Fuente: Laboratorio del Dr. Neil Branda, Simon Fraser University

Desgasificación se refiere al proceso por el cual se eliminan gases disueltos de un líquido. La presencia de gases disueltos como oxígeno o dióxido de carbono puede impedir las reacciones químicas que utilizan reactivos sensibles o interfieran con las mediciones espectroscópicas, pueden inducir la formación de burbujas no deseados.

Un número de diversas técnicas están disponibles para la desgasificación de líquidos; algunos de éstos incluyen agitación ultrasónica, remoción química de gases, calefacción, sustitución con gas inerte burbujeando y congelación-descongelación bomba de bicicleta. Ciclo hielo-deshielo de la bomba es un método común y eficaz para la desgasificación de pequeña escala y se demostró aquí con más detalle.

Congelación-descongelación bomba de desgasificación se realiza a presión reducida utilizando un colector doble de alto vacío/inyector de gas inerte. El proceso implica inicialmente congelación del disolvente mediante nitrógeno líquido o una mezcla de hielo seco/isopropanol. Un vacío se aplica y se evacua el espacio sobre el solvente congelado. Se sella el frasco y entonces el solvente es descongelado, permitiendo la liberación de especies gaseosas disueltas. Por lo general se repite el proceso de congelación-descongelación bomba de al menos dos ciclos adicionales disminuir el porcentaje de gases disueltos. ^{1, 2}

Este método aprovecha de la dependencia de la presión de la solubilidad del gas en un líquido. En correspondencia con la ley (ecuación 1) de Henry, la concentración de gas (C_aq) disuelta en un líquido es directamente proporcional (k) a la presión parcial del gas (P_gas) en el vapor de la fase sobre el líquido debajo de la temperatura constante, el volumen y la presión. ³

C_aq = kP_gas (ecuación 1)

Bajar la presión del gas sobre el líquido hace que la solubilidad de los gases disueltos en el líquido para disminuir. Por lo tanto, para restablecer el equilibrio de fase líquido-gas, el gas disuelto se libera del líquido como una burbuja.

En el procedimiento siguiente, se demostrará la técnica ciclo de congelación-descongelación bomba con benceno usando nitrógeno líquido y agua tibia del grifo como externos de enfriamiento y calentamiento de baños, respectivamente. La instalación experimental necesaria para realizar esta técnica consiste en una doble línea de Schlenk múltiple con fuentes de nitrógeno y vacío conectado. La línea de Schlenk está equipada con líneas de tubería compatible vacío (figura 1) para la conexión con cristalería apropiada, como un matraz Schlenk. ^{1, 2}

Figura 1. Foto de la línea de Schlenk equipada con fuentes de nitrógeno y vacío.

1. En primer lugar, coloque la deseada solvente o solución en un matraz Schlenk y cerrar la llave de paso (Figura 2a). Sellar todos los orificios en el matraz Schlenk. PRECAUCIÓN: no utilice más de un 50% del volumen del matraz e Inspeccione el frasco para localizar grietas o fracturas.  Un frasco sobrellenado o roto puede romperse durante el proceso de.
2. Coloque el matraz en una línea de Schlenk y mantenga la válvula correspondiente en la línea de Schlenk cerrada. Congelar completamente el líquido sumergiendo el frasco en un Dewar con nitrógeno líquido o una mezcla de hielo seco. (Figura 2b). PRECAUCIÓN: antes de congelar, lavar el matraz Schlenk con nitrógeno para asegurar que el ambiente es totalmente libre de oxígeno.
3. Cuando el solvente se congela, abra la llave de paso en el matraz Schlenk y la válvula en la línea de Schlenk para vacío (figura 2C). Mantenga el frasco vacío y dentro de la bañera de enfriamiento durante unos 10 minutos.  Sellar el frasco por el cierre de la llave de paso (Figura 2d).
4. Descongelar el solvente hasta que se funda utilizando un baño de agua caliente. Durante este procedimiento las burbujas de gas visiblemente evolucionan desde el solvente (figuras 2e, 2f). Permitir que el solvente congelado se descongele por sí solo poco a poco y no para perturbar el líquido.
5. Una vez descongelado el solvente, sustituir la bañera de agua tibia con el baño de enfriamiento y volver a congelar el solvente.
6. Repita los pasos 3 a 5 hasta que no vea la evolución de gas como los deshielos de la solución (figura 2 g). Se recomienda un mínimo de tres ciclos para reducir al mínimo el porcentaje de gases disueltos presentes.
7. Después de completar tres ciclos, se debe sellar el matraz Schlenk bajo nitrógeno antes de su uso (figura 2 h). Abra la válvula de gas de nitrógeno en la línea de Schlenk y abra la llave de paso del matraz para exponer el solvente a una atmósfera de nitrógeno. Una vez que se llena el matraz Schlenk con nitrógeno, finalmente cerrar la válvula al matraz.
8. El solvente es ahora desgasificado y listo para su uso.

