones del ensayo, y no necesariamente una constante termodinámica independiente de la concentración.

3.2 Valoración y balance de materia

La reacción de neutralización utilizada en la fase acuosa es:

C₆H₅COOH(ac) + NaOH(ac) → C₆H₅COONa(ac) + H₂O(l)

La relación molar entre ácido benzoico y NaOH es 1:1. La valoración mide la acidez titulable correspondiente al ácido benzoico presente en la alícuota, bajo el supuesto de que no existan otros ácidos en cantidad apreciable.

Se usarán volúmenes expresados en litros. A partir de las cantidades iniciales y las que permanecen en el agua, se estima el total transferido a la fase orgánica:

           

           

Vac,0 es el volumen inicial de solución acuosa; Vac,f y Vorg,f son los volúmenes de fase efectivamente recuperados tras la separación. El balance supone pérdidas de muestra despreciables durante la transferencia y separación.

3.3 Eficiencia de extracción

La fracción transferida al tolueno permite evaluar la eficiencia de extracción:

Al aumentar el volumen de disolvente orgánico, suele incrementarse la cantidad total extraída, aunque el cociente de distribución aparente puede variar por efectos de ionización, asociación o errores experimentales. En todo momento se mantendrá constante la temperatura.

4. Parte experimental

4.1 Materiales y equipos

·        Balanza con sensibilidad de 0,001 g (preferiblemente) y vidrio de reloj o recipiente de pesaje.

·        Matraz aforado de 100 mL; vasos de precipitados de 100–250 mL; varilla de agitación.

·        Dos embudos de separación de 125–250 mL, soportes y pinzas.

·        Probetas de 25 y 50 mL; pipetas volumétricas de 5 y 10 mL; bureta de 25 o 50 mL.

·        Matraces Erlenmeyer de 125 mL; termómetro; frascos rotulados para separar ambas fases.

·        Campana de extracción y material de protección personal.

4.2 Reactivos

·        Ácido benzoico (C₆H₅COOH).

·        Tolueno (C₇H₈).

·        Solución de hidróxido de sodio (NaOH) 0,0100 mol·L⁻¹, de concentración conocida.

·        Fenolftaleína (solución indicadora).

·        Agua destilada.

4.3 Preparación de las soluciones

1. Preparar 100,0 mL de disolución acuosa de ácido benzoico aproximadamente 0,0120 M: pesar 0,1465 g del sólido y disolver en agua destilada; llevar al aforo de 100,0 mL. Mezclar hasta disolver completamente, sin calentar. Preparar un volumen mayor conservando la misma proporción si varios equipos utilizarán la misma solución.

2. Preparar 100,0 mL de NaOH aproximadamente 0,0100 M por dilución de 10,0 mL de NaOH 0,100 M hasta 100,0 mL con agua destilada. Registrar la concentración real de la solución de NaOH que se utilizará en los cálculos; verificar o estandarizar según las indicaciones del docente.

3. Rotular cada recipiente; mantener las soluciones a temperatura ambiente constante y registrar la temperatura.

4.4 Determinación de la concentración acuosa inicial

1. Tomar una alícuota de 5,00 mL de la disolución inicial de ácido benzoico y transferirla a un Erlenmeyer.

2. Agregar 15–20 mL de agua destilada y 2–3 gotas de fenolftaleína.

3. Valorar con NaOH 0,0100 M hasta obtener una tonalidad rosada muy pálida que persista unos 30 segundos.

4. Repetir la titulación dos veces más. Calcular la concentración promedio inicial C₀. Esta medición se realiza sobre una porción independiente de la solución que se empleará en la extracción.

4.5 Ensayo A: extracción con 20,0 mL de tolueno

1. Medir 40,0 mL de la disolución acuosa de ácido benzoico y verterlos en un embudo de separación limpio.

2. Añadir 20,0 mL de tolueno. Tapar, invertir y agitar suavemente durante unos 2 minutos, realizando pausas para ventear el embudo según la técnica de seguridad.

3. Colocar el embudo en posición vertical y esperar aproximadamente 10 minutos, o hasta obtener dos capas claramente separadas. Registrar la temperatura.

4. Drenar la fase acuosa inferior a un recipiente rotulado. Recoger la fase orgánica superior en otro recipiente. Medir los volúmenes recuperados evitando arrastrar la interfase.

5. Realizar dos valoraciones de alícuotas de 10,00 mL de la fase acuosa con NaOH y fenolftaleína, utilizando el mismo criterio de punto final de la sección 4.4.

4.6 Ensayo B: extracción con 40,0 mL de tolueno

1. Repetir el procedimiento empleando una nueva porción de 40,0 mL de la misma solución acuosa inicial y 40,0 mL de tolueno.

2. Mantener el mismo tiempo y tipo de agitación, temperatura y período de separación.

3. Registrar los volúmenes de ambas fases recuperadas y efectuar dos valoraciones de 10,00 mL de la fase acuosa.

4. Comparar los resultados de ambos ensayos mediante las ecuaciones de la sección 5.

5. Cálculos y tratamiento de datos

5.1 Concentraciones determinadas por titulación

   o  

5.2 Cantidades en equilibrio

           

5.3 Reparto y eficiencia de extracción

           

Los volúmenes utilizados en estas expresiones deben expresarse en litros. El valor de Dexp es adimensional; las concentraciones se expresan en mol·L⁻¹. Si se obtienen valores negativos para norg o recuperaciones imposibles, revisar las mediciones y el balance de materia.

5.4 Ejemplo orientativo (datos hipotéticos)

Para C₀ = 0,0120 M, Vac,0 = 0,0400 L y Vorg,f = 0,0200 L, si la valoración de 10,00 mL de fase acuosa consume 7,00 mL de NaOH 0,0100 M y Vac,f = 0,0400 L, entonces:

Cac = 0,00700 M; n₀ = 0,000480 mol; nac = 0,000280 mol; norg = 0,000200 mol; Corg = 0,0100 M; Dexp = 1,43; extracción = 41,7 %. Los resultados reales pueden diferir de estos valores.

6. Observaciones y resultados

Fecha: ____________________________     Grupo: __________     Temperatura: __________ °C

Integrantes: __________________________________________________________________________________

Tabla A. Datos de preparación y condiciones

Magnitud	Valor registrado
Masa de ácido benzoico (g)
Volumen de solución preparada (mL)
Concentración NaOH utilizada (mol·L⁻¹)
Temperatura de trabajo (°C)

 

Tabla B. Valoración de la disolución acuosa inicial (alícuota de 5,00 mL)

Valoración	VNaOH (mL)	C₀ calculada (mol·L⁻¹)
1
2
3
Promedio

 

Tabla C. Distribución de volúmenes y valoración de las fases acuosas

Ensayo	Vac,0 (mL)	Vorg,0 (mL)	Vac,f (mL)	Vorg,f (mL)	VNaOH, 1 (mL)	VNaOH, 2 (mL)
A	40,0	20,0
B	40,0	40,0

 

Tabla D. Resultados calculados

Ensayo	Cac (mol·L⁻¹)	norg (mol)	Corg (mol·L⁻¹)	Dexp	Extracción (%)
A
B

 

Interpretación de los resultados: ___________________________________________________________________

____________________________________________________________________________________________________

7. Precauciones y seguridad

·        Utilizar bata, gafas de seguridad, guantes adecuados y zapatos cerrados durante toda la práctica.

·        Manipular el tolueno en campana de extracción: es inflamable y sus vapores pueden resultar nocivos. Evitar inhalación y contacto con la piel.

·        No utilizar llamas abiertas ni fuentes de ignición. No calentar las mezclas con tolueno.

·        Antes de agitar, comprobar que el embudo de separación y la llave estén en buen estado; sujetar tapón y llave, ventear orientando la salida lejos de personas.

·        No confundir las fases: en este sistema la fase acuosa queda abajo y el tolueno constituye la capa superior.

·        El NaOH es irritante/corrosivo según su concentración; evitar salpicaduras y lavar con abundante agua cualquier zona afectada conforme al protocolo institucional.

·        Recolectar todas las fases orgánicas, lavados contaminados con tolueno y residuos correspondientes en contenedores rotulados, según el procedimiento institucional; no verter tolueno al desagüe.

·        No introducir pipetas en la boca ni trabajar con recipientes herméticamente cerrados sin posibilidad de venteo cuando se agite un embudo.

8. Cuestionario

1. Explique la diferencia entre coeficiente de reparto molecular K y cociente aparente de distribución Dexp.

2. ¿Por qué el ácido benzoico puede presentar un comportamiento distinto al descrito por una ley de reparto ideal?

3. Justifique por qué es posible calcular la cantidad de ácido en la fase orgánica sin valorarla directamente.

4. Escriba y balancee la reacción del ácido benzoico con NaOH. ¿Qué proporción molar se utiliza en los cálculos?

5. A partir de los datos del ensayo A, calcule Cac, norg, Corg y Dexp, indicando todas las unidades.

6. Calcule la eficiencia de extracción de los ensayos A y B. ¿En cuál se transfirió una mayor proporción del soluto?

7. ¿Por qué es necesario utilizar los volúmenes de fase recuperados y no asumir que siempre permanecen exactamente iguales a los iniciales?

8. ¿Qué efecto tendría arrastrar pequeñas gotas de tolueno al tomar la alícuota acuosa para la valoración?

9. ¿Por qué debe mantenerse constante la temperatura y qué resultado se esperaría si el sistema no alcanzara el equilibrio?

10. Proponga una aplicación del reparto entre fases en química ambiental o en la separación de sustancias de interés farmacéutico.

9. Referencias bibliográficas

Atkins, P., de Paula, J., & Keeler, J. (2018). Atkins’ Physical Chemistry (11th ed.). Oxford University Press.

Fujii, Y., Sobue, K., & Tanaka, M. (1978). Solvent effect on the dimerization and hydration constant of benzoic acid. Journal of the Chemical Society, Faraday Transactions 1, 74, 1467–1476. https://doi.org/10.1039/F19787401467

Harris, D. C. (2015). Quantitative Chemical Analysis (9th ed.). W. H. Freeman.

Skoog, D. A., West, D. M., Holler, F. J., & Crouch, S. R. (2014). Fundamentals of Analytical Chemistry (9th ed.). Cengage Learning.