Introduzione
I tuoi professori ti fanno addormentare a lezione quando parlano di cristallizzazione o ricristallizzazione (non ricordi la differenza!)? Bene, sei nel posto giusto! Tutti i tuoi dubbi sull’argomento cristallizzazione/ricristallizzazione verranno chiariti grazie a questo articolo! Tramite un linguaggio semplificato, immagini e schemi padroneggerai questo argomento, e eliminerai le conseguenze di quel pisolino fisiologico che ti viene ogni volta che un tuo professore apre bocca.
Ma ora iniziamo!
Chiariamo i termini
Iniziamo con il chiarire un po’ di termini, ecco un paio di definizioni:
Def.
Cristallizzazione= passaggio di una sostanza allo stato cristallino;
Ricristallizzazione= tecnica usata per purificare una sostanza solida da piccole impurità.
Quindi cristallizzazione è un termine che si riferisce a un fenomeno fisico, mentre ricristallizzazione è una tecnica di purificazione usata nei Laboratori di Chimica. Tuttavia i due termini sono spesso confusi tra loro e non solo dagli studenti…
In questo articolo ci occuperemo principalmente di ricristallizzazione, come avrai capito dal titolo!
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Ricristallizzazione: in cosa consiste e quando usarla
La ricristallizzazione permette di purificare un solido mediante due passaggi fondamentali:
Il riscaldamento del solido fino a sua dissoluzione in un solvente opportuno;
Il successivo lento raffreddamento della soluzione ottenuta per la formazione di cristalli puri.
Questa tecnica va usata solo se il campione da purificare contiene 10-20% di impurezze. Per campioni più sporchi, è bene rivolgersi ad altre tecniche di purificazione, come la cromatografia su colonna.
Gli stadi della ricristallizzazione
Gli stadi per effettuare la ricristallizzazione sono principalmente 6:
1- Scelta del solvente;
2- Solubilizzazione del campione nella minima quantità di solvente a una temperatura vicina al punto di ebollizione o all’ebollizione;
3- Filtrazione della soluzione calda per allontanare le impurezze insolubili e le polveri;
4- Lento raffreddamento della soluzione filtrata;
5- Filtrazione sotto vuoto dei cristalli;
6- Essiccamento dei cristalli.
Vediamo questi step nello specifico.
Stadio 1: Scelta del solvente
Le proprietà del solvente
Il solvente giusto per la ricristallizzazione deve avere un requisito fondamentale:
1. solubilizzare il campione a caldo ma lasciarlo insolubile a freddo.
Il solvente ideale inoltre:
2. non deve reagire con il campione;
3. deve permettere di allontanare le impurezze, rendendole solubili a tutte le temperature o insolubili a tutte le temperature;
4. deve avere un punto di ebollizione non troppo alto, in modo da poter essere allontanato facilmente.
Il punto 3 è fondamentale per avere una buona purificazione. Infatti se le impurezze hanno una solubilità diversa rispetto al campione, potrò allontanarle facilmente per filtrazione. Ad esempio le impurezze insolubili le elimino per filtrazione a caldo (durante lo stadio 3 di ricristallizzazione). Mentre le impurezze solubili sono facilmente eliminate nel penultimo stadio del processo di ricristallizzazione, ossia quando il campione è cristallizzato e potrà essere allontanato dalle acque madri, contenenti le impurezze, per filtrazione.
Come scegliere il solvente
Chiarite le proprietà del solvente, vediamo nella pratica di laboratorio come selezionarlo.
Se il campione è un composto noto, la via più facile è fare una ricerca bibliografica per vedere come è stato ricristallizzato nei precedenti esperimenti e da qui ricavare il solvente usato.
Se, invece, il campione è un composto nuovo o, in letteratura, non sono note purificazioni per ricristallizzazione, dovrai fare esperimenti preliminari per la scelta del solvente migliore.
Se ti trovi in quest’ultima situazione, seguendo la famosa legge del ‘il simile scioglie il simile’, inizia a testare il solvente che ha gruppi funzionali simili al tuo campione. Ad esempio, se il tuo campione è un composto molto polare, come un acido carbossilico, scegli un solvente polare come metanolo o acqua; se, invece, hai un composto idrocarburico scegli un solvente non polare come esano o etere di petrolio. Poi opera come segue (vedi anche Fig. 1):
1. metti una piccola porzione del tuo grezzo (es. 100 mg) in una minima quantità del solvente selezionato (es. 1 ml) – il campione non deve risultare solubile;
2. riscalda ad ebollizione- il campione deve risultare solubile;
3. raffredda lentamente- si devono formare i cristalli.
Se si verificano tutte le condizioni indicate sopra, il solvente scelto è giusto e potrai procedere alla ricristallizzazione del campione totale. Alternativamente dovrai scegliere un altro solvente e ripetere i passaggi 1-3.
Consiglio pratico → Come solvente alternativo è bene scegliere l’omologo superiore a quello sperimentato, prima di passare a un solvente completamente differente. Per esempio, se si è testato il metanolo, si potrà scegliere l’etanolo per la prova successiva. Questo perché l’omologo superiore ha un punto di ebollizione più alto (etanolo 78°C v.s. metanolo 65°C), quindi si potrà scaldare di più e di conseguenza la solubilità dovrebbe aumentare.
I solventi tipici
Nella tabella seguente sono riportati i solventi tipici di ricristallizzazione.
Se non trovi il solvente giusto, puoi provare anche una miscela di solventi (miscibili tra di loro!). La tabella sottostante riporta le miscele tipiche.