Figura 2. Detalle fotos de los pasos libres-bomba-deshielo: (a) paso 1, coloque solvente en el matraz; (b) paso 2, fijar el solvente en hielo seco (o en su defecto con nitrógeno líquido); paso (c) 3, introducir el vacío; (d) paso 4, sellar el frasco al vacío; (e), (f), paso 5, descongelar el solvente y observar la evolución de las burbujas de gas; (g) paso 7 proceso de deshielo congelación repetida (tres ciclos recomendados); paso (h) 8, sellar el solvente bajo nitrógeno.

La eliminación de gases disueltos es importante en la academia y la industria. A menudo se requiere para mantener la calidad de la maquinaria y de instrumentos de laboratorio para proteger varias reacciones químicas y obtener una lectura precisa para cromatografía y espectrofotometría.

Reacciones que utilizan o generan aire reactivos sensibles, por ejemplo, compuestos organometálicos, tioles, fosfinas y compuestos aromáticos ricos del electrón con frecuencia requieren algún nivel de desgasificación para mantener su integridad durante todo el experimento. El rendimiento o incluso el resultado de una reacción sensible de aire podría ser alterado si no se toman las precauciones adecuadas para eliminar los gases disueltos. Oxígeno disuelto afecta estudios fotoquímicos al amortiguamiento de Estados excitados. Por ejemplo, Estados de trío aromático pueden se apagará por pequeñas cantidades de oxígeno presente en la solución, que afecta a la intensidad y la distribución espectral (figura 3).

Figura 3. Espectros de emisión de fluorescencia de las soluciones. Tetracene (16 μm) en benceno desgasificada (línea azul) y el benceno saturado de oxígeno (línea roja) en excitación a 410 nm donde la intensidad de emisión a 475 nm se reduce en un 14% en la solución saturada de oxígeno.

En la industria, el agua es un líquido utilizado para el intercambio de calor. La vida útil de los tubos de metal, sistemas de caldera y bombas depende de la calidad de las aguas. Agua contiene diferentes niveles de oxígeno y dióxido de carbono, puede causar daño a materiales metálicos. El oxígeno es un reactivo oxidante, y dióxido de carbono es corrosivo debido a su conversión a ácido carboxílico. Entrega de agua desgasificada a lo anterior mencionado sistemas prolongará la vida útil del equipo.

Además, gases presentes en disolventes pueden tener consecuencias negativas para los instrumentos de laboratorio como en la cromatografía líquida de alto rendimiento (HPLC) con respecto a rendimiento y producción. Muchos de los instrumentos tienen hélices de metal o bombas que distribuyen el solvente. En contacto con el solvente ha disuelto gas, puede causar cavitación y corrosión conducen a daño o degradación de los componentes metálicos. La estabilidad del detector también es influenciada por la presencia de gases disueltos y la remoción insuficiente de oxígeno puede causar deriva de referencia.

Ciclo hielo-deshielo de la bomba es un método relativamente rápido y eficiente adecuado para pequeñas y medianas de la escala de desgasificación de líquidos. Este proceso puede ayudar a superar algunos de los temas sobre asociados con los gases de la presencia que se disuelve en el solvente.

1. Shriver, D. F., Drezdn, M. A. The Manipulation of Air Sensitive Compounds. 2^nd ed. Wiley & Sons: New York, NY (1986).
2. Girolami, G. S., Rauchfuss, T. B., Angelici, R. B. Synthesis and Technique in Inorganic Chemistry: A Laboratory Manual. 3^rd ed. University Science Books: Sausalito, CA, (1999).
3. Kotz, J., Treichel, P., Townsend, J.  Chemistry and Chemical Reactivity. 8^th ed. Brooks/Cole: Belmont, CA. (2012).