La extracción o partición de un soluto en un sistema de solventes es uno de los procedimientos más utilizados en la industria química, mineralogía, como así también en el laboratorio para separar los componentes de una mezcla. Sin embargo, la incorporación de los conceptos fisicoquímicos involucrados en este proceso suele ser dificultosa para el alumno. En este trabajo se presentan una serie de experimentos sencillos de extracción, con el objetivo de afianzar dichos conceptos.
Básicamente, a partir de cambios de colores se visualiza la eficiencia del proceso de extracción de un soluto en un sistema de dos solventes inmiscibles, en función de variables tales como volumen y número de extracciones, pH, etc. El desarrollo de las actividades puede plantearse a través de un análisis cualitativo mediante la comparación del color de las soluciones, un análisis cuantitativo empleando un espectrofotómetro UV-Vis, o a través de ambos, dependiendo de la disponibilidad de equipamiento o de la profundidad del análisis requerido.
Diseño experimental y actividades
Para lograr los objetivos planteados se proponen dos sistemas de estudio. El primero surge del análisis del equilibrio de partición de I2 entre una solución acuosa de KI y éter de petróleo (fase orgánica), y del equilibrio I2/I3- en solución acuosa. Este sistema permite visualizar la variación de la concentración del soluto (I2) en solución acuosa en función del número de extracciones, y el efecto de un acomplejante (I-) sobre la Relación de Distribución (D). A partir de esta última es posible obtener el valor de la Constante de Partición (KD) para un soluto entre ambos solventes.
El segundo sistema permite analizar el efecto del pH sobre la relación de distribución de un soluto (rojo de metilo) entre una solución acuosa y éter de petróleo. Este indicador cambia de color de acuerdo al pH de la solución, debido a la variación de la relación de especies ácido/base, lo cual tiene efecto en la relación de distribución de la especie en forma no protonada entre ambas fases. Este sistema permite determinar los valores de D y KD del rojo de metilo entre dos solventes, así como también su constante de Disociación Ácida (Ka).
El logro de la totalidad de los objetivos generales ha sido planteado a partir del desarrollo de cuatro bloques, donde cada uno plantea un objetivo específico. A continuación se da una breve descripción de cada uno de estos bloques y sus respectivos objetivos.
A- Análisis de la dependencia de la fracción remanente de soluto en solución acuosa (qac) en función del número de extracciones sucesivas realizadas todas con igual volumen. A partir de la realización de este experimento se busca que el alumno pueda visualizar que, después de un cierto número de extracciones, se ha extraído casi por completo el soluto (en este caso I2) de la fase acuosa.
B- Estudio de la eficiencia de extracción en función del número de extracciones para un mismo volumen final de solvente orgánico. A partir de este experimento se espera que el alumno interprete que para realizar una extracción es más efectivo fraccionar el volumen total de solvente a utilizar en volúmenes menores, repitiendo el proceso de extracción en varios pasos, que realizar una única extracción utilizando el volumen total.
C- Determinación de D y KD para la partición de I2 entre dos solventes (éter de petróleo:agua). Estudio del efecto de la concentración del ion ioduro en fase acuosa. A partir de la realización de este experimento se espera que el alumno observe que el valor de D se ve modificado por el agregado de un acomplejante (en este caso I-).
D- Determinación de D y KD para la partición de rojo de metilo entre dos solventes (éter:agua). Estudio del efecto de pH y determinación de Ka del rojo de metilo. Este experimento pone de manifiesto explícitamente, tanto a través del cambio de coloración de las fases, como a través de mediciones espectrofotométricas, la influencia que tiene el pH en la extracción para sustancias que tienen comportamiento ácido-base. También permite inferir el intervalo de pH en el cual es óptimo realizar la extracción.
Discusión
Si bien las actividades propuestas se realizan actualmente como parte de un trabajo práctico de la asignatura Laboratorio III de la carrera de Ciencias Químicas de la Universidad Nacional de Córdoba, las mismas se pueden adaptar a otros niveles de enseñanza según los conocimientos previos del alumno y el enfoque elegido.
Para el nivel secundario se recomienda particularmente el desarrollo de la actividad A, por cuanto: a) requiere de reactivos de bajo costo y fácil acceso, así como también de poco equipamiento, b) conduce a resultados que el alumno puede visualizar claramente, c) es posible de ser realizada dentro de un módulo de duración. Esta actividad es la más adecuada para introducir conceptos sobre equilibrio y partición de un soluto entre dos fases.
En cambio, para los alumnos universitarios con conocimientos previos sobre equilibrio, constantes de distribución, reacciones ácido-base y mediciones espectrofotométricas, se aconseja llevar a cabo todas las actividades. Se piensa que su realización puede además aportar al desarrollo de la capacidad de análisis de un sistema incorporando conceptos termodinámicos y fisicoquímicos. Las experiencias han sido diseñadas para ser realizadas en un plazo de cuatro horas en el laboratorio.