Stadio 2: Riscaldamento
Durante la fase di riscaldamento il composto è solubilizzato nella minima quantità di solvente caldo. L’operazione è, in genere, effettuata mediante delle beute che servono anche da parziali refrigeranti per i vapori del solvente (Fig. 2).
Sarebbe bene riscaldare il solvente, in una beuta a parte, vicino al punto di ebollizione o all’ebollizione e poi aggiungere parte di questo solvente in un’altra beuta, contenente il composto da cristallizzare, e tenuta a riscaldare. L’aggiunta del solvente va fatta con attenzione, in modo da aggiungerne una quantità minima per solubilizzare il campione.
Un’altra modalità è quella di aggiungere una minima quantità di solvente freddo nella beuta contenente il campione. La beuta è poi riscaldata e se il campione non si solubilizza, altro solvente è aggiunto lentamente fino completa solubilizzazione a caldo. Quest’ultima modalità è più soggetta ad errori, specialmente se all’inizio inseriamo più solvente freddo del necessario.
Se il solvente usato è tossico è bene inserire un refrigerante a cadere sopra alla beuta.
Per riscaldare è bene munirsi di una piastra scaldante evitando l’uso di fiamme libere.
Nota di sicurezza → Non dimenticare di aggiungere le pietrine di ebollizione o un magnetino nella beuta con il campione PRIMA del riscaldamento. Questo per evitare di creare un liquido surriscaldato che possa poi bollire violentemente. Se opti per il magnetino, agita la soluzione durante tutto il riscaldamento. Ricordati poi di rimuovere le pietrine o il magnetino con una pinzetta appena terminata la fase di riscaldamento.
Stadio 3: Filtrazione delle impurezze insolubili
Se il campione contiene impurezze insolubili a caldo, occorre filtrare per eliminarle (Fig. 3).
La filtrazione va fatta velocemente e a caldo, quindi è bene riscaldare la beuta di filtrazione e l’imbuto. Si può usare un filtro a pieghe per raccogliere le impurezze durante la filtrazione.
Se non ci sono impurezze insolubili tale fase può essere saltata.
Stadio 4: Raffreddamento
La beuta con la soluzione da cristallizzare va chiusa con un tappo (o con un vetro da orologio posto sopra) e lasciata raffreddare il più lentamente possibile per favorire la formazione dei cristalli e, di conseguenza, l’eliminazione delle impurezze dal solido risultante.
Alla fine della cristallizzazione si può raffreddare anche a temperatura più bassa di quella ambiente per aumentare la crescita dei cristalli. Ad esempio, si può usare un bagno di acqua e ghiaccio per portare la temperatura a 0°C.
Stadio 5: Filtrazione dei cristalli
I cristalli ottenuti devono essere separati dalle acque madri mediante filtrazione a pressione ridotta (Fig. 5). Tale filtrazione consente di recuperare velocemente i cristalli grazie all’azione del vuoto.
La filtrazione va eseguita per decantazione, portando prima nell’imbuto di filtrazione le acque madri e poi i cristalli. I cristalli rimasti sull’imbuto vanno lavati con piccoli volumi di solvente freddo.
L’aspirazione della pompa da vuoto può essere sfruttata anche per seccare i cristalli parzialmente sull’imbuto: basterà lasciarli per qualche minuto sull’imbuto con l’aspirazione della pompa attiva.
Stadio 6: Essiccamento dei cristalli
Benché parte dell’essiccamento può essere fatto durante la fase di filtrazione sotto vuoto, residui di solvente restano comunque nei cristalli. Occorre perciò essiccare definitivamente il campione.
Il metodo da scegliere dipende dalla stabilità termica del campione e dal tipo di solvente usato (vedi anche Fig. 6):
– Se il campione è termostabile e il solvente non è tossico si può optare per l’essicamento all’aria per alcune ore o in stufa a una temperatura di almeno 20°C inferiore alla temperatura di fusione dei cristalli.
– Se il campione è basso-fondente o termolabile, è possibile essiccarlo ponendolo in un essiccatore per 12-24 h, in presenza di opportuni agenti essiccanti (P2O5, gel di silice o CaCl2 per eliminare l’acqua; alcoli o paraffina per eliminare idrocarburi e solventi alogenati). È possibile anche applicare il vuoto per accelerare l’essicamento, se si è dotati di un essiccatore da vuoto.
– Se il solvente è altobollente si può effettuare l’essicamento sotto vuoto e a temperatura superiore a quella ambiente. Per fare questo si possono usare essiccatori a pistola.
Ulteriori stadi
Se si desidera recuperare più campione si possono ricristallizzare le acque madri filtrate via durante lo stadio 5 (vedi Fig. 7). Tali acque contengono sicuramente parte del campione solubilizzato insieme alle impurezze. Per recuperarlo occorre rimuovere il solvente mediante evaporazione a pressione ridotta e ricristallizzare il solido risultante ripetendo gli stadi 2-6. I cristalli ottenuti saranno con buona probabilità molto meno puri di quelli ottenuti alla prima ricristallizzazione; questo perché le acque madri sono povere di campione mentre sono arricchite di impurezze. Dunque la successiva ricristallizzazione non potrà che essere meno efficiente.
Inoltre se si scopre che il campione ottenuto dalla prima ricristallizzazione non è abbastanza puro, si potrà ripeterne la ricristallizzazione (stadi 2-6) per ottenerlo più puro la seconda volta (Fig.7). Ovviamente questo comporterà un ulteriore perdita di campione e quindi una resa complessiva di cristallizzazione più bassa.
L’immagine sottostante riassume tutti gli stadi di ricristallizzazione sia quelli base che quelli ulteriori.
